CN101663589A - 阻性电泄漏电流的测量仪器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量对地－阻性泄漏电流的仪器。泄漏电流检测电路检测待测线路的复合泄漏电流。电流－电压转换电路将泄漏电流检测电路的复合泄漏电流转换为对应电压，并输出结果电压。放大器放大来自电流－电压转换电路的输出信号。相位反相器对放大器的输出信号中的一个的相位进行反相。同步信号发生器检测待测线路的电压，然后产生同步信号。两个半波积分器从同步信号发生器接收同步信号，并且每半个周期交替地对放大器的输出信号进行积分。采样/保持电路从同步信号发生器接收同步信号，并且每半个周期交替地对半波积分器的输出进行采样，然后将对应于输出的值保持半个周期。

Description

阻性电泄漏电流的测量仪器

技术领域

本发明一般性地涉及测量对地-阻性泄漏电流的仪器，更具体地，涉及测量泄漏电流的仪器，该仪器可用简单电路构造快速准确地测量对地-阻性泄漏电流。

背景技术

众所公知，如果交流电(AC)线的对地绝缘电阻或连接到相应AC线的电气设备的对地绝缘电阻质量下降，对地-阻性泄漏电流就会增加，从而可能发生电着火或电击事故。

因此，为了防止发生此类事故，应当准确测量对地-阻性泄漏电流(ground-resistive leakage current)，从而可防止由于泄漏电流导致的电着火或电击事故。

虽然现有技术中，泄漏电流通常是用零相比流器(zero currenttransformer)测量的，但用零相比流器测量的泄漏电流是复合泄漏电流，其中对地-阻性泄漏电流被加到由于待测线路的对地电容导致的对地电容泄漏电流中，因此AC线的实际漏电状态，即，待测线路的对地-阻性泄漏电流的量是不可知的。

为了解决上述问题，目前已积极研究了很多仅测量待测线路的对地-阻性泄漏电流的方法，而其中某些方法已经公知并被商业应用。

图1示出了现有技术中仪器30的实例，用于测量对地-阻性泄漏电流，能够仅测量待测线路的对地-阻性泄漏电流。

参考附图，现有技术中用于测量对地-阻性泄漏电流的仪器30包括：泄漏电流检测电路31，用于检测来自待测线路20的复合泄漏电流；电流-电压转换电路32，用于将来自泄漏电流检测电路31的复合泄漏电流转换为对应于复合泄漏电流的电压；放大器33，用于放大来自电流-电压转换电路32的输出信号；同步信号发生器34，用于检测待测线路20的电压，然后产生同步信号；同步检测器35，用于从同步信号发生器34接收同步信号，同步检测放大器的输出信号，然后输出检测到的输出信号；以及平滑(smoothing)电路36，用于平滑同步检测器35的输出信号，然后输出对地-阻性泄漏电流。

现有技术中测量对地-阻性泄漏电流的仪器30的操作将在下面说明。

首先，泄漏电流检测电路31检测的复合泄漏电流被电流-电压转换电路32转换为对应于复合泄漏电流的电压，结果电压被放大为适于用放大器测量的值，然后放大的电压输入到同步检测器35。

同步检测器35使用来自同步信号发生器34的同步信号同步检测放大器35的输出信号，且平滑电路36使同步检测器35的输出信号平滑。同步检测器35同步检测然后由平滑电路36进行平滑的信号的值是对地-阻性泄漏电流。

这里，电阻器-电容器(RC)滤波器通常用作平滑电路，并且优选地，RC滤波器的时间常数足够大以便平滑输出。

然而，因为现有技术中测量对地-阻性泄漏电流的仪器30使用具有大时间常数的RC滤波器，当待测线路20的绝缘突然被损坏或由于发生电击导致漏电路突然增加时，平滑电路36的输出所要求的时间会增加，因此出现问题，因为在待测线路20中出现异常时，快速管理不能执行。

发明内容

因此，本发明是基于现有技术中出现的上述问题做出的，且本发明的目的是提供用于测量对地-阻性泄漏电流仪器，其可用简单电路配置精确快速地测量变化的对地-阻性泄漏电流。

为了实现上面的目的，本发明提供了一种测量对地-阻性泄漏电流的仪器，包括：泄漏电流检测电路，用于检测待测线路的复合泄漏电流；电流-电压转换电路，用于将泄漏电流检测电路的复合泄漏电流转换为对应的电压，并输出结果电压；放大器，用于放大电流-电压转换电路的输出信号；反相器，用于将放大器的输出信号中的一个的相位反相180度；同步信号发生器，用于检测待测线路的电压，然后生成同步信号；第一半波积分器，用于从同步信号发生器接收同步信号中的一个，并且每半个周期对放大器的输出信号中的一个进行积分；第二半波积分器，用于从同步信号发生器接收剩余的同步信号，并且每半个周期对反相器的输出信号进行积分；以及采样/保持电路(sample/hold circuit)，用于从同步信号发生器接收同步信号，并且每半个周期交替地对第一和第二半波积分器的输出进行采样，然后将对应于输出的值保持半个周期。

