CN102005721A - 一种差动电流互感器及剩余电流动作保护器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种差动电流互感器(DCT)及剩余电流动作保护器(RCD)。其中，DCT包括铁芯和绕在所述铁芯上的二次线圈，并且所述DCT连接有一个采样电路，该采样电路为负载电阻和放大器反馈回路电阻双调节的采样电路。本发明所公开的技术方案，通过提供一种双调节电路，使得DCT的尺寸可以小于现有技术中DCT的尺寸，进而可以降低RCD的体积，并且可保证DCT的线性度及灵敏度性能。

Description

一种差动电流互感器及剩余电流动作保护器

技术领域

本发明涉及漏电保护技术领域，特别涉及一种剩余电流动作保护器(Residual Current Device；RCD)，及剩余电流动作保护器RCD中的差动电流互感器(Differential Current Transformer；DCT)。

背景技术

剩余电流动作保护器RCD是一种电流动作型的漏电保护装置，差动电流互感器DCT是RCD中的一个重要组成部件，用于检测电力线路是否存在剩余电流(即漏电电流)。DCT的结构与变压器类似，包括铁芯和两个互相绝缘的绕在该铁芯上的线圈，当一次侧有剩余电流时，二次线圈就会感应出电流。此外，DCT还可以包括屏蔽外壳和支架。实际应用中，一次线圈与被检测的电力线相连接或者被检测的电力线路(如相线和零线)直接穿过该铁芯作为一次线圈，二次线圈与RCD中的开关装置连接。当用电设备正常运行时(即不存在对地泄漏电流)，线路中的电流呈平衡状态，DCT中电流矢量之和为零，铁芯没有磁通的变化，所以不会感应二次线圈，RCD的开关装置处于闭合状态。当用电设备存在对地泄漏电流时，电流矢量之和不为零，铁芯有磁通的变化，便会感应二次线圈，当这个电流值达到该RCD限定的阈值时，通过开关装置断开电源。

线性度和灵敏度是DCT的两个重要性能指标，它决定着RCD的稳定性和可靠性。

DCT的线性度由铁芯在图1所示B-H曲线(横坐标为磁场强度H，纵坐标为磁通密度B)中的工作位置所决定，其中，B可通过式(1)计算得到。

$B=\frac{(Z_1+Z^{\′})I_1}{4.44f{N}_2^2\mathrm{kS}}---\left(1\right)$

上式中，Z₁为负载电阻，Z′为二次线圈电阻，I₁为一次电流，f为信号频率，N₂为二次线圈的匝数，k为铁芯的叠片系数，S为铁芯的横截面积。

当铁芯的工作位置位于合理区域时，DCT具有很好的线性度性能。由于现有技术中的DCT已拥有很成熟的技术，因此该DCT的铁芯的工作位置被认为是具有较好线性的合理位置，即图1中B₁所对应的位置，B₁式中的S₁为现有技术中DCT的铁芯的横截面积。

DCT的灵敏性根据RCD中的采样电路来确定，图2为现有技术中RCD的采样电路示意图，其中，绕在DCT铁芯上的二次线圈的输入端和输出端分别与负载电阻Z₁的两端相连，负载电阻Z₁为可变电阻。实际应用中，采样电路在得到剩余电流后，还需要中间机构转换传递(如放大电路进行放大处理)，然后送入处理单元进行判定，当剩余电流达到阈值时，使执行机构动作。基于图2所示采样电路，可得到式(2)所示的DCT灵敏度表达式：

$n_1=\frac{V_{\mathrm{\Δn}}}{I_{\mathrm{\Δn}}}=\frac{Z_1}{N_2}\{1-\frac{(Z_1+Z^{\′})L\sin (\mathrm{\ψ}+\mathrm{\α})}{4.44f{N}_2^2\mathrm{\μkS}}\}---\left(2\right)$

上式中，n₁为基于图2所示采样电路的DCT灵敏度，I_Δn为额定剩余动作电流值，V_Δn为对应I_Δn的输出电压，Z₁为负载电阻，Z′为二次线圈电阻，f为信号频率，N₂为二次线圈的匝数，k为铁芯叠片系数，S为铁芯的横截面积，L为磁路长度，ψ为铁芯损耗角，α为二次线圈侧的功率因数角，μ为铁芯磁导率。

具体应用中，额定剩余动作电流I_Δn的取值可根据实际需要进行设置，通常情况下，剩余动作电流I_Δn的最低取值为30mA，这也是人体触电保护所需的动作电流值，为了确保在这种低电流值下DCT有足够的线性度和灵敏度，DCT需要具有一定的体积，即如图3所示，图3为现有技术中A型RCD内DCT的铁芯示意图，可见，DCT的铁芯高度至少应为10mm，以具有特定的铁芯横截面积S。此外，AC型RCD内的DCT铁芯高度最小也只能做到2mm。这使得RCD的体积相应地也很大，然而，小型且结构紧凑的RCD正成为如今市场的需求，但目前较大的DCT却制约了小型RCD的发展。

