CN109755921A - 接地故障断路器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种接地故障断路器，其包括开关模块、接地故障检测模块、自检模块和脱扣模块。其中，所述开关模块耦接在输入端和输出端之间，以控制所述输入端和所述输出端之间的电力连接；所述接地故障检测模块检测所述输出端是否存在漏电流信号；所述自检模块耦接到所述接地故障检测模块并且周期性地产生用于模拟所述漏电流信号的自检脉冲信号；并且所述脱扣模块耦接到所述接地故障检测模块和所述开关模块，以控制所述开关模块动作。本发明为接地故障断路器设计了至少两个脱扣驱动部件，避免了长时间工作在高温条件下时其中的脱扣模块出现故障而导致接地故障断路器停止工作，进而极大地提升了接地故障断路器的安全性。

Description

接地故障断路器

技术领域

本发明涉及家用电路领域，尤其涉及一种接地故障断路器。

背景技术

随着家用电器的日益普及，人们对家用电器的使用安全越来越重视。目前，人们虽然在电网输出端或者在一些家用电器的输入端安装有接地故障断路器，提高家用电器的用电安全性。但在使用中，因长时间使用等因素，即使人们对接地故障断路器进行了使用中自检等操作，由于现有技术中接地故障断路器内部结构的缺陷，导致虽然接地故障断路器检测到漏电问题，但是由于接地故障断路器的内部驱动故障而不能及时断开电源，接地故障断路器仍然存在使用过程中丧失漏电保护的可能性，从而导致危险的情况发生。并且现有技术中的具有自检功能的接地故障断路器只能通过指示灯、声音的方式向用户提示接地故障断路器存在故障，而对于无法通过指示灯、声音等方式识别接地故障断路器存在故障的人员而言，使用上述接地故障断路器容易造成人身伤害，存在安全隐患。

因此，亟需一种方便安装、经济效益明显的具有自检功能、多重保护功能的接地故障断路器。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种具有多重保护功能的接地故障断路器，进而提升产品安全性、可靠性。

本发明一方面提出了一种接地故障断路器，其包括：开关模块、接地故障检测模块、自检模块以及脱扣模块。所述开关模块耦接在输入端和输出端之间，所述开关模块用于控制所述输入端和所述输出端之间的电力连接；所述接地故障检测模块检测所述输出端是否存在漏电流信号；所述自检模块耦接到所述接地故障检测模块并且周期性地产生用于模拟所述漏电流信号的自检脉冲信号；所述脱扣模块耦接到到所述接地故障检测模块和所述开关模块，其中所述脱扣模块包括：至少两个脱扣驱动部件，其根据所述接地故障检测模块检测到的所述漏电流信号来控制所述开关模块断开电力连接。

在一种实施方式中，所述至少两个脱扣驱动部件并联连接，每个所述脱扣驱动部件包括耦接到所述接地故障检测模块的半导体元件、以及与所述半导体元件耦接的脱扣线圈；当检测到所述漏电流信号时，所述接地故障检测模块导通至少一个所述半导体元件来控制相应的所述脱扣线圈动作，以驱动所述开关模块断开电力连接。

在一种实施方式中，所述脱扣模块包括：脱扣装置和至少两个半导体元件；所述脱扣装置上设有至少两个脱扣线圈；每个所述半导体元件分别耦接到所述至少两个脱扣线圈，并且每个所述半导体元件还耦接到所述接地故障检测模块，使得每个所述半导体元件与每个所述脱扣线圈形成相应的所述脱扣驱动部件，其中：当检测到漏电流信号时，所述接地故障检测模块导通至少一个所述半导体元件以驱动所述开关模块断开电力连接。

