一种自动监测运行故障的电路保护装置

技术领域

本申请属于电路保护技术领域，尤其涉及一种自动监测运行故障的电路保护装置，尤指剩余电流动作保护装置或接地故障电路中断装置，该保护性电路中断装置能自动监测自身工作状况，在自身发生运行故障时输出警示信号，并采取应急断电措施。

背景技术

剩余电流动作保护装置，或接地故障电路中断装置，用于检测由电网电源供电的电器、仪器、装置、设备、电气系统等用电器及供电线路接地故障电流GFC，当该接地故障电流GFC超过规定的限值时，电路保护装置将自动切断电源，从而达到保护人身、财产安全的目的。在实际使用中，剩余电流动作保护装置，或接地故障电路中断装置的接地故障检测电路常常会局部或全部失效，导致接地故障电路中断装置的保护功能失效，或导致警示信息缺失，而此时使用者并不知晓，存在安全隐患。

为了解决上述问题，一些接地故障电路中断装置，按照UL943标准设计，设置自我故障监测功能，以定期诊断接地故障电路中断装置的工作状况，并在接地故障电路中断功能发生故障时，输出警告信号或使其保护机构脱扣。其中，一些接地故障电路中断装置，因其电路及结构复杂，或因其制造难度及成本高，当其接地故障保护功能发生故障时，能实现强制脱扣功能，但在强制脱扣之后，其指示灯可能仍然按照原有周期闪烁，甚至没有被点亮，未能起到有效的警示作用，降低了电路保护装置的警示作用，仍然存在安全隐患。

发明内容

本申请是CN105896469B的延伸，提供一种自动监测运行故障的电路保护装置。CN105896469B所述的内容将被引用于本申请。本申请所要解决的一个技术问题是为所述保护性电路中断装置提供一种故障状态保持电路，当保护性电路中断装置的接地故障保护功能发生故障时，该故障状态保持电路能保持故障状态信息，使指示灯长时间被点亮，以明示电路保护装置已发生故障。本申请所要解决的另一个技术问题是为所述保护性电路中断装置提供一种闪烁警示电路，以提高警示效果。

为解决上述技术问题，本申请所采用的技术方案是：

一种自动监测运行故障的电路保护装置，所述电路保护装置包括接地故障保护单元和自我故障监测单元，所述接地故障保护单元包括接地故障检测电路、交流电源通道和电磁驱动电路，所述自我故障监测单元包括自动测试电路、测控电路和警示电路；所述自我故障监测单元，还包括：

故障状态保持电路，所述故障状态保持电路包括清零电路和故障状态触发电路，其中，所述清零电路接收所述测控电路定时发出的自我故障监测信号U_TEST，发出清零信号U_clr；所述故障状态触发电路接收所述清零信号U_clr和所述测控电路发出的应急中断信号U_EI，当所述接地故障保护单元发生故障时，输出并保持故障状态信息U_err，使所述警示电路保持告警状态，以示所述电路保护装置已发生故障。

进一步的，所述清零电路包括一个清零电容，所述清零电容捕获所述自我故障监测信号U_TEST的电平翻转信息，用于产生所述清零信号U_clr。

进一步的，所述故障状态触发电路包括一个电压比较器，所述电压比较器接收所述清零信号U_clr和所述应急中断信号U_EI，输出故障状态信息U_err。

进一步的，所述故障状态触发电路输出的故障状态信息U_err包括低电平和高电平二个状态，所述警示电路接收该故障状态信息U_err，在自我故障监测过程，当电路保护装置无故障时，所述警示电路停止告警；当所述接地故障保护单元发生故障时，所述警示电路保持告警状态。

本申请提出的一种自动监测运行故障的电路保护装置，故障状态触发电路输出故障状态信息U_err，该故障状态信息U_err包括低电平和高电平2个状态，所述警示电路接收该故障状态信息U_err。在所述自我故障监测过程，当电路保护装置无故障时，所述警示电路的指示灯熄灭；当所述接地故障保护单元发生故障时，所述警示电路的指示灯闪烁发光，以提高警示效果。本申请电路简单、经济、高效。