发明内容

为了解决以上问题，本发明一方面提供一种差动电流互感器DCT，另一方面提供一种剩余电流动作保护器RCD，以降低剩余电流动作保护器RCD的体积。

本发明所提供的差动电流互感器DCT，包括：铁芯和绕在所述铁芯上的二次线圈，其特征在于，所述差动电流互感器DCT连接有一个采样电路，所述采样电路为负载电阻和放大器反馈回路电阻双调节的采样电路。

较佳地，所述采样电路包括：与所述二次线圈的一端相连的负载电阻Z₁，与所述负载电阻Z₁串联的放大器和位于所述放大器反馈回路的反馈电阻Z₂；

其中，二次线圈的另一端及放大器的同相输入端与参考电压相连；负载电阻Z₁和反馈电阻Z₂均为可调电阻。

较佳地，所述采样电路进一步包括：与二次线圈的两端分别相连的第一可调电阻Z，且第一可调电阻Z与二次线圈之间具有开关K；

根据下式中放大器输出驱动能力I_{out_m}的取值，得到额定剩余动作电流分界值I_Δ，当设置的额定剩余动作电流值小于或等于所述额定剩余动作电流分界值I_Δ时，断开所述开关K，当设置的额定剩余动作电流值大于所述额定剩余动作电流分界值I_Δ时，闭合所述开关K；

其中，N₂为二次线圈的匝数，k₁为有效值系数，k₂为DCT最大测量值系数。

较佳地，所述铁芯的高度小于10mm。

较佳地，所述铁芯的高度为2mm。

本发明所提供的剩余电流动作保护器RCD，包括：差动电流互感器DCT和采样电路，所述差动电流互感器DCT包括铁芯和绕在所述铁芯上的二次线圈，其特征在于，所述采样电路为负载电阻和放大器反馈回路电阻双调节的采样电路。

较佳地，所述采样电路包括：与所述二次线圈的一端相连的负载电阻Z₁，与所述负载电阻Z₁串联的放大器和位于所述放大器反馈回路的反馈电阻Z₂；

其中，二次线圈的另一端及放大器的同相输入端与参考电压相连；负载电阻Z₁和反馈电阻Z₂均为可调电阻。

较佳地，所述采样电路进一步包括：与二次线圈的两端分别相连的第一可调电阻Z，且第一可调电阻Z与二次线圈之间具有开关K；

根据下式中放大器输出驱动能力I_{out_m}的取值，得到额定剩余动作电流分界值I_Δ，当设置的额定剩余动作电流值小于或等于所述额定剩余动作电流分界值I_Δ时，断开所述开关K，当设置的额定剩余动作电流值大于所述额定剩余动作电流分界值I_Δ时，闭合所述开关K；

其中，N₂为二次线圈的匝数，k₁为有效值系数，k₂为DCT最大测量值系数。

较佳地，所述铁芯的高度小于10mm。

较佳地，所述铁芯的高度为2mm。

从上述方案可以看出，本发明中，通过设置负载电阻和放大器反馈回路电阻双调节的采样电路，可使差动电流互感器DCT具有较小尺寸的铁芯，从而在降低差动电流互感器DCT尺寸的基础上，降低剩余电流动作保护器RCD的体积。

附图说明

下面将通过参照附图详细描述本发明的示例性实施例，使本领域的普通技术人员更清楚本发明的上述及其他特征和优点，附图中：

图1为磁性材料的B-H曲线示意图；

图2为现有技术中的采样电路示意图；

图3为现有技术中DCT铁芯的示意图；

图4为本发明实施例一中的采样电路示意图；

图5为本发明实施例中高度为2mm的DCT铁芯的示意图；

图6为本发明实施例二中的采样电路示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

本发明实施例中，可通过提供一种小型的差动电流互感器DCT来降低剩余电流动作保护器RCD的体积，例如，可设计尺寸(如高度)小于现有技术中铁芯尺寸(如高度)的DCT铁芯。为描述方便，本申请中将现有技术中的铁芯高度称为第一高度，则本申请中小型DCT的铁芯高度可小于第一高度。但具体实现时，如果只是在现有技术中的RCD中直接降低DCT铁芯的高度，则相应地会降低DCT铁芯的横截面积S，随之式(1)中B的取值也会改变，这使得DCT铁芯在图1所示B-H曲线中的工作位置发生改变，即由合理位置变为非合理位置，如图1中B₂所对应的位置，B₂式中的S₂为降低高度后的DCT铁芯的横截面积。这样一来，DCT的线性度就会变差。虽然根据表达式(1)理论上可以通过降低负载电阻Z₁的值使DCT的工作位置由B₂所对应的非合理位置回复到B₁所对应的合理位置，但这样一来，基于现有技术中的采样电路得到的式(2)所示的DCT灵敏度就会由于负载电阻Z₁的降低而降低。可见，基于现有技术中的RCD结构，不能通过直接降低DCT铁芯的高度来达到降低RCD体积的目的，因为这样不能同时保证DCT的线性度和灵敏度性能。