在一种实施方式中，所述半导体元件包括可控硅、MOS管、三极管等元件中的任何一种。

在一种实施方式中，所述自检模块包括相互耦接的周期计时电路和自检脉冲信号电路，所述周期计时电路用于控制所述自检脉冲信号电路产生自检脉冲信号的间隔。

在一种实施方式中，所述自检脉冲信号电路包括开关管、与所述开关管耦接的分流基准源，所述周期计时电路耦接到所述分流基准源以控制所述开关管产生所述自检脉冲信号。

在一种实施方式中，所述自检脉冲信号电路包括开关管、与所述开关管耦接的比较器，所述周期计时电路耦接到所述比较器以控制所述开关管产生所述自检脉冲信号。

在一种实施方式中，所述自检模块还包括电源模块，所述电源模块用于为所述自检脉冲信号电路和/或所述周期计时电路供电；当所述电源模块仅为所述自检脉冲信号电路供电时，所述周期计时电路通过周期计时脉动电源耦接到漏电检测环以取电。

在一种实施方式中，所述接地故障检测模块包括：漏电检测环、漏电检测单元；所述漏电检测环用于检测所述输出端的相线和中性线是否存在漏电流信号；所述漏电检测单元分别耦接到所述漏电检测环、所述脱扣模块，当所述漏电检测单元通过检测所述漏电检测环而产生所述漏电流信号时，控制所述脱扣模块以驱动所述开关模块断开电力连接。

本发明相比于现有技术在接地故障断路器中增加了包括至少两个脱扣驱动部件的脱扣模块、自检模块，不仅能够在接地故障断路器工作中周期性地自动检测漏电保护功能、提供给用户相应的指示，还能够在接地故障断路器工作的过程中当检测到故障存在时，当脱扣模块中的一个脱扣驱动部件发生故障不能正常工作时，另外一个脱扣驱动部件能够及时断开输入端与输出端之间的电力连接，确保接地故障断路器的正常工作，从而极大地提升了电路的安全性、可靠性。

附图说明

参考附图示出并阐明实施例。这些附图用于阐明基本原理，从而仅仅示出了对于理解基本原理必要的方面。这些附图不是按比例的。在附图中，相同的附图标记表示相似的特征。

图1示出了根据本发明第一实施例的电路结构示意图；

图2示出了根据本发明第二实施例的电路结构示意图；

图3示出了根据本发明第三实施例的电路结构示意图；

图4示出了根据本发明第四实施例的电路结构示意图；

图5示出了根据本发明第五实施例的电路结构示意图；

图6示出了根据本发明第六实施例的电路结构示意图。

具体实施方式

在以下优选的实施例的具体描述中，将参考构成本发明一部分的所附的附图。所附的附图通过示例的方式示出了能够实现本发明的特定的实施例。示例性的实施例并不旨在穷尽根据本发明的所有实施例。可以理解，在不偏离本发明的范围的前提下，可以利用其他实施例，也可以进行结构性或者逻辑性的修改。因此，以下的具体描述并非限制性的，且本发明的范围由所附的权利要求所限定。

本发明旨在提出一种接地故障断路器，该接地故障断路器能够实现在使用中进行自检，在接地故障断路器内部中的脱扣模块的任何一个脱扣驱动部件发生故障时，接地故障断路器仍然能够正常工作。基于该构思，本发明的接地故障断路器包括：开关模块、接地故障检测模块、自检模块以及脱扣模块，通过接地故障检测模块检测输出端是否存在接地故障；在使用过程中通过自检模块检测接地故障检测模块是否正常工作；当接地故障检测模块检测到接地故障时脱扣模块驱动开关模块断开电力连接从而切断电源；当脱扣模块中的任何一个脱扣驱动部件发生故障时，另外一个或多个脱扣驱动部件仍然能够正常工作控制开关模块动作。

图1示出了根据本发明第一实施例的接地故障断路器的电路结构示意图。如图1所示，在第一实施例中的接地故障断路器包括输入端LINE和输出端LOAD、用于控制输入端LINE和输出端LOAD之间的电力连接的开关模块4、自检模块1、脱扣模块2、接地故障检测模块3。其中，接地故障检测模块3用于检测输入端LINE和输出端LOAD是否存在漏电流信号，具体地检测输出端LOAD的相线(L)和中性线(N)是否存在漏电流信号。自检模块1用于检测接地故障检测模块3是否正常工作。当接地故障检测模块3检测到漏电流信号时，控制脱扣模块2驱动开关模块4断开电力连接从而切断电源，实现对电路的保护。