附图说明

图1是本申请实施例的结构框架图。

图2是本申请一种实施例的电路原理图。

图3是本申请实施例的另一个电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请技术方案做进一步详细说明，以下实施例不构成对本申请的限定。

图1是本申请自动监测运行故障的电路保护装置的结构框架图，展示电路保护装置的主要功能单元及控制关系。该电路保护装置包括一个接地故障保护单元1和一个自我故障监测单元2。接地故障保护单元1实现接地故障保护功能，并向自我故障监测单元2输出故障状态信号U_FS；自我故障监测单元2向接地故障保护单元1输出接地故障电流GFC，并监测接地故障保护单元1的故障状态信号U_FS，向接地故障保护单元1输出应急中断信号U_EI，实现自我故障监测和应急保护功能。

如图1所示，接地故障保护单元1包括接地故障检测电路101、交流电源通道102、人工测试电路103和电磁驱动电路104。其中，交流电源通道102包括磁力开关88、交流电源输入端子N1和L1、负载端子N2和L2。磁力开关88用于接通或断开交流电源输入端子与负载端子之间的电气通道。

接地故障检测电路101包括接地故障电流传感器150、中性线重复接地传感器160、接地故障检测芯片170和第一直流电源180。接地故障电流传感器150和中性线重复接地传感器160感应交流电源通道102中出现的接地故障电流GFC，并向接地故障检测芯片170传送接地故障信号，该接地故障检测芯片170用于检测接地故障电流传感器150和中性线重复接地传感器160传达的接地故障信号，输出接地故障中断信号U_GFI。第一直流电源180，用于给接地故障检测芯片170提供直流电源V1，第一直流电源180的负极作为电路保护装置的逻辑地GND。

人工测试电路103向交流电源通道102输出接地故障电流GFC，用于测试接地故障保护单元1的接地故障保护功能。

自我故障监测单元2包括自动测试电路201、测控电路202和警示电路203。其中，测控电路202周期性的(如每隔1分钟一次)发出自我故障监测信号U_TEST，启动自我故障监测过程，控制自动测试电路201向接地故障保护单元1输出接地故障电流GFC，并监测接地故障保护单元1中电磁驱动电路104输出的故障状态信号U_FS，判断接地故障保护单元1的运行状况，并在接地故障保护单元1发生故障时，向电磁驱动电路104输出应急中断信号U_EI，触发电磁驱动电路104工作，使磁力开关88脱扣，实现应急保护功能。同时，自我故障监测信号U_TEST被接入警示电路203，由警示电路203发出警示信息。需要说明的是，警示电路203可以是指示灯或语音报警器等设备，以下以指示灯为例进行说明。

测控电路202包括应急保护电路280、监控芯片及辅助电路260和第二直流电源270。其中，第二直流电源270给自我故障监测单元2提供直流电源V2。其中，监控芯片及辅助电路260定时发出自我故障监测信号U_TEST，启动自我故障监测过程，并在接收到所述故障状态信号U_FS时，终止自我故障监测过程。其中，应急保护电路280设定自我故障监测过程的最大运行时间Tmax(如40mS)。在自我故障监测过程中，应急保护电路280接收自我故障监测信号U_TEST，监测自我故障监测过程的运行时间Trun，当该Trun小于最大运行时间Tmax时，即判定所述接地故障保护单元1处于正常状态；当该Trun大于最大运行时间Tmax时，即判定所述接地故障保护1已处于故障状态，输出所述应急中断信号U_EI，触发接地故障单元1脱扣，实现应急保护功能。

自我故障监测单元2还包括故障状态保持电路204，该故障状态保持电路204接收自我故障监测信号U_TEST和应急中断信号U_EI，向警示电路203输出故障状态信息U_err。

故障状态保持电路204包括清零电路210和故障状态触发电路290。其中，清零电路210包括一个清零电容216，清零电路210借助该清零电容216，在自我故障监测过程启动瞬间，捕获自我故障监测信号U_TEST的电平翻转信息，输出清零信号U_clr。

