CN102122810B - 用于监测电流互感器状态的电流诊断装置及其诊断方法 - Google Patents

Abstract

检测电流互感器状态的电流诊断装置，包括设置在互感器二次线圈一个输出端与信号调理电路之间的一端接地的状态检测接地电阻，连接在互感器与中央处理单元的AD脚之间的信号调理电路为比例积分电路，用于将电流互感器输出的主回路电流信号转换为交流电压信号，并对所述信号的幅值和相位进行调整。中央处理单元将信号调理电路输出的电压信号进行AD转换，当电流互感器出现断线故障时，信号调理电路输出一个超过设定的偏离基准电压Vref的阈值的固定直流电压信号，当计数器数值达到预定的周期数且每个周期的平均值都超过阈值时，中央处理单元发出故障警报，指令分闸驱动单元驱动断路器执行脱扣动作，同时显示单元显示主回路电流和故障信息。

Description

用于监测电流互感器状态的电流诊断装置及其诊断方法

技术领域

本发明涉及一种断路器的电流互感器的电流诊断装置，特别是用于监测智能型断路器的电流互感器工作状态的电流诊断装置及其诊断方法。

背景技术

随着国家对电网智能化改造的不断深入，对电网中所使用设备的可靠性提出了更高的要求。而针对断路器而言，是保障后端用电设备用电安全及人身安全的重要设备，其工作可靠性的重要性可想而知。空心线圈类型的电流互感器是检测断路器主回路中电流的普遍使用的部件，其工作原理是将断路器所控制的主电路作为电流互感器的一次绕组，电流互感器的二次绕组所产生的感应电流作为测量仪表或继电器等装置所用的标准化电流。随着智能型断路器的问世，电流互感器本身的性能指标及工作状态直接决定了智能型断路器能否可靠工作，成为提高断路器产品的安全等级和使用可靠性的重要性能指标，所以对电流互感器工作状态的监测就显得尤为重要。特别对于智能型断路器而言，不仅要求具有检测电流互感器的工作状态的功能，而且还要求其诊断和控制是实时的。

目前，市场上的断路器包括智能型断路器在内，大部分并不具备对电流互感器的检测功能，而少数带有电流互感器检测功能的断路器，对于电流互感器状态检测所采用的手段，主要是将电流互感器作为一个通路，通过其引入一个电压或电流信号，通过直接判断此信号的有或无来监测互感器的状态。比如美国专利US20070063797A1(中国同族专利申请公开号为CN101013808A)公开了一种包括电子跳闸设备的断路器及其监控方法，该方法对电流互感器引入了一个直流电流信号，通过判断此电压信号的有无来判断电流互感器的状态。电流互感器由于存在内阻，就会感生出一个直流电压，从而在调理电路后端产生反应。以上已有技术的缺陷在于都要给电流互感器引入外部信号，此信号势必会直接影响电流互感器的采样信号，会导致电流采样失真，所以必须在后端采取校对措施进行校正，例如US20070063797A1就在软件中加入了校对环节，用以去除这个直流电压信号，来还原真实的电流采样信号。但是这种做法就增加了信号处理步骤，不仅降低了电流采样精度，还会导致方法和结构复杂，制造成本提高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种用于监测电流互感器状态的电流诊断装置及其诊断方法，只需对电流采样信号进行判断，就可以实现对电流互感器的监测和判断，不仅防止了因电流互感器断线而引起的断路器误动作和在电流互感器断线时可以发出检修警报，并且该装置无需额外增加监测端口，不会对电流互感器的采样信号有任何影响，使采用本发明诊断方法及装置的断路器等低压电器具有更高的安全可靠性和智能性。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案。

一种用于检测电流互感器状态的电流诊断装置，包括连接在断路器1的负载侧的电流互感器2，所述的电流诊断装置还包括：一个状态检测接地电阻R5、R11，设置在电流互感器2与信号调理电路3之间，所述的状态检测接地电阻R5、R11的一端与电流互感器2的二次线圈两个输出端中的其中一个输出端连接，另一端接地。信号调理电路3，连接在电流互感器2的二次线圈输出端与中央处理单元4的AD脚之间，所述的信号调理电路3为比例积分电路，用于将电流互感器2输出的主回路电流信号转换为以基准电压Vref为直流分量的交流电压信号，并对所述信号的幅值和相位进行调整。中央处理单元4将信号调理电路3输出的电压信号Vout进行AD转换和处理，当电流互感器2出现断线故障时，信号调理电路3输出一个超过偏离基准电压Vref的设定阈值的固定的直流电压信号，中央处理单元4根据该直流电压信号发出电流互感器2的故障警报。显示单元5和分闸驱动单元6，分别与中央处理单元4的输出端相连接，分闸驱动单元6根据中央处理单元4的故障警报指令驱动断路器1执行脱扣动作，同时显示单元5显示主回路电流和故障信息。