根据上述的本发明，本发明提供了一种具体地使用了泄漏电流检测电路41，电流-电压转换电路42，放大器43，反相器44，同步信号发生器45，两个半波积分器46和47以及采样/保持电路48来每半个周期为电源10测量待测线路20的对地-阻性泄漏电流Ir的方法，其效果在于，可以精确快速测量待测线路20的变化的对地-阻性泄漏电流Ir，因此优点在于，在待测线路20中出现异常时可实现快速管理。

附图说明

图1是示出了现有技术中测量对地-阻性泄漏电流仪器的示图；

图2是示出了根据本发明的测量泄漏电流仪器的示图；

图3是示出了复合泄漏电流、对地-阻性泄漏电流、和对地-电容泄漏电流之间的相位关系的矢量图；以及

图4是示出了根据本发明的测量泄漏电流的仪器的操作示图。

附图中主要元件的参考标记的说明：

10；电源                     20；待测线路

40；测量泄漏电流的仪器

41；泄漏电流检测电路

42；电流-电压转换电路        43；放大器

44；反相器

45；同步信号发生器

46；第一半波积分器

47；第二半波积分器

48；采样/保持电路

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本发明。

图2是示出了根据本发明的测量泄漏电流仪器的示图，附图中使用的相同参考标记表示用于示出现有技术的图1中的同样的元件，故其说明将被省略。

参考图2，测量对地-阻性泄漏电流的仪器40包括检测待测线路20的复合泄漏电流的泄漏电流检测电路41；将泄漏电流检测电路41的复合泄漏电流转换为对应的电压，然后输出结果电压的电流-电压转换电路42；放大电流-电压转换电路42的输出信号的放大器43；将放大器43的输出信号反向180度的反相器44；检测待测线路20的电压，然后生成同步信号的同步信号发生器45；从同步信号发生器45接收同步信号中的一个，并且每半个周期对放大器43的输出信号的一个进行积分的第一半波积分器46；从同步信号发生器45接收剩余的同步信号，并且每半个周期对反相器44的输出信号的进行积分的第二半波积分器47；接收同步信号发生器45的同步信号，并且每半个周期交替地对第一和第二半波积分器46和47的输出进行采样，然后将对应于输出的值保持半个周期的采样/保持电路48。

用于检测复合泄漏电流同时围绕待测线路20的公知零相比流器用作泄漏电流检测电路41。

公知的电阻器R用作电流-电压转换电路42。

因为放大器43和反相器44已经在本领域广泛公知并且得到商业应用，其说明将因此省略。

公知的脉冲信号发生器连接到待测线路20并被配置为执行线路分压，然后测量结果电压，并且只要在电压极性改变时就产生脉冲(零交叉脉冲)，该脉冲信号发生器用作同步信号发生器45。

公知的运算器OP Amp用作第一半波积分器46和第二半波积分器47，第一和第二半波积分器46和47分别从同步信号发生器45接收同步信号，然后交替地每半个周期(电源10的半个周期)对放大器43和反相器44的输出信号进行积分。

因为采样/保持电路48在本领域广泛公知，并公开使用，所以省略其详细说明。

参考图3和4，根据本发明的测量对地-阻性泄漏电流的仪器40的操作将在下面说明。

如图3所示，对地-阻性泄漏电流有效值Ir与待测线路20的电压有效值V具有同样的相位，对地电容泄漏电流有效值Ic的相位相对待测线路20的电压有效值V提前90度，且复合泄漏电流有效值Ig是对地-阻性泄漏电流的有效值Ir与对地电容泄漏电流有效值Ic的矢量和，且可以看出复合泄漏电流有效值Ig的相位相对待测线路20的电压有效值V提前θ角。

如果待测线路20的电源10具有正弦波，其不包括谐波，则待测线路20的电压瞬时值v是用下面的等式1获得的(参考图4中(a))：

【等式1】

$v=V\×\sqrt{2}\sin \left(\mathrm{wt}\right)$

其中，V是待测线路20的电压有效值，w＝2πf，其中f是待测线路20的电源频率(power frequency)。

同时，如果待测线路20的复合泄漏电流具有不包括谐波的正弦波，待测线路20的复合泄漏电流瞬时值ig，放大器43的输出信号vl，和反相器44的输出信号v2分别是用下面的等式2，等式3和等式4(参考图4中(c))获得的：