故障状态触发电路290包括一个电压比较器294，该电压比较器294接收清零信号U_clr和应急中断信号U_EI，输出故障状态信息U_err。在自我故障监测过程的启动瞬间，故障状态触发电路290被清零信号U_clr清零，输出并保持故障状态信息U_err，使警示电路203的指示灯熄灭；当所述接地故障保护单元1发生故障时，一方面，故障状态触发电路290被应急中断信号U_EI置1，输出并保持故障状态信息U_err，使警示电路203的指示灯保持点亮状态，以示所述电路保护装置1已发生故障；另一方面，故障状态触发电路290又在周期性出现的清零信号U_clr作用下被瞬时清零，从而发出周期变化的故障状态信息U_err。

由上可知，故障状态保持电路204输出故障状态信息U_err，该故障状态信息U_err包括低电平和高电平2个状态，警示电路203接收该故障状态信息U_err，在自我故障监测过程中，当电路保护装置无故障时，警示电路203的指示灯熄灭；当接地故障保护单元1发生故障时，警示电路203的指示灯闪烁发光，以提高警示效果。

在一个具体的实施例中，如图2所示，是本申请自动监测运行故障的电路保护装置的一个具体实施例，展示图1所述电路保护装置各功能单元的一种电路实施例。

在交流电源通道102中，交流电源从交流电源输入端子L1和N1输入，再穿过接地故障电流GFC传感器150和中性线重复接地传感器160后，被接到磁力开关88的输入端，磁力开关88的输出端与负载端子L2和N2连接。

在接地故障检测电路101中，接地故障电流传感器150、中性线重复接地传感器160和接地故障检测芯片170感应交流电源通道102中出现的接地故障电流GFC，输出接地故障中断信号U_GFI，当接地故障电流GFC超过脱扣阈值时，接地故障中断信号U_GFI由低电平转为高电平；当接地故障电流GFC小于脱扣阈值时，接地故障中断信号U_GFI保持为低电平。

在接地故障检测电路101中，第一直流电源180为一个桥式整流电路，它的输出正极接V1，它的输出负极接电路保护装置的逻辑地GND。

电磁驱动电路104包括脱扣线圈142和可控硅SCR，可控硅SCR阳极输出故障状态信号U_FS，该U_FS分别与脱扣线圈142和监控芯片及辅助电路260连接；可控硅SCR的阴极接逻辑地GND，接地故障中断信号U_GFI经电阻149与可控硅SCR的控制极连接，应急中断信号U_EI经二极管148与可控硅SCR的控制极连接。当接地故障中断信号U_GFI和/或应急中断信号U_EI为高电平时，可控硅SCR导通，使故障状态信号U_FS为低电平。当发生接地故障时，电磁驱动电路104的可控硅SCR处于导通状态，导致脱扣线圈142及磁力开关88发生脱扣动作，切断通往负载和插座端子的交流电源，实现接地故障保护功能。

在监控芯片及辅助电路260中，监控芯片263定时使U_TEST由低电平转为高电平，启动自我故障监测过程，并接收电磁驱动电路104发出的故障状态信号U_FS，当故障状态信号U_FS由高电平转为低电平时，使自我故障监测信号U_TEST由高电平立即转为低电平，结束自我故障监测过程。另一方面，该自我故障监测信号U_TEST同时与警示电路203连接，在自我故障监测过程中，当可控硅SCR的功能正常时，无论接地故障保护单元1是否有故障，故障状态信号U_FS的电平都将会翻转一次，警示电路203的指示灯都将会被无区别、短促点亮一次。

在应急保护电路280中，输入电阻281、延迟电容282和参考电压Ud设定用于自我故障监测过程的最大运行时间Tmax。在自我故障监测过程中，自我故障监测信号U_TEST保持为高电平，自我故障监测信号U_TEST经电阻281给延迟电容282充电，当接地故障保护单元1发生故障时，自我故障监测过程的运行时间Trun大于最大运行时间Tmax，延迟电容282上的电压高于Ud，应急中断信号U_EI由低电平转为高电平；当电路保护装置无故障时，Trun小于Tmax，延迟电容282的电压低于Ud，应急中断信号U_EI保持为低电平。