根据本发明的一种实施方式，所述的信号调理电路3包括运算放大器U1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一电容C1和第二电容C2，第一电阻R1的一端与电流互感器二次线圈的一个输出端连接，第一电阻R1的另一端与运算放大器U1的反相输入端11连接，第二电阻R2的一端与电流互感器二次线圈的另一个输出端连接，第二电阻R2的另一端与运算放大器U1的正相输入端12连接，第三电阻R3和第一电容C1并联后其输入端与基准电压Vref连接，另一端与运算放大器U1的正相输入端12连接，第四电阻R4和第二电容C2并联后其一端与运算放大器U1的反相输入端11连接，另一端与运算放大器U1的输出端10连接，运算放大器U1的输出端10与中央处理单元4的AD脚相连接。所述的信号调理电路3的第一电阻R1与第二电阻R2相同，第三电阻R3与第四电阻R4相同，第一电容C1与第二电容C2相同。

根据本发明的另一种实施方式，所述的信号调理电路3包括运算放大器U11、第一电阻R14、第二电阻R15、第三电阻R16、第四电阻R17、第一电容C12和第二电容C13，第一电阻R1的一端与电流互感器二次线圈的一个输出端连接，第一电阻R1的另一端与运算放大器U1的反相输入端11连接，第二电阻R2的一端与电流互感器二次线圈的另一个输出端连接，第二电阻R2的另一端与运算放大器U1的正相输入端12连接，第三电阻R3和第一电容C1并联后其输入端与基准电压Vref连接，另一端与运算放大器U1的正相输入端12连接，第四电阻R4和第二电容C2并联后其一端与运算放大器U1的反相输入端11连接，另一端与运算放大器U1的输出端10连接，运算放大器U1的输出端10与中央处理单元4的AD脚相连接；所述的信号调理电路3的第六电阻R12与第七电阻R13取值相同，第一电阻R14与第二电阻R15取值相同，第三电阻R16与第四电阻R17取值相同，第一电容C12与第二电容C13的取值相同。

所述的信号调理电路3的运算放大器U1的正相输入端的电压的直流分量为：

Vref*(R5+R2)/(R5+R2+R3)＝Vref-ΔV；

其中ΔV为偏离基准电压的差值。

所述的信号调理电路3的基准电压Vref取值为中央处理单元4的AD采样允许输入电压范围的一半。

所述的电流诊断装置还包括一个电阻分压电路，其中第二电阻R15与第三电阻R16串联连接的电路并联连接在第七电阻R13的两端，第七电阻R13的与电流互感器2输出端14连接的节点与状态检测接地电阻R11串联并接地。

所述的电流诊断装置还包括一个滤波电路，包括起输入信号滤波作用的第三电容C11，第三电容C11并联连接在电流互感器2的两个输出端上。

所述的电流诊断装置还包括一个辅助分压电路，包括串联连接的第六电阻R12、第七电阻R13，第六电阻R12与第七电阻R13串联连接所形成的节点与电压基准Vref输入端相连接。

采用本发明的电流诊断装置进行诊断的方法，包括以下步骤：

a.中央处理单元4对来自信号调理电路3的电压信号Vout进行模数AD转换；

b.对一周期的采样数据求平均值；

c.将本周期的平均值与设定的偏离基准电压Vref的阈值进行比较，判断该平均值是否大于所设定的阈值；

d.当该平均值等于或小过所设定的阈值时，中央处理单元4判断电流互感器2处于正常工作状态，并将计数器清零，返回步骤a；当该平均值高于所设定的阈值且为固定的直流电压信号时，中央处理单元4将计数器加1；

e.中央处理单元4判断计数器数值，如果计数器数值小于预定的周期数时，返回步骤b；当计数器数值达到预定的周期数且每个周期的平均值都超过所设定的阈值时，中央处理单元4发出电流互感器2故障警报，并将计数器清零。