根据图1所示的本发明的第一实施例，具体工作原理如下：

本实施例中，接地故障检测模块3包括穿过相线(L)和中性线(N)的漏电检测环ZCT1、以及与漏电检测环ZCT1耦接的漏电检测单元(其包括漏电检测芯片U1及其相关耦接的电子元件)。当穿过漏电检测环ZCT1的相线(L)和中性线(N)存在电流不平衡时，即存在漏电流信号时，漏电检测环ZCT1上将产生相应的电压信号，则漏电检测芯片U1通过检测到漏电检测环ZCT1上产生相应的电压变化，以控制脱扣模块2驱动开关模块4断开。

本实施例中，脱扣模块2包括并联连接的脱扣驱动部件21、22，每个脱扣驱动部件包括耦接到接地故障检测模块3、自检模块1的半导体元件(可控硅Q1或Q4)以及与可控硅(Q1或Q4)耦接的脱扣线圈(SOL1或SOL2)。当漏电检测芯片U1检测到漏电检测环ZCT1上产生相应的电压变化达到预设定值时，可以使得可控硅Q1、Q4导通。当Q1、Q4导通时，脱扣线圈SOL1、SOL2将产生较大的电流变化，进而断开开关模块4。在实际使用中，当可控硅Q1或脱扣线圈SOL1发生故障(例如，可控硅Q1阴极和/或阳极开路、脱扣线圈SOL1开路等)且可控硅Q4、脱扣线圈SOL2仍然正常工作时，在漏电检测芯片U1检测到漏电检测环ZCT1上产生相应的电压变化时，可控硅Q4、脱扣线圈SOL2正常动作，断开了开关模块4，使得接地故障断路器断开电力连接；反之亦然。

在本实施例中，自检模块1用于对接地故障检测模块3功能进行周期性的检查。自检模块1包括电源电路、周期计时电路以及模拟漏电流信号的自检脉冲信号电路。参见图1，电源电路包括电阻R5、稳压管ZD1以及电容C3；周期计时电路包括串联连接的电阻R9和计时元件(譬如，电容C4)用于产生自检脉冲信号的间隔；自检脉冲信号电路包括开关管(三极管Q2)、比较器U2、二极管D2、电容C5、电阻R10以及分别耦接到三极管Q2的发射极、基极和集电极的电阻R11、R13等电子元件。在接地故障断路器工作后，自检模块1对漏电检测环ZCT1周期性地施加达到预计定值的模拟漏电流信号。

具体而言，电阻R5、稳压管ZD1以及电容C3为比较器U2提供工作电源(比较器U2的引脚5)，电阻R7、R8从工作电源上分压为比较器U2的提供参考电压(比较器U2的引脚3)，通过电阻R9从工作电源对电容C4充电产生自检脉冲信号的间隔输入到比较器U2(比较器U2的引脚1)，当电容C4上电压升至参考电位时，比较器U2(比较器U2的引脚4)输出信号，进而驱动三极管Q2导通，再通过电阻R13对漏电检测环ZCT1产生自检脉冲信号。

当自检模块1检测到接地故障检测模块3发生了故障，即漏电检测芯片U1无法使可控硅Q1导通，则电容C4没有放电电路，从而导致自检模块1(比较器U2的引脚4)将持续输出高电平，则通过电阻R10给电容C5充电，当电位达到设定值时，二极管D2导通，则可控硅Q1和/或可控硅Q4导通，则使得脱扣线圈SOL1和/或脱扣线圈SOL2动作，进而控制开关模块4断开电力连接。在实际使用中，当可控硅Q1或脱扣线圈SOL1发生故障(例如，可控硅Q1阴极和/或阳极开路、脱扣线圈SOL1开路等)且可控硅Q4或脱扣线圈SOL2仍然正常工作时，在比较器U2检测到接地故障检测模块3发生了故障时，能够控制可控硅Q4导通，脱扣线圈SOL2上将产生较大的电流变化，断开了开关模块4；反之亦然。