为此，本发明实施例中，提供了一种新的RCD采样电路，该采样电路是一种双调节电路。

图4为本发明实施例一中的采样电路示意图。如图4所示，该采样电路包括：与DCT中二次线圈的一端相连的负载电阻Z₁，与该负载电阻Z₁串联的放大器和位于放大器反馈回路的反馈电阻Z₂(反馈电阻Z₂的两端分别与放大器的输出端和反相输入端相连)。其中，二次线圈的另一端及放大器的同相输入端与参考电压相连，负载电阻Z₁和反馈电阻Z₂均为可调电阻。

基于图4采样电路，可得到式(3)所示的DCT灵敏度表达式：

$n_2=\frac{V_{\mathrm{\Δn}}}{I_{\mathrm{\Δn}}}=\frac{Z_2}{N_2}\{1-\frac{(Z_1+Z^{\′})L\sin (\mathrm{\ψ}+\mathrm{\α})}{4.44f{N}_2^2\mathrm{\μkS}}\}---\left(3\right)$

上式中，n₂为基于图4所示采样电路的DCT灵敏度，I_Δn为额定剩余动作电流值，V_Δn为对应I_Δn的输出电压，Z₂为放大器反馈回路的电阻，Z₁为负载电阻，Z′为二次线圈电阻，f为信号频率，N₂为二次线圈的匝数，k为铁芯叠片系数，S为铁芯的横截面积，L为磁路长度，ψ为铁芯损耗角，α为二次线圈侧的功率因数角，μ为铁芯磁导率。

本实施例一中，磁通密度B仍然根据式(1)计算，当降低DCT铁芯的高度后，DCT铁芯的横截面积S随之降低，此时通过调节负载电阻Z₁的值，可使磁通密度B的取值仍然保持为B₁，相应地，DCT铁芯的工作位置保持在B₁所对应的合理位置，使DCT具有良好的线性度。同时，对于式(3)所示的DCT灵敏度，可通过调节放大器反馈回路的反馈电阻Z₂，对DCT的灵敏性进行校正，从而使DCT保持其较好的灵敏度。

实际应用中，由于放大器的最大输出驱动能力通常是一定的，例如50mA。因此，图4所示采样电路所能够测量的最大额定剩余动作电流也是一定的，如式(4)所示：

$I_{\mathrm{\Δ}}=\frac{N_2}{k_1{k}_2}\·I_{\mathrm{out}\_m}---\left(4\right)$

其中，N₂为二次线圈的匝数，k₁为有效值系数，k₂为DCT最大测量值系数，I_Δ为额定剩余动作电流分界值，I_{out_m}为放大器输出驱动能力。

例如，对于A型RCD，135°脉冲直流信号峰值对应的放大器输出最大，该有效值系数k₁为4.69；此外，k₂通常可取10，则DCT的测量范围为0～10I_Δn。此时，基于式(4)所示表达式，当放大器最大输出驱动能力I_{out_m}为50mA时，N₂为1260匝时，相应地，额定剩余动作电流分界值I_Δ为1.34A，若取整数1A作为额定剩余电流保护的界限，则对于1A以上的额定剩余动作电流，图4所示采样电路将不再适用。

然而，考虑到额定剩余动作电流值较高时，相应地，二次线圈电阻Z′的值将远远大于负载电阻Z₁的值，例如，当DCT的二次线圈电阻Z′为60Ω时，设置为5A的额定剩余动作电流所对应的负载电阻仅为7.6Ω，可见，后者仅为前者的12.6％。并且随着DCT铁芯高度的降低，二次线圈会相应的缩短，进而导致二次线圈电阻Z′降低。因此，当设置的额定剩余动作电流值较高时，现有技术中的采样电路可随着二次线圈电阻Z′的降低而使DCT铁芯的工作位置保持在合理的工作位置。

下面以A型RCD为例，下述表1示出了一个基于5A的额定剩余动作电流的大尺寸DCT和小尺寸DCT的线性度比较，其中，小尺寸的DCT以高度为2mm的铁芯的情况为例，大尺寸的DCT以高度为10mm的铁芯的情况为例。图5示出了本发明实施例中高度为2mm的DCT铁芯的示意图。