采用本发明的用于监测电流互感器状态的电流诊断装置及其诊断方法，在几乎不给电流互感器引入任何信号的情况下，只通过信号调理电路与状态检测接地电阻的配合提供中央处理单元特定信号，可实现对电流互感器工作状态的实时监测和诊断，包括电流互感器的安装是否与断路器的控制器存在装配失误、电流互感器工作过程中是否发生断线故障等，这就避免了发生之前已有解决方案对电流采样信号的不利影响，提高了采样精度。另外，本发明的检测信号是与电流采样信号共用同一个信道，所以不会额外增加硬件端口，节省了硬件资源。此外，本发明的装置能够区分所发生的情况究竟是“互感器断线故障”还是“断路器主回路电流为零”。

附图说明

图1是本发明用于监测电流互感器状态的电流诊断装置的电路框图。

图2是本发明的信号调理电路的一个实施例的电路图。

图3是本发明的信号调理电路的又一个实施例的电路图。

图4是本发明的电流诊断装置的诊断方法流程图。

图5是对信号调理电路的仿真验证结果波形图，图中为没有断线检测接地电阻时信号调理电路对采样信号的输出波形。

图6是对信号调理电路的仿真验证结果波形图，图中为带断线检测接地电阻时信号调理电路对采样信号的输出波形。

图7是对信号调理电路的仿真验证结果波形图，图中为没有断线检测接地电阻时在主回路电流为0的情况下信号调理电路的输出波形。

图8是对信号调理电路的仿真验证结果波形图，图中为带有断线检测接地电阻时在电流互感器断线情况下信号调理电路的输出波形。

图9是对信号调理电路的仿真验证结果波形图，图中为带有断线检测接地电阻时在主回路电流为0的情况下调理电路的输出波形。

图10是对信号调理电路的仿真验证结果波形图，图中为带有断线检测接地电阻时在电流互感器断线情况下调理电路的输出波形。

具体实施方式

下面结合附图1至4所示的仅作为非限制性例子的实施例，进一步详细描述本发明的用于监测电流互感器状态的电流诊断装置及其诊断方法。并且从下述结合附图5-10对所作的仿真试验结果的说明中，可更清楚的看出本发明的其他优点与特征。

图1是本发明用于监测电流互感器状态的电流诊断装置的电路框图。如图1所示，本发明的电流诊断装置包括连接在断路器1的负载侧的电流互感器2、连接在电流互感器2的二次线圈输出端与中央处理单元4输入端之间的信号调理电路3、分别与中央处理单元4的输出端相连接的显示单元5和分闸驱动单元6。一般断路器的电子脱扣器通常包括电源部分、控制部分和致动装置三大基本组成部分，由于电子脱扣器属于断路器的常用部分，因而断路器1、断路器分闸驱动单元6以及不排除还包括图1未示出的已知的其它构件的结构方案、工作原理等更多的技术细节在此不作赘述。常规的电流诊断装置采用电流互感器实现对三相主电路电流的采样，通过采集电流互感器二次互感线圈的电流信号，监测主电路中是否存在短路故障电流，如果主电路出现短路故障，则二次线圈中二次电流信号增大，当该信号大到一个限定值时，电子脱扣器就驱动断路器1发出脱扣指令，使断路器的脱扣机构动作跳闸。由此可见，当电流互感器的二次线圈出现断线故障时，电子脱扣器对监测主电路是否存在故障电流的功能就出现失灵，从而造成安全隐患。所谓断线就是互感器的二次线圈与它所在的电路断开，这种断线的后果十分危险，轻则造成电子脱扣器的监测和控制功能失灵而使供电线路设备失去保护，重则引发断路器的发热、烧坏等安全隐患，因此，本发明的电流诊断装置所监测的对象正是电流互感器2的二次线圈中流过的电流，在本发明的电流互感器2与信号调理电路3之间，连接有一个状态检测接地电阻R5，其一端与电流互感器2的二次互感线圈两个输出端中的其中一个输出端连接，另一端接地。信号调理电路3具有检测电流互感器2状态的功能，而诊断单元即中央处理单元4通过对采样信号的判断来监测和诊断电流互感器2的状态。