综上所述，本实施例通过自检模块1实现在接地故障断路器正常工作状态下，周期性地自动检测漏电保护功能是否正常，当接地故障检测模块3出现故障时，通过控制脱扣模块驱动开关模块断开输出供电。和/或当接地故障检测模块3检测到存在漏电流信号时，通过控制脱扣模块驱动开关模块断开输出供电。而且当脱扣模块中的任何一个脱扣驱动部件(21或22)发生故障时，不影响另外一个脱扣驱动部件(22或21)的正常工作，使得接地故障断路器能够断开输出供电。

根据图2所示的本发明的第二实施例，具体工作原理如下：

相较于图1，图2中的脱扣模块2的结构发生了变化：在脱扣装置F上分别设置两个线圈，形成了脱扣线圈SOL1、脱扣线圈SOL2；其中可控硅Q1的阳极分别与两个脱扣线圈耦接，同时可控硅Q4的阳极也分别与两个脱扣线圈耦接；并且可控硅Q1的控制极、可控硅Q4的控制极均与接地故障检测模块3、自检模块1耦接；即，可控硅Q1与脱扣线圈SOL1、可控硅Q1与脱扣线圈SOL2、可控硅Q4与脱扣线圈SOL1以及可控硅Q4与脱扣线圈SOL2分别形成相应的脱扣驱动部件。因此，当接地故障检测模块3检测到漏电流信号和/或自检模块1检测到接地故障检测模块3发生故障时，均可以控制可控硅Q1和/或可控硅Q4控制脱扣线圈SOL1和/或脱扣线圈SOL2驱动开关模块4断开电力连接，从而切断电源。此外，当可控硅Q1或可控硅Q4发生故障时，均不影响另一个可控硅Q4或可控硅Q1正常控制脱扣线圈SOL1和/或脱扣线圈SOL2驱动开关模块4断开电力连接；或者当脱扣线圈SOL1或脱扣线圈SOL2发生故障时，均不影响可控硅Q1和/或可控硅Q4控制脱扣线圈SOL2或脱扣线圈SOL1正常驱动开关模块4断开电力连接；或者当可控硅Q1和可控硅Q4中的一个发生故障，且脱扣线圈SOL2和脱扣线圈SOL1中的一个发生故障时，另一个正常工作的可控硅和脱扣线圈可以组合工作从而驱动开关RESET断开电力连接。

综上所述，本实施例中，相比于第一实施例具有更加灵活、更加可靠的脱扣模块，当脱扣模块中的一个可控硅和/或一个脱扣线圈发生故障时，不影响脱扣模块的正常使用，进而大大提高了本发明公开的接地故障断路器的可用性、灵活性、可靠性以及安全性。

并且，图1、图2公开的实施例中的自检模块1能够在检测到接地故障检测模块3存在故障时控制脱扣模块2驱动开关模块4断开电力连接，便于无法通过指示灯识别接地故障断路器存在故障的人员安全地使用具有该接地故障断路器的电器。

图3示出了根据本发明的第三实施例的接地故障断路器的电路原理示意图。

如图3所示，自检模块1包括电源电路、周期计时电路以及模拟漏电流信号的自检脉冲信号电路。参见图3，电源电路包括电阻R5、稳压管ZD1以及电容C3；自检脉冲信号电路包括开关管(三极管Q2)、分流基准源U2、电阻R12以及电容C5。区别于图1：周期计时电路包括串联连接的电阻R8和计时元件(譬如，电容C4)用于产生自检脉冲信号的间隔，并且电阻R8与电阻R7串联，并且稳压管ZD2并联在电阻R7、R8之间的节点和地电位之间，从而分流基准源U2的REF端电压被限制为小于等于稳压管ZD2的稳压值。其中，电源电路为三极管Q2、分流基准源U2提供工作电源；电阻R7、稳压管ZD2形成周期计时脉动电源，通过耦接到漏电检测环ZCT1取电为周期计时电路供电。