在清零电路210中，自我故障监测信号U_TEST经电阻215被接到清零电容216的一个电极上，清零电容216的另一个电极同时与三极管217的基极和电阻218的一个电极连接，电阻218的另一个电极与逻辑地GND连接。三极管217的发射极与逻辑地GND连接，三极管217的集电极输出清零信号U_clr。清零电路210利用清零电容216的充放电特性和对直流电压的隔离特性，实现对自我故障监测信号U_TEST瞬变信息的获取，其过程为：当自我故障监测信号U_TEST由低电平转为高电平时，清零电容216两端的电势差不会突变，自我故障监测信号U_TEST经电阻215给三极管217基极注入电流，从而使三极管导217导通，被接在三极管217集电极上的清零信号U_clr由高电平转为低电平，随后，清零电容216两端的电势差逐渐增大，流经清零电容216的电流逐渐减小，直至三极管217截止，此后U_clr的电平由故障状态触发电路290维持；当自我故障监测信号U_TEST由高电平转为低电平时，清零电容216内的电荷经电阻215和电阻218被逐渐释放，直至清零电容216两端的电势差为零，在此过程中，三极管217的基极始终保持为低电平，三极管217保持截止状态，U_clr的状态不变。清零电路210的输出U_clr仅在自我故障监测信号U_TEST由低电平转为高电平时出现，以获取自我故障监测信号U_TEST的电平上跳过程的瞬变信息。

在故障状态触发电路290中，电压比较器294和正反馈电阻293构成一个正反馈电路，电压比较器294输出故障状态信息U_err，电压比较器294的负输入端接参考电压Ub，清零信号U_clr与电压比较器294的正输入端Ua连接，应急中断信号U_EI经二极管291和电阻292与电压比较器294的正输入端Ua连接，电阻293的一个电极与电压比较器294的正输入端Ua连接，电阻293的另一个电极与电压比较器294的输出U_err连接，U_err又被连接到警示电路203。由此，电压比较器294及外围元件实现了双稳态(高电平和低电平)输出功能，其过程为：起始状态，应急中断信号U_EI为低电平，清零信号U_clr为高电平，当清零信号U_clr由高电平转为低电平时，电压比较器294的正输入端电压Ua低于其负输入端电压Ub(如Ua约为0.3V，Ub约为3V)，其故障状态信息U_err为低电平(如0.3V)，由于电阻293的正反馈作用，当清零电路210中的三极管217截止时，电压比较器294的正输入端电压Ua保持低于其负输入端电压Ub(Ua约为0.3V，Ub约为3V)，故障状态信息U_err保持为低电平；当应急中断信号U_EI为高电平(如，11V)时，在三极管217截止情况下，电压比较器294的正输入端电压Ua高于其负输入端电压Ub(如：设Ua为6.5V，Ua>Ub)，故障状态信号U_err由低电平翻转为高电平(如，设U_err为11V)，此时，该Ua约等于U_err，此后，同样由于电阻293的正反馈作用，且由于二极管291的单向导通特性，当应急中断信号U_EI由高电平转为低电平时，Ua保持不变(约等于U_err)，使Ua>Ub的条件得以保持，电压比较器294的输出U_err保持为高电平状态。

在另一个实施例中，如图3所示，给出了另外一种故障状态保持电路204的实施例。图3中的故障状态保持电路204能够实现与图2中的故障状态保持电路204相同的信号传递功能，以实现图1所述的故障状态保持功能。