图1所示的主电路的相数为3相(A、B、C)，电流互感器2有3个二次线圈，因此，按照每相一个二次线圈的配置原则，电流互感器2二次线圈的个数根据供电电源情况至少为1个，也可以是2个、3个或4个。当任一电流互感器2的二次线圈发生断线故障时或者互感器2因装配失误而没有有效连接控制器时，电流采样信号会在信号调理电路3的输出有所体现，通过中央处理单元4的判断，就可以将断线故障显示在显示单元5上，从而提醒用户进行检修。具体地说，本发明的电流诊断装置通过电流互感器2将主回路电流信号转换为电压信号并输出给信号调理电路3，信号调理电路3将电流互感器2输出的主回路电流信号进行处理，转换为符合中央处理单元4要求的输入信号，中央处理单元4通过对信号调理电路3处理后输出的采样信号进行AD转换，并进行计算和判断，决定是否触发分闸驱动单元6，断路器1根据分闸驱动单元6的脱扣指令动作，使断路器脱扣装置跳闸，同时中央处理单元4将主回路电流和故障信息等断路器的工作状态显示在显示单元5上，以便用户实时了解断路器及其电流互感器的运行情况。

图2是本发明的信号调理电路的一个实施例的电路图。在图2的实施例中，信号调理电路3包括运算放大器U1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一电容C1和第二电容C2。在图2中，符号7、8分别代表电流互感器二次线圈的两个输出端，它们也构成将电流采样信号输入到信号调理电路3的两个节点，图2中以虚线框代表的是信号调理电路3，通过比例积分方式对电流采样信号的幅值和相位进行调整。符号U1为运算放大器，符号10代表运算放大器U1的输出端，符号Vout为运算放大器U1输出的电压信号，符号11代表U1的反相输入端，符号12代表U1的正相输入端，符号Vref是作为基准的参考电压，其取值与实际电路有关，这里取值为中央处理单元4的AD采样允许输入电压范围的一半。信号调理电路3的第一电阻R1的一端与电流互感器二次线圈的一个输出端连接，第一电阻R1的另一端与运算放大器U1的反相输入端11连接，第二电阻R2的一端与电流互感器二次线圈的另一个输出端连接，第二电阻R2的另一端与运算放大器U1的正相输入端12连接，第三电阻R3和第一电容C1并联后其输入端与基准电压Vref连接，另一端与运算放大器U1的正相输入端12连接，第四电阻R4和第二电容C2并联后其一端与运算放大器U1的反相输入端11连接，另一端与运算放大器U1的输出端10连接，运算放大器U1的输出端10与中央处理单元4的AD脚相连接。由于系统对电源电流采样范围要求比较大，所以本发明的电流诊断装置也可以采用两级放大电路，如果采取了两极放大，就可以将状态检测接地电阻R5的阻值选择得更大一点，因为断线状态偏离电平可以在第二级实现检测。图2中信号调理电路3的电路参数设计选择应符合以下条件：第一电阻R1与第二电阻R2相同，第三电阻R3与第四电阻R4相同，第一电容C1与第二电容C2相同。

下面说明图2中本发明的电流诊断装置的工作原理。电流互感器2的二次线圈感应出主回路中的交流电流，通过电流互感器2将主回路电流信号转换为交流电压信号并输入给信号调理电路3，该交流电压信号以差分信号的形式输入到信号调理电路3，信号调理电路3的比例积分电路对交流信号的幅值和相位进行调整，将电流互感器2输出的主回路电流信号进行处理，转换为符合中央处理单元4要求的电压信号输入给中央处理单元4的AD脚。信号调理电路3具有检测电流互感器2的状态的功能，其中运算放大器U1的输出10是以基准电压Vref为直流分量的交流信号输出Vout。当电流互感器2正常工作时，由于电流互感器2对直流来说可以等效为一个小内阻，而负责断线检测的接地状态检测接地电阻R5的取值远大于所述的电流互感器2的内阻，所以在互感器内阻上的分压可忽略不计。由于两个串联的第一电阻R1和第二电阻R2的分压作用，使得第一电阻R1两端7、11的电压以及第二电阻R2两端8、12的电压更高，这样就更加消除了内阻分压的影响。在电流互感器2的二次线圈连接且状态正常情况下，运算放大器U1的正相输入端12的电压的直流分量为：