该第三实施例中的自检模块1工作原理如下：在接地故障检测模块3正常工作时，当接地故障断路器复位后，电容C4上的电压为零，故分流基准源U2的REF端小于基准电压2.5V，则分流基准源U2内的三极管处于断开状态，分流基准源U2无法导通。周期计时脉动电源通过电阻R8对电容C4充电，当电容C4上的电压充高至2.5V以上时，分流基准源U2中的三极管导通，进而使得基极有正偏电压的三极管Q2导通，漏电检测环ZCT1上产生自检脉冲信号，漏电检测芯片U1检测到该自检脉冲信号后，将驱动可控硅Q3导通，则电容C4可以通过可控硅Q3进行放电。具体地，当自检脉冲信号输出时，漏电检测芯片U1输出驱动可控硅Q1、Q4、Q3的信号，通过电阻R12、电容C5来驱动可控硅Q3导通，进而使得电容C4放电，开始下一自检周期。在驱动可控硅Q3的同时，关闭了自检脉冲信号，电容C1、C6延时使得不导通可控硅Q1、Q4，则脱扣线圈SOL1、SOL2不形成电流回路，因此开关模块4仍然闭合。如果检测到持续产生漏电信流号，可控硅Q3导通使得自检脉冲信号电路不产生自检脉冲信号，则可控硅Q1、Q4导通，使得脱扣线圈SOL1、SOL2形成电流回路，从而驱动开关模块4断开电力连接。

当接地故障检测模块3发生故障时，当自检脉冲信号输出时，漏电检测芯片U1无法输出驱动可控硅Q1、Q4、Q3的信号，进而使得电容C4无法通过电阻R12、电容C5来驱动可控硅Q3导通而放电。由于电容C4上的电压维持在高电位，则分流基准源U2一直导通，使得发光二极管LED2常亮，由此告知用户接地故障断路器存在故障。可以理解的，在此实施例中，若接地故障检测模块3工作正常，发光二极管LED2会闪烁一下。

同理，图3中如果没有发光二极管LED2，则当脱扣模块中的一个可控硅(Q1或Q4)和/或一个脱扣线圈(SOL1或SOL2)发生故障时，不影响脱扣模块的正常使用。

图4示出了根据本发明的第四实施例的接地故障断路器的原理示意图。图4中的自检模块1的工作原理与图3相同、脱扣模块2的工作原理与图2相同，在此不再赘述。

图5示出了根据本发明的第五实施例的接地故障断路器的电路原理示意图。

如图5所示，与图1的区别在于：接地故障检测模块3包括漏电检测环ZCT1、中性线检测环ZCT2、漏电检测模块(其包括漏电检测芯片U1、电阻R3、R2等相关电子元件)以及整流桥D1-D4。其中，漏电检测环ZCT1用于检测相线(L)和中性线(N)是否存在接地故障，中性线检测环ZCT2用于检测中性线和地线是否存在接地故障。整流桥D1-D4分别耦接到相线和中性线，并通过电阻R1耦接到漏电检测芯片U1(漏电检测芯片U1的引脚6)，从而为漏电检测芯片U1提供工作电源。漏电检测芯片U1分别与漏电检测环ZCT1、中性线检测环ZCT2耦接，以检测两种接地故障(通过漏电检测芯片U1的引脚5输出检测信号)。

图5的自检模块1的工作原理与图1的自检模块1的工作原理相同，并且图5的脱扣模块2的工作原理与图1的脱扣模块2的工作原理相同，所以不在此赘述该实施例中的自检模块1、脱扣模块2的工作原理。

图6示出了根据本发明的第六实施例的接地故障断路器的电路原理示意图。在该第六实施例中，接地故障检测模块3的工作原理与图5接地故障检测模块3的工作原理相同、自检模块1的工作原理与图1的自检模块1的工作原理相同、脱扣模块2的工作原理与图2的脱扣模块2的工作原理相同，相比于图1-图5所公开的实施例，第六实施例既能够检测相线和中性线、中性线和地线是否存在接地故障，也能够在脱扣模块2中的任何一个或多个脱扣驱动部件发生故障时不影响能够正常工作的脱扣驱动部件起作用，因此第六实施例具有更高的可靠性、安全性。