在清零电路210中，电阻215的一个电极与接地故障监测信号U_TEST连接，该电阻215的另一个电极与清零电容216的一个电极连接，该清零电容216的另一个电极同时与电阻218的一个电极和三极管217的基极连接，该电阻218的另一个电极与逻辑地GND连接，三极管217的集电极与第二直流电源270(V2)连接，该三极管217的发射极输出清零信号U_clr。清零电路210的工作原理为：当自我故障监测信号U_TEST为低电平时，电阻215、清零电容216和电阻218构成放电回路，使得清零电容216两端的电势差为零，三极管217基极的电压为0V，三极管217截止，U_clr电压为Ub_L(如，设为3V)；当该U_TEST由低电平上升到高电平时，开始时，U_TEST经电阻215和清零电容216给三极管217的基极注入电流，使得三极管217瞬时导通，该三极管217的输出U_clr瞬时上升到Ub_H(如，设为10V)，此后在U_TEST保持为高电平期间，随着清零电容216两端的电势差经充电而逐渐增大，三极管217基极的电压逐渐降低至0V，三极管217截止，U_clr电压逐渐回到Ub_L；当U_TEST由高电平下降为低电平时，清零电容216被放电，三极管217保持为截止状态，U_clr状态保持不变。由此可知，U_TEST在高电平与低电平之间往返转换过程，清零电路210输出的清零信息U_clr仅在U_TEST由低电平跳变到高电平的瞬间产生一个瞬时电平翻转(由Ub_L到Ub_H，再回到Ub_L)，实现了对U_TEST电平上升沿瞬态信息的捕获功能。

在所述故障状态保持电路290中，电压比较器294和正反馈电阻293构成一个正反馈电路，电压比较器输出故障状态信号U_err，其中，二极管291的阳极与所述U_EI连接，二极管291的阴极与电阻292的一个电极连接，电阻292的另一个电极同时与电阻295、正反馈电阻293和电压比较器294的正输入端Ua连接，电阻295的另一个电极与逻辑地GND连接，正反馈电阻293的另一个电极与电压比较器294的输出U_err连接，电压比较器294的负输入端Ub与由第二直流电源V2、电阻297和电阻296构成的分压电路连接，电压比较器294的负输入端Ub同时与清零信号U_clr连接。

故障状态触发电路290的工作原理为：初始状态，清零信号U_clr(即Ub)的电平为Ub_L(如，设为3V)，应急中断信号U_EI为低电平(约为0.3V)，故障状态信号U_err为低电平(约为0.3V)，此时，电压比较器294的正输入端电压Ua为Ua_1(低于0.3V)，电压比较器294的负输入端电压Ub为Ub_L，Ua_1Ub，故障状态信号U_err由低电平翻转为高电平(如，11V)，此时，在正反馈电阻293的作用下，Ua由Ua_2上升到Ua_3(由电阻292、正反馈电阻293和电阻295确定，如，设为6.5V)，其后，若应急中断信号U_EI由高电平转为低电平，由于二极管291的单向导通作用，电压比较器294的正输入端电压Ua回落到Ua_4(由电阻295和正反馈电阻293确定，如，3.3V)，Ua_4仍然大于Ub_L，因此，故障状态信号U_err保持为高电平，从而实现了对故障状态信息的保持功能；在故障状态信号U_err为高电平情况下，当清零信号U_clr由低电平Ub_L上升到高电平Ub_H时，电压比较器294的负输入端电压Ub由低电平Ub_L上升到高电平Ub_H，Ub_H>Ua_3，即电压比较器294的负输入端电压Ub大于其正输入端电压Ua，故障状态信号U_err瞬时回到低电平。

在上述图2和图3两个实施例中，在每一个自我故障监测过程中，警示电路203接收故障状态信息U_err，当接地故障保护电路1出现故障时，因故障状态信息U_err的电平由高电平转低电平，最后又翻转为高电平，从而使警示电路203的指示灯闪烁一次，由此，消除了仅依靠监控芯片及辅助电路260输出的自我故障监测信号U_TEST所产生的无区别、短促闪烁的缺陷，提高了警示效果。在本实施例中，所设置的清零电路210和故障状态触发电路290的电路简洁、经济、实用，能有效地实现故障状态的保持功能。

本技术领域的人所知，本申请的附图和实施例仅为说明本申请的功能、结构和原理，而不应当成为对本申请理解上的限制；同时，本申请的目的均已经实现。上述实施例可能在不脱离本申请原理的情况下有所变更，故此，本申请的保护应以权利要求书中所描述的范围为准。