Vref*(R5+R2)/(R5+R2+R3)＝Vref-ΔV

这里，ΔV是指偏离基准电压Vref且与基准电压Vref的电压差值，它是一个固定值，取值可以根据具体电路自行调整。在电流互感器2正常工作情况下，根据运算放大器U1的工作特性，此时其反相输入端11的电压等于正相输入端12的电压，忽略电流互感器2内阻的分压作用，运算放大器U1输出端10输出的信号Vout是以基准电压Vref为中心上、下波动的交流信号。即使主回路电流为零，运算放大器输出的电压信号Vout也等于基准电压Vref的直流量，此时中央处理单元不会发出电流互感器故障警告。

当电流互感器2因装配失误没有连接或发生断线故障时，运算放大器U1的正相输入端12的电压的直流分量仍为：

Vref*(R5+R2)/(R5+R2+R3)＝Vref-ΔV

但是由于此时运算放大器U1的反相输入端11失去了对地回路，这导致运算放大器输出端10输出的信号Vout等于反相输入端的输入电压，并且变成了偏离基准电压Vref的直流信号Vout，它将比基准电压Vref要高或者低一个直流电压，这取决于电流互感器2的两个输入端中的哪一端经状态检测接地电阻R5接地连接及取值。就信号调理电路3的电路拓扑而言，可以采用运算放大器的正向输入端12，也可以采用反向输入端11来接入电流互感器2的状态检测接地电阻R5，两者的不同是偏离电压的极性不同，电路控制方法相同。也就是说，电流互感器2的状态检测是将电流互感器2的两个输入端中的一端经状态检测接地电阻R5接地，选择其中任何一端都可以。当电流互感器2出现断线故障时，信号调理电路3的输出为偏离基准电压Vref的直流电压，且偏离电压为ΔV，由于存在偏置电压ΔV，中央处理单元4就会对信号调理电路3的采样值做出反应。本发明将偏离基准电压Vref的电压且为直流电压的信号视为互感器故障信号，中央处理单元4识别出该互感器故障信号后从而判断电流互感器2存在断线，于是发出检修警报，提示用户进行检修。

图3是本发明的信号调理单元的另一个实施例的电路图。所述状态检测接地电阻R11的一端与电流互感器二次线圈的两个输出端13、14中的其中一个输出端连接，另一端接地。所述电流互感器2的输出端与信号调理电路3相连，信号调理电路3与中央处理单元4连接。在图3的实施例中，信号调理电路3包括运算放大器U11、第一电阻R14、第二电阻R15、第三电阻R16、第四电阻R17、第一电容C12和第二电容C13。中央处理单元4的AD脚允许输入电压为5V，则信号调理电路3的基准电压Vref采用2.5VDC。信号调理电路3的结构和功能同图2所示的实施例。图3的实施例与图2所示的实施例的不同在于，图3的电流诊断装置还包括一个电阻分压电路，它由第二电阻R15与第三电阻R16串联连接的电路并联连接在第七电阻R13的两端，第七电阻R13的与电流互感器2输出端14连接的节点与状态检测接地电阻R11串联并接地所形成，用于获得电压的偏移量ΔV。并且电流诊断装置还包括一个滤波电路，包括起输入信号滤波作用的第三电容C11，第三电容C11并联连接在电流互感器2的两个输出端上，用于滤除电流互感器2输入信号的一些杂波，避免干扰影响采样精度。电流检测单元还包括一个辅助分压电路，包括串联连接的第六电阻R12、第七电阻R13，第六电阻R12与第七电阻R13串联连接所形成的节点与电压基准Vref输入端相连接，辅助分压电路的作用是当信号调理电路3的第一电阻R14与第二电阻R15取值较大时，有利于R11的阻值选择，避免因状态检测接地电阻R11的取值太大，同时电流诊断装置通过状态检测接地电阻R11的辅助分压，也便于调节ΔV的具体取值。如图3所示，电流互感器2的二次线圈对主回路电流进行采样，并将采样信号分别通过其输出端13、14输入到信号调理电路3的两个输入端，图3的电路参数选择符合以下条件：第六电阻R12与第七电阻R13取值相同，第一电阻R14与第二电阻R15取值相同，第三电阻R16与第四电阻R17取值相同，第一电容C12与第二电容C13的取值相同。