表1

可见，B的差值很小，即当设置的额定剩余动作电流值较高时，基于现有技术中的采样电路，DCT铁芯高度的降低对DCT线性的影响较小。为此，本发明实施例中可将图4所示双调节采样电路与图2所示现有技术中的采样电路并联，并通过开关进行选择，当额定剩余动作电流值较低时，使用图4所示双调节采样电路，当额定剩余动作电流值较高时，使用图2所示现有技术中的采样电路。

如图6所示，图6为本发明实施例二中的采样电路示意图。该采样电路在图4所示采样电路的基础上进一步包括：与二次线圈的两端分别相连的第一可调电阻Z，且第一可调电阻Z与二次线圈之间具有开关K。

根据式(4)所示表达式中放大器输出驱动能力I_{out_m}的取值，得到额定剩余动作电流分界值I_Δ，当设置的额定剩余动作电流值小于或等于所述额定剩余动作电流分界值I_Δ时，断开该开关K，当设置的额定剩余动作电流值大于所述额定剩余动作电流分界值I_Δn时，闭合该开关K。其中，K断开时，图6即为图4所示的采样电路，Z₁是负载电阻；K闭合时，Z是负载电阻，相当于图2中的Z₁，此时图6中的Z₁为电压放大电路的一部分。

例如，对于前述示例中将1A作为剩余电流保护的界限的情况，可以是：当I_Δn设置为30mA～1A时，打开开关K；当I_Δn设置为1A～5A时，闭合开关K。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种差动电流互感器(DCT)，包括：铁芯和绕在所述铁芯上的二次线圈，其特征在于，所述差动电流互感器(DCT)连接有一个采样电路，所述采样电路为负载电阻和放大器反馈回路电阻双调节的采样电路。

2.根据权利要求1所述的差动电流互感器(DCT)，其特征在于，所述采样电路包括：与所述二次线圈的一端相连的负载电阻(Z₁)，与所述负载电阻(Z₁)串联的放大器和位于所述放大器反馈回路的反馈电阻(Z₂)；

其中，二次线圈的另一端及放大器的同相输入端与参考电压相连；负载电阻(Z₁)和反馈电阻(Z₂)均为可调电阻。

3.根据权利要求2所述的差动电流互感器(DCT)，其特征在于，所述采样电路进一步包括：与二次线圈的两端分别相连的第一可调电阻(Z)，且第一可调电阻(Z)与二次线圈之间具有开关(K)；

根据下式中放大器输出驱动能力(I_{out_m})的取值，得到额定剩余动作电流分界值(I_Δ)，当设置的额定剩余动作电流值小于或等于所述额定剩余动作电流分界值(I_Δ)时，断开所述开关(K)，当设置的额定剩余动作电流值大于所述额定剩余动作电流分界值(I_Δ)时，闭合所述开关(K)；

其中，N₂为二次线圈的匝数，k₁为有效值系数，k₂为DCT最大测量值系数。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的差动电流互感器(DCT)，其特征在于，所述铁芯的高度小于10mm。

5.根据权利要求4所述的差动电流互感器(DCT)，其特征在于，所述铁芯的高度为2mm。

6.一种剩余电流动作保护器(RCD)，包括差动电流互感器(DCT)和采样电路，所述差动电流互感器(DCT)包括铁芯和绕在所述铁芯上的二次线圈，其特征在于，所述采样电路为负载电阻和放大器反馈回路电阻双调节的采样电路。

7.根据权利要求6所述的剩余电流动作保护器(RCD)，其特征在于，所述采样电路包括：与所述二次线圈的一端相连的负载电阻(Z₁)，与所述负载电阻(Z₁)串联的放大器和位于所述放大器反馈回路的反馈电阻(Z₂)；

其中，二次线圈的另一端及放大器的同相输入端与参考电压相连；负载电阻(Z₁)和反馈电阻(Z₂)均为可调电阻。

8.根据权利要求7所述的剩余电流动作保护器(RCD)，其特征在于，所述采样电路进一步包括：与二次线圈的两端分别相连的第一可调电阻(Z)，且第一可调电阻(Z)与二次线圈之间具有开关(K)；

根据下式中放大器输出驱动能力(I_{out_m})的取值，得到额定剩余动作电流分界值(I_Δ)，当设置的额定剩余动作电流值小于或等于所述额定剩余动作电流分界值(I_Δ)时，断开所述开关(K)，当设置的额定剩余动作电流值大于所述额定剩余动作电流分界值(I_Δ)时，闭合所述开关(K)；

其中，N₂为二次线圈的匝数，k₁为有效值系数，k₂为DCT最大测量值系数。

9.根据权利要求6至8中任一项所述的剩余电流动作保护器(RCD)，其特征在于，所述铁芯的高度小于10mm。

10.根据权利要求9所述的剩余电流动作保护器(RCD)，其特征在于，所述铁芯的高度为2mm。

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