CN101923134B

CN101923134B - 数字式漏电流检测电路及其检测方法

Info

Publication number: CN101923134B
Application number: CN 201010129424
Authority: CN
Inventors: 霍军超; 魏众; 马仪成
Original assignee: State Grid Corp of China SGCC; Xuji Group Co Ltd; Xuji Power Co Ltd
Current assignee: State Grid Corp of China SGCC; XJ Electric Co Ltd; Xuji Power Co Ltd
Priority date: 2010-03-22
Filing date: 2010-03-22
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2030-03-22
Also published as: CN101923134A

Abstract

本发明公开了一种数字式漏电流检测电路及其检测方法该电路包括漏电检测互感器和与其连接的检测控制电路，在二者的连接回路上设置有检测信号反接电路，检测控制电路包括内置模拟比较器的单片机，信号反接电路与检测控制电路之间的回路上串接有激励源。在检测信号反接电路中周期性反相对漏电检测互感器的磁环施加恒定电压激励，利用采样数字波形计算反相前后两次到达磁饱和的时间差值的大小和正负，同时也反映了被测对象电流的大小和方向，根据Ix=k*Δt实现对漏电流Ix的测量。

Description

数字式漏电流检测电路及其检测方法

技术领域

本发明涉及一种电磁测量技术，特别是一种数字式漏电流检测电路及其检测方法。

背景技术

目前，有较多的磁调制电路及检测方法，检测方法都受磁环稳定性限制，主要存在的主要问题有：(1)随温度漂移，在不同的温度下，互感器的零点会漂移，导致测量误差加大；(2)随着时间推移，累积的磁芯的剩磁问题难以解决，往往需要现场再次调整；(3)容易受地磁的影响，出厂前校正好的互感器运输到不同的区域后往往需要二次校准。

中国专利申请号为98106874.X的专利文献“相差式磁调制直流电流测量电路及其检测方法”公开了一种电磁检测电路和检测方法，它的电路由磁调制电路和相位差测量电路组成，同时利用相位差测量电路测量磁调制电路输出信息中的相位差变化量，进而实现直流电流测量。该专利中磁环绕组采用三个绕组：被测绕组、激励绕组和检测绕组，磁环构成复杂，生产成本高；需要单独的三角波激励源，硬件构成复杂，且在实际电路构成上未涉及如何消除温度、剩磁等对磁环的影响，如果磁环不能实现零点的自动跟随，在长期使用过程中磁环出现剩磁或者受温度影响磁环磁通发生变化，则会造成磁环检测失真，甚至不能使用。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中磁环易受地磁、温度变化以及剩磁的影响引起检测的零点漂移问题，提供一种电磁测量直流漏电流的电路及检测方法。

为实现上述目的，本发明提供的数字式漏电流检测电路的技术方案如下：

一种数字式漏电流检测电路，该电路包括漏电检测互感器和与其连接的检测控制电路，在二者的连接回路上设置有检测信号反接电路，检测控制电路包括内置模拟比较器的单片机，信号反接电路与检测控制电路之间的回路上串接有激励源。

所述信号反接电路包括第一开关（K1）和第二开关（K2），第一开关的一对常开触头（K1A）用于连接漏电检测互感器的第一连接端（La）和激励源，其另一对常开触头（K1B）用于连接漏电检测互感器的第二连接端（Lb）和检测控制电路的信号输入端；第二开关（K2）的一对常开触头（K2A）用于连接漏电检测互感器的第一连接端（Lb）和激励源，其另一对常开触头（K2B）用于连接漏电检测互感器的第二连接端（La）和检测控制电路的信号输入端；信号反接电路的输出端与地之间串接有一采样电阻。

本发明提供的采用数字式漏电流检测电路的技术方案如下：一种数字式漏电流检测方法，所述方法包括以下步骤：

（1）利用数字式漏电流检测电路，该电路包括漏电检测互感器和与其连接的检测控制电路，在二者的连接回路上设置有检测信号反接电路，信号反接电路与检测控制电路之间的回路上串接有激励源，在检测信号反接电路中周期性反相对漏电检测互感器的磁环施加恒定电压激励，激励脉冲为恒定电压脉冲，在采样电阻处分别获得La-Lb和Lb-La方向的脉冲波形，施加电压激励的周期必须大于磁环到达饱和所用的时间；

（2）将步骤（1）中得到的La-Lb和Lb-La方向的脉冲波形通过检测控制电路的整形转化为数字波形，数字波形反映的是磁环在La-Lb方向与Lb-La方向上磁环在施加恒定激励开始到磁饱和的时间，分别记为t1和t2；