下面简要说明图3所示的电流诊断装置的工作原理。在电流互感器2连接且状态正常情况下，由于其对直流来说可以等效为一个小电阻(互感器内阻)，而状态检测接地电阻R11的取值远大于互感器内阻，所以在互感器内阻上的分压可忽略不计。运算放大器U11的正相输入端电压的直流分量可由所述的电阻分压电路计算得出，在这里可以记为Vref-ΔV，根据运算放大器U11的工作特性，此时其反相输入端的电压等于正相输入端的电压，忽略电流互感器2内阻的分压作用不计，可以计算出运算放大器U11输出端15输出的是以基准电压Vref为直流分量的交流信号，即使主回路电流为零，运算放大器U11输出端15输出的电压也为基准电压Vref的直流量，因此，此时中央处理单元4不会发出电流互感器2的故障警告。当电流互感器2没有连接或发生断线故障时，运算放大器U11的正相输入端输入的电压直流分量仍为Vref-ΔV，但是其反相输入端由于互感器线圈断线而失去了对地回路，这导致运算放大器U11输出端15输出的电压Vout并非交流信号，而是偏离基准电压Vref的直流信号，由于存在偏置电压ΔV，当ΔV大于预订的阈值时，中央处理单元4就会对此采样值做出反应，从而判断出电流互感器2发生断线故障，于是中央处理单元4发出检修警报，提示用户进行检修

图4是本发明的电流诊断装置的控制流程图。如图4所示，本发明具有检测电流互感器状态功能的电流诊断装置的控制方法包括以下5个步骤：

a.中央处理单元4对信号调理电路3输出的电压信号Vout进行模数转换；

b.对一周期的采样数据求平均值；

c.将本周期的平均值与基准电压Vref的设定阈值进行比较，判断该平均值是否大于基准电压Vref的设定阈值；

d.当该平均值等于或不超过所述的基准电压Vref的设定阈值时，中央处理单元4判断电流互感器2处于正常工作状态，并将计数器清零，返回步骤a；当该平均值高于所述的基准电压Vref的设定阈值且为固定的直流电压信号时，中央处理单元4将计数器加1；

e.中央处理单元4判断计数器数值，如果计数器数值小于预定的周期数时，返回步骤b；

当计数器数值达到预定的周期数且每个周期的平均值都超过基准电压Vref的设定阈值时，中央处理单元4发出电流互感器2故障警报，并将计数器清零。

具体地说，中央处理单元4带有AD转换功能，对信号调理电路3输出的电压信号Vout进行模数AD转换，接着，中央处理单元4对一周期的采样数据进行计算处理求平均值，然后将本周期的平均值与基准电压Vref进行比较。这里，本申请人考虑到基准电压Vref及信号调理电路3存在精度误差等因素，对偏置电压ΔV设定一个范围阈值，即当偏置电压ΔV超过这个阈值时才被判断为有断线故障。在将平均值与基准电压Vref比较时，如果电流互感器2运行正常，此时的平均值应该等于或者不超过偏离基准电压Vref的设定阈值，于是中央处理单元4就认为电流互感器2运行正常，并将计数器清零，程序返回。反之，当电流互感器2出现断线故障时，信号调理电路3输出的电压信号Vout会高于偏离基准电压Vref的设定阈值，且该输出信号Vout为固定的直流电压信号，此时计算出的一周期平均值也会偏离基准电压Vref且高于设定的偏离基准电压Vref的阈值，中央处理单元4初步判断电流互感器2出现断线故障，并将计数器加1。之后，为避免因为电流突变而引起的平均值偏移，中央处理单元4连续判断预定的周期个数，当检测到采样平均值连续几个周期均超过偏离基准电压Vref的阈值时，则判定电流互感器2出现断线故障。即：当计数器数值小于预定的周期数时，返回对一周期的采样数据求平均值的步骤。当计数器数值达到预定的周期数且每个周期的平均值都超过设定的偏离基准电压Vref的阈值时，中央处理单元4发出电流互感器2故障警报，并将计数器清零。