【等式2】

$\mathrm{ig}=\mathrm{Ig}\×\sqrt{2}\sin (\mathrm{wt}+\mathrm{\θ})$

其中Ig是复合泄漏电流的有效值，θ是待测线路20的电压瞬时值v和复合泄漏电流的瞬时值ig间的相角度。

【等式3】

$v1=K\×N\×R\×\mathrm{ig}=K\×N\×R\×\mathrm{Ig}\×\sqrt{2}\sin (\mathrm{wt}+\mathrm{\θ})$

其中，K是放大器22的增益，N是泄漏电流检测电路41的电流变换比，而R是连接到泄漏电流检测电路41次级侧的电流-电压转换电路42的电阻。

【等式4】

$v2=-v1=-K\×N\×R\×\mathrm{Ig}\×\sqrt{2}\sin (\mathrm{wt}+\mathrm{\θ})$

第一半波积分器46和第二半波积分器47分别接收同步信号发生器45的同步信号S1和S2(参考图4中(b))，然后以电源10的每半个周期交替地对放大器43的输出信号v1和反相器44的输出信号v2进行积分。

这里，基于等式3和等式4，放大器43的输出信号v1的相位和反相器44的输出信号v2的相位彼此相反，并且如图4中(d)所示，获得交替从第一半波积分器46和第二半波积分器47输出的积分输出P1和P2。

第一半波积分器46的积分输出P1可用下面的等式5表达：

【等式5】

$P1=K1\×{\∫}_0^{\mathrm{\π}}v1d\left(\mathrm{wt}\right)=K1\×K\×N\×R\×\mathrm{Ig}\×2\sqrt{2}\cos \mathrm{\θ}$

其中K1是第一半波积分器45的增益。

进一步地，第二半波积分器47的积分输出P2可用下面的等式6表达：

【等式6】

$P2=K2\×{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}v2d\left(\mathrm{wt}\right)=K2\×K\×N\×R\×\mathrm{Ig}\×2\sqrt{2}\cos \mathrm{\θ}$

其中K2是第二半波积分器47的增益，且K1＝K2。

因此，如果通过调整第一半波积分器46的增益K1和第二半波积分器47的增益K2实现等式 $K1=K2=\frac{1}{N1\×R1\×2\sqrt{2}},$ 第一和第二半波积分器46和47的各积分输出P 1和P2是用下面的等式7获得的：

【等式7】

P1＝P2＝IgXcosθ＝Ir

也就是，第一半波积分器46的积分输出P1和第二半波积分器47的积分输出P2都是对地-阻性泄漏电流Ir。

在根据本发明的测量对地-阻性泄漏电流的仪器40的情形中，对地-阻性泄漏电流是以电源10的每半个周期测量的，因此与现有技术的测量对地-阻性泄漏电流仪器30相比，可以精确快速地检测到待测线路20中出现异常的情况(通过以电源的每半个周期测量对地-阻性泄漏电流)。

采样/保持电路48接收同步信号发生器45的同步信号S1和S2，交替执行对第一半波积分器46的积分输出P1和第二半波积分器47的积分输出P2的采样，然后保持每个积分输出半个周期(参考图4中(e))。

因此，当对地-阻性泄漏电流Ir为常数时，采样/保持电路47的输出信号Y具有完整的直流波形，但在对地-阻性泄漏电流Ir改变时，采样/保持电路47的输出信号Y的波形变为楼梯状波形(staircase waveform)。

显然，本发明不限于上述实施例，且可不偏离本发明权利要求的主旨做出不同修改。

例如，虽然在本实施例的情形中，所使用的第一和第二半波积分器46和47及采样/保持电路48是以模拟方式实施的，但如果需要它们也可以数字方式实施。

进一步，当待测线路20中出现异常时，根据本发明的测量对地-阻性泄漏电流的仪器40可快速检测异常。因此，优选地，测量对地-阻性泄漏电流的仪器40可应用于漏电断路器，从而在出现漏电时，漏电断路器可快速切断待测线路20。然而，本发明不限于此，且可应用于和用在不同领域。

Claims (1)

1.一种测量对地-阻性泄漏电流的仪器，包括：泄漏电流检测电路，用于检测待测线路的复合泄漏电流；电流-电压转换电路，用于将来自所述泄漏电流检测电路的所述复合泄漏电流转换为对应的电压，然后输出结果电压；放大器，用于放大所述电流-电压转换电路的输出信号；反相器，用于将放大器的输出信号中的一个的相位反相180度；同步信号发生器，用于检测所述待测线路的电压，然后生成同步信号；第一半波积分器，用于从所述同步信号发生器接收所述同步信号中的一个，并且每半个周期对所述放大器的输出信号中的一个进行积分；第二半波积分器，用于从所述同步信号发生器接收所述同步信号中的剩余的一个，并且每半个周期对所述反相器的输出信号进行积分；以及采样/保持电路，用于从所述同步信号发生器接收所述同步信号，并且每半个周期交替地对所述第一半波积分器和所述第二半波积分器的输出进行采样，然后将对应于所述输出的值保持半个周期。

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