（3）根据公式Δt=t1-t2,计算出所测计数点差值，Δt即为两种状态下到达磁饱和的时间差值的大小和正负，同时也反映了被测对象电流的大小和方向；

（4）计数点变化量Δt的大小和正负与被测漏电流的关系满足如下公式：Ix = k*Δt，根据该公式实现对漏电流Ix的测量。

k值的获取方法如下：

（1）在磁环中通漏电流If,重复权利要求3的步骤（1）～（5），得到Δt_f；

（2）由k=If/Δt_f确定k值，可以把k值作为系统定值，存储在单片机内。

所述激励脉冲为恒定电压脉冲。

有益效果：本发明采用磁调制电路和数字检测电路组成直流漏电流检测电路，提出了一种新的直流漏电流检测方法，利用MCU的控制切换磁环的正反向对磁环施加恒定的正向和反向的激励，检测在正向和反向激励引起磁环饱和时间的变化量来反映被测电流的大小和方向，通过单片机的模拟比较器对采样波形进行整形，利用输入捕获来得到磁环到达饱和的时间差。

本发明提出的零点自校正漏电流互感器电路从原理上解决了外在因素引起磁环特性变化对互感器性能造成的影响，并且构成电路除了受外在因素影响极小的精密电阻外，其它部分基本都是数字电路，所以电路参数稳定，产品的稳定性大大提高。本发明的电路结构简单，抗干扰能力强，可靠性高，抗温度漂移，基本不受剩磁影响,是一个零点自校正的高精度、高稳定性、高可靠性的漏电流检测电路。

附图说明

图1是本发明数字式磁调制漏电流检测电路的结构示意图；

图2是施加电压激励的波形图；

图3是信号采集点的波形图；

图4是模拟比较器输出的数字波形。

具体实施方式

现结合优选的实施例对本发明做详细介绍：

如图1所示为本发明的数字式磁调制漏电流检测电路，包括漏电检测互感器、检测信号反接电路7和检测控制电路8，所述检测电路包括内置模拟比较器的单片机5，其输入端与检测信号反接电路的输出端相连，所述检测信号反接电路包括开关K1和K2、激励源1和采样电阻R。所述信号反接电路包括第一开关K1和第二开关K2，第一开关的一对常开触头K1A用于连接漏电检测互感器的第一连接端La和激励源，其另一对常开触头K1B用于连接漏电检测互感器的第二连接端Lb和检测控制电路的信号输入端；第二开关K2的一对常开触头K2A用于连接漏电检测互感器的第一连接端Lb和激励源，其另一对常开触头K2B用于连接漏电检测互感器的第二连接端La和检测控制电路的信号输入端；信号反接电路的输出端与地之间串接有一采样电阻本发明主要解决了温度变化、磁环磁通变化、及磁环剩磁对漏电流检测的影响，具体原理如下所述：

在图1中磁环中无漏电流(即Ix=0)时，单片机控制K1闭合，K2断开，激励电源对磁环施加正向激励，持续时间T后断开；单片机控制K2闭合，K1断开，对磁环施加反向激励，持续时间T后断开；这两个切换周期中，在时间T(一般T < 20ms)内，调制线圈3的电感量与铁芯中的磁通在两次正反切换过程中是完全相等且对称的。

1.由于两次切换周期短(T < 20ms),所以，由温度变化影响引起磁通的变化量趋近于零。

2.由于漏电流正比于两次切换过程中检测磁环到达磁饱和的时间差值，磁环原有的剩磁在运算中相互抵消。

假设H1为磁环剩磁磁通；Hxp为穿线电流Ix正向感应磁通；Hxn为穿线电流Ix负向感应磁通，磁通在施加激励下的到达磁饱和的过程反映到采样电阻R上，两次切换过程中R上电压到达指定电压(模拟比较器基准电压)的时间差正比于磁环在两次切换过程中磁通变化的差值。这个比例系数记为k，则漏电流的计算公式为：

Ix = k*[( H1 + Hxp) – (H1 + Hxn)]

上述公式化简得到： Ix = k*(Hxp- Hxn)，由此可以得出，检测漏电流值与磁环剩磁无关。

3.地磁影响也与磁环剩磁无关，其推导过程与上一项完全相同。

4.元器件的影响：

在检测过程的两次切换过程中，整个激励及采集通道涉及的电子器件为：正向：电子开关K1，磁环La-Lb，精密电阻R，单片机的模拟比较器；反向：电子开关K2，磁环Lb-La，精密电阻R，单片机的模拟比较器。

比较上述两项，由于磁环La-Lb与Lb-La磁通绝对值完全相等，方向相反，其对零点的影响可以完全抵消；精密电阻R与单片机的模拟比较器在时间T内受外界影响的变化量趋近于零；只有电子开关K1与K2闭合阻抗的差异对正反向检测的对称性有微小的影响，基于此，我们采用一个封装内的两个电子开关来减少这种差异，保证互感器零点的自稳定性。