在如图4所示的实施例中，中央处理单元4会连续判断3个周期，只有3个周期平均值都超过偏离基准电压Vref的设定阈值时，中央处理单元4才会确定电流互感器2发生了断线故障，发出故障警报。

申请人对具有电流互感器2状态检测功能的信号调理电路3进行了仿真验证，下面结合图5-10说明本发明装置的仿真验证结果。

图5和图6均是对信号调理电路的仿真验证结果波形图，如图5所示，为没有断线检测接地电阻时调理电路对采样信号的处理输出波形，红色为输入信号，绿色为输出信号。图6为带断线检测接地电阻时信号调理电路对采样信号的输出波形，红色为输入信号，绿色为输出信号。由图5和图6比较可见，加了电流互感器2的断线检测接地电阻后，信号调理电路3对同一信号输入的调理输出基本不变，说明该互感器断线检测接地电阻对采样信号几乎没有影响。

图7和图8均是对信号调理电路的仿真验证结果波形图，如图7所示，为没有断线检测接地电阻时在主回路电流为0的情况下调理电路的输出波形。图8是带有断线检测接地电阻时在电流互感器断线情况下调理电路的输出波形。由图7和图8比较可见，由于在主回路电流为0和互感器断线两种情况下的输出是一样的，说明没有电流互感器断线检测电路的信号调理电路3不具备断线检测功能，它没有区分这两种情况的能力。

图9和图10均是对信号调理电路的仿真验证结果波形图，如图9所示为带有断线检测接地电阻时在主回路电流为0的情况下信号调理电路3的输出波形。图10是带有断线检测接地电阻时在电流互感器2发生断线情况下信号调理电路3的输出波形。由图9和图10比较可见，带有电流互感器断线检测电路的信号调理电路3在主回路电流为0和互感器断线两种情况下，其输出是不同的。当电流互感器2没有断线时，信号调理电路3的输出为基准电压Vref；当电流互感器2发生断线时，信号调理电路3的输出电压偏离了基准电压Vref且为固定直流信号。由此可见，本发明的装置可以区分断线状态，从而发出断线警报。

本发明可以应用于具有以下特征的电气设备，例如断路器，其使用电流互感器实现电流采样，具有以比例积分电路为调理电路的信号处理电路，同时具有对信号进行AD转换和计算处理的中央处理单元。除了断路器，本发明技术可以应用于其它使用空心线圈作为电流检测手段的控制器产品。

Claims (10)

1.用于检测电流互感器状态的电流诊断装置,包括连接在断路器（1）的负载侧的电流互感器（2），其特征在于，所述的电流诊断装置还包括：

一个状态检测接地电阻(R5)，设置在电流互感器（2）与信号调理电路（3）之间，所述的状态检测接地电阻（R5、R11）的一端与电流互感器（2）的二次线圈两个输出端中的其中一个输出端连接，另一端接地；

信号调理电路（3），连接在电流互感器（2）的二次线圈输出端与中央处理单元（4）的AD脚之间，所述的信号调理电路（3）为比例积分电路，用于将电流互感器（2）输出的主回路电流信号转换为以基准电压Vref为直流分量的交流电压信号,并对所述信号的幅值和相位进行调整；

中央处理单元（4）将信号调理电路（3）输出的电压信号Vout进行AD转换和处理，当电流互感器（2）出现断线故障时，信号调理电路（3）输出一个超过偏离基准电压Vref的设定阈值的固定的直流电压信号，中央处理单元（4）根据该直流电压信号发出电流互感器（2）的故障警报；

显示单元（5）和分闸驱动单元（6），分别与中央处理单元（4）的输出端相连接，分闸驱动单元（6）根据中央处理单元（4）的故障警报指令驱动断路器（1）执行脱扣动作，同时显示单元（5）显示主回路电流和故障信息。

2.根据权利要求1所述的电流诊断装置，其特征在于：所述的信号调理电路（3）包括运算放大器(U1)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)、第四电阻(R4)、第一电容(C1)和第二电容(C2)，第一电阻(R1)的一端与电流互感器二次线圈的一个输出端连接，第一电阻(R1)的另一端与运算放大器(U1)的反相输入端（11）连接，第二电阻(R2)的一端与电流互感器二次线圈的另一个输出端连接，第二电阻(R2)的另一端与运算放大器(U1)的正相输入端（12）连接，第三电阻(R3)和第一电容(C1)并联后其输入端与基准电压Vref连接，另一端与运算放大器(U1)的正相输入端（12）连接，第四电阻(R4)和第二电容(C2)并联后其一端与运算放大器(U1)的反相输入端（11）连接，另一端与运算放大器(U1)的输出端（10）连接，运算放大器(U1)的输出端（10）与中央处理单元（4）的AD脚相连接。

