CN102759657B - 一种耦合电流检测系统和检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种耦合电流检测方法以及进行电流检测的系统，所述检测系统包括：采样单元，用于探测已断开的供电线路(21)和未断开的供电线路(22)之间是否存在耦合电流，并产生表示该耦合电流数值的测量信号；处理单元，用于接收和处理所述测量信号，将处理后的测量信号传送到输出单元；以及输出单元，用于接收该处理后测量信号，并以可视或可听的方式将该处理后测量信号表示给用户。

Description

一种耦合电流检测系统和检测方法

技术领域

本发明涉及一种检测耦合电流的系统和方法。具体的说，本发明提出了一种针对交流供电线路的耦合电流监测系统，用于检测不同供电线路上由于耦合电容作用形成的耦合电流。

背景技术

在家用或工业现场的应用中，当发现某些电器存在故障时，用户会通常先断开故障线路，然后对电器设备进行检修。一般来说，用户都会认为只要断开故障线路的电源开关，那么断开之后的线路应该是不带电并且安全的。而事实上，并不是在所有的情况下这种判断都是正确的。例如，即使断开了电源开关，如果断开的线路因为异常情况而连接了或接触了其它的电源或带电体，那么这条断开线路仍旧有可能带电。

在另一种情况下，即使断开的线路没有接触其他电源或带电体，但是在该断开的线路附近还有其它的未断开的带电线路，且这两条线路被设置为彼此很靠近，在这种情况下，在这两条设置为彼此靠近的线路之间会形成一定的耦合电容。在很多情况下，为了布线简便并节省耗材，往往将多条供的线路设置在共同的电线管道中。按照估算，20米紧靠的电缆之间产生的耦合电容约为1nF，则200m紧靠的电缆之间的耦合电容就是10nF，相当于等效阻抗300k欧姆。如果电缆紧靠的部分具有更长的长度，那么耦合电容会更大，则等效阻抗会更小。这时如果操作人员接触或碰到与带电线路耦合的“已断电”线路，将会导致触电，从而引起人身事故或危险。即使在耦合电流比较小的情况下，虽然对操作人员不构成人身危险，但还是会对用电设备的正常操作带来影响。例如，在断开某用电设备的供电线路之后对其进行检修，但是如果仍有耦合电流流过该待检修设备，就可能导致待检修设备和维修设备被损毁。

图1示出了三相交流电系统的三条导线L、N以及PE，分别连接到负载11和12上。其中，L表示火线、N表示零线、PE表示起保护作用的接地线。如图所示，由于某种原因，负载11的供电线路上的断路器FE已经跳闸，而负