根据本发明的数字式磁调制漏电流检测电路，检测方法如下：

1.在检测信号反接电路中周期性的对漏电检测互感器的磁环施加恒定电压激励，激励脉冲为恒定电压脉冲，具体周期与使用的磁环参数有关，但必须大于磁环到达饱和的时间。

施加电压激励的波形如图2所示，单片机5通过相应电路4控制K1闭合K2断开，持续时间T后断开，在采样电阻R处获得La-Lb脉冲波形；然后单片机5通过非门电路6控制K2闭合K1断开，持续时间T后断开，在采样电阻R处获得Lb-La脉冲波形，如图3所示，将这一组波形输入检测电路8对波形进行处理。

2. 检测电路8是一个带有模拟比较器及输入捕获的单片机，采样波形进入单片机后，经过模拟比较器整形输出数字波形，如图4所示，波形反映的就是在磁环在La-Lb方向与Lb-La方向上磁环在施加恒定激励开始到磁饱和的时间。

模拟比较器的输出用来触发定时/计数器的输入捕获功能，用输入捕获来获取脉冲的计数点t1(K1闭合，K2断开，施加激励T后捕获的计数点),t2(K2闭合，K1断开，施加激励T后捕获的计数点)。由此，我们可以算出Δt=t1-t2,并以所测计数点差值(两种状态下到达磁饱和的时间差值)Δt的大小和正负来反映被测直流电流的大小和方向，从而实现对漏电流Ix的测量。

根据上述说明可知，计数点变化量Δt的的大小和正负与被测漏电流的关系满足如下的公式：

Ix = k*Δt

其中Ix为被测对象2的直流电流，Δt为模拟比较器输出t1,t2两个时间状态的时间差，比例系数k与检测绕组磁环磁通、被检测绕组磁环磁通、采样电阻R等电路参数有关，具体元器件一旦确定，k值也就基本确定。

系数k的获取方式如下:在磁环中通漏电流If,根据上述方法可测得Δt_f，那么就有k=If/Δt_f，我们此时可以把k值作为系统定值，存储在单片机5内。

本发明中，检测信号反接电路7的实现方案不管是使用电子开关还是机械开关来实现，只要实现目的是施加恒定或者周期性变化的激励，使磁环从La-Lb方向与Lb-La方向达到饱和，并且用来检测磁环在上述两个方向达到磁饱和的时间差来反映被测电流的大小和方向都为本发明的替代方案。

本发明用来实现检测电路8的核心是单片机5，单片机5以恒定的周期T来控制磁环的切换，并且使用模拟比较器和输入捕获来检测磁环到达饱和的时间差，因此不管使用任何集成或分立电路实现上述目的都为本发明的替代方案。

Claims

1.一种数字式漏电流检测电路，其特征在于：该电路包括漏电检测互感器和与其连接的检测控制电路，在二者的信号连接回路上设置有检测信号反接电路，检测控制电路包括内置模拟比较器的单片机，检测信号反接电路与检测控制电路之间的回路上串接有激励源；所述检测信号反接电路包括第一开关（K1）和第二开关（K2），第一开关的一对常开触头（K1A）用于连接漏电检测互感器的第一连接端（La）和激励源，其另一对常开触头（K1B）用于连接漏电检测互感器的第二连接端（Lb）和检测控制电路的信号输入端；第二开关（K2）的一对常开触头（K2A）用于连接漏电检测互感器的第二连接端（Lb）和激励源，其另一对常开触头（K2B）用于连接漏电检测互感器的第一连接端（La）和检测控制电路的信号输入端；检测信号反接电路的输出端与地之间串接有一采样电阻。

2.一种数字式漏电流检测方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

（1）利用数字式漏电流检测电路，该电路包括漏电检测互感器和与其连接的检测控制电路，在二者的连接回路上设置有检测信号反接电路，检测信号反接电路与检测控制电路之间的回路上串接有激励源，检测信号反接电路的输出端与地之间串接有一采样电阻，在检测信号反接电路中周期性反相对漏电检测互感器的磁环施加恒定电压激励，激励脉冲为恒定电压脉冲，在采样电阻处分别获得La-Lb和Lb-La方向的脉冲波形，反相周期必须大于磁环到达饱和的时间；其中，La为漏电检测互感器的第一连接端，Lb为漏电检测互感器的第二连接端；

（3）根据公式Δt=t1-t2,计算出所测计数点t1、t2的差值，Δt即为两种状态下到达磁饱和的时间差值的大小和正负，同时也反映了被测对象电流的大小和方向；

（4）计数点变化量Δt的大小和正负与被测漏电流的关系满足如下公式：Ix=k*Δt，根据该公式实现对漏电流Ix的测量，其中，k为比例系数。

3.根据权利要求2所述的数字式漏电流检测方法，其特征在于：k值的获取方法如下：（1）在磁环中通漏电流If，重复权利要求2的步骤（1）～（4），得到Δt_f；（2）由k=If/Δt_f确定k值，把k值作为系统定值，存储在单片机内。