3.根据权利要求2所述的电流诊断装置，其特征在于：所述的信号调理电路(3)的第一电阻(R1)与第二电阻(R2)相同，第三电阻(R3)与第四电阻(R4)相同，第一电容(C1)与第二电容(C2)相同。

4.根据权利要求1所述的电流诊断装置，其特征在于：所述的信号调理电路(3)包括运算放大器(U11)、第一电阻(R14)、第二电阻(R15)、第三电阻(R16)、第四电阻(R17)、第一电容(C12)和第二电容(C13)，第一电阻(R1)的一端与电流互感器二次线圈的一个输出端连接，第一电阻(R1)的另一端与运算放大器(U1)的反相输入端(11)连接，第二电阻(R2)的一端与电流互感器二次线圈的另一个输出端连接，第二电阻(R2)的另一端与运算放大器(U1)的正相输入端(12)连接，第三电阻(R3)和第一电容(C1)并联后其输入端与基准电压Vref连接，另一端与运算放大器(U1)的正相输入端(12)连接，第四电阻(R4)和第二电容(C2)并联后其一端与运算放大器(U1)的反相输入端(11)连接，另一端与运算放大器(U1)的输出端(10)连接，运算放大器(U1)的输出端(10)与中央处理单元(4)的AD脚相连接；所述的信号调理电路(3)，第一电阻(R14)与第二电阻(R15)取值相同，第三电阻(R16)与第四电阻(R17)取值相同，第一电容(C12)与第二电容(C13)的取值相同。

5.根据权利要求4所述的电流诊断装置，其特征在于：所述的电流诊断装置还包括一个电阻分压电路，其中第二电阻(R15)与第三电阻(R16)串联连接的电路并联连接在第七电阻(R13)的两端，第七电阻(R13)的与电流互感器(2)输出端(14)连接的节点与状态检测接地电阻(R11)串联并接地。

6.根据权利要求4所述的电流诊断装置，其特征在于：所述的电流诊断装置还包括一个滤波电路，包括起输入信号滤波作用的第三电容(C11)，第三电容(C11)并联连接在电流互感器(2)的两个输出端上。

7.根据权利要求4所述的电流诊断装置，其特征在于：所述的电流诊断装置还包括一个辅助分压电路，包括串联连接的第六电阻(R12)、第七电阻(R13)，第六电阻(R12)与第七电阻(R13)串联连接所形成的节点与电压基准Vref输入端相连接,第六电阻(R12)与第七电阻(R13)取值相同。

8.根据权利要求2所述的电流诊断装置，其特征在于：所述的信号调理电路(3)的运算放大器(U1)的正相输入端(12)的电压的直流分量为：

Vref*(R5+R2)/(R5+R2+R3)=Vref-△V；

其中△V为偏离基准电压的差值。

9.根据权利要求1所述的电流诊断装置，其特征在于：所述的信号调理电路(3)的基准电压Vref取值为中央处理单元(4)的AD采样允许输入电压范围的一半。

10.一种采用权利要求1所述的电流诊断装置进行诊断的方法，包括以下步骤：

a.中央处理单元(4)对来自信号调理电路(3)的电压信号Vout进行模数AD转换；

b.对一周期的采样数据求平均值；

c.将本周期的平均值与设定的偏离基准电压Vref的阈值进行比较，判断该平均值是否大于所设定的阈值；

d.当该平均值等于或小过所设定的阈值时，中央处理单元(4)判断电流互感器(2)处于正常工作状态，并将计数器清零，返回步骤a；当该平均值高于所设定的阈值且为固定的直流电压信号时，中央处理单元(4)将计数器加1；

e.中央处理单元(4)判断计数器数值，如果计数器数值小于预定的周期数时，返回步骤b；当计数器数值达到预定的周期数且每个周期的平均值都超过所设定的阈值时，中央处理单元(4)发出电流互感器(2)故障警报，并将计数器清零。

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