总而言之，本发明公开的接地故障断路器具有自检功能，同时在接地故障断路器长期工作时由于其内部的某个或某些脱扣驱动部件出现故障时，仍然不影响接地故障断路器的正常使用，同时能够在接地故障断路器自检的过程中通过指示灯、自动断路等方式通知用户不能继续使用该接地故障断路器，便于各种人群使用，尤其便于无法通过指示灯识别接地故障断路器存在故障的人员安全地、可靠地使用，最终实现能够有效地实现对电器的安全使用。

因此，虽然参照特定的示例来描述了本发明，其中这些特定的示例仅仅旨在是示例性的，而不是对本发明进行限制，但对于本领域普通技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明的精神和保护范围的基础上，可以对所公开的实施例进行改变、增加或者删除。

Claims (9)

1.一种接地故障断路器，其特征在于，包括：

开关模块，其耦接在输入端和输出端之间，所述开关模块用于控制所述输入端和所述输出端之间的电力连接；

接地故障检测模块，其检测所述输出端是否存在漏电流信号；

自检模块，其耦接到所述接地故障检测模块并且周期性地产生用于模拟所述漏电流信号的自检脉冲信号；以及

脱扣模块，其耦接到所述接地故障检测模块和所述开关模块，其中所述脱扣模块包括：

至少两个脱扣驱动部件，其根据所述接地故障检测模块检测到的所述漏电流信号来控制所述开关模块断开电力连接。

2.如权利要求1所述的接地故障断路器，其特征在于，所述至少两个脱扣驱动部件并联连接，每个所述脱扣驱动部件包括耦接到所述接地故障检测模块的半导体元件、以及与所述半导体元件耦接的脱扣线圈；当检测到所述漏电流信号时，所述接地故障检测模块导通至少一个所述半导体元件来控制相应的所述脱扣线圈动作，以驱动所述开关模块断开电力连接。

3.如权利要求1所述的接地故障断路器，其特征在于，所述脱扣模块包括：

脱扣装置，其上设有至少两个脱扣线圈；

至少两个半导体元件，每个所述半导体元件分别耦接到所述至少两个脱扣线圈，并且每个所述半导体元件还耦接到所述接地故障检测模块，使得每个所述半导体元件与每个所述脱扣线圈形成相应的所述脱扣驱动部件，其中：

当检测到漏电流信号时，所述接地故障检测模块导通至少一个所述半导体元件以驱动所述开关模块断开电力连接。

4.如权利要求2或3所述的接地故障断路器，其特征在于，所述半导体元件包括可控硅、MOS管、三极管中的任何一种。

5.如权利要求1所述的接地故障断路器，其特征在于，所述自检模块包括相互耦接的周期计时电路和自检脉冲信号电路，所述周期计时电路用于控制所述自检脉冲信号电路产生自检脉冲信号的间隔。

6.如权利要求5所述的接地故障断路器，其特征在于，所述自检脉冲信号电路包括开关管、与所述开关管耦接的分流基准源，所述周期计时电路耦接到所述分流基准源以控制所述开关管产生所述自检脉冲信号。

7.如权利要求5所述的接地故障断路器，其特征在于，所述自检脉冲信号电路包括开关管、与所述开关管耦接的比较器，所述周期计时电路耦接到所述比较器以控制所述开关管产生所述自检脉冲信号。

8.如权利要求5所述的接地故障断路器，其特征在于，所述自检模块还包括电源模块，所述电源模块用于为所述自检脉冲信号电路和/或所述周期计时电路供电；当所述电源模块仅为所述自检脉冲信号电路供电时，所述周期计时电路通过周期计时脉动电源耦接到漏电检测环以取电。

9.如权利要求1所述的接地故障断路器，其特征在于，所述接地故障检测模块包括：

漏电检测环，其用于检测所述输出端的相线和中性线是否存在漏电流信号；

漏电检测单元，其分别耦接到所述漏电检测环、所述脱扣模块，当所述漏电检测单元通过检测所述漏电检测环而产生所述漏电流信号时，控制所述脱扣模块以驱动所述开关模块断开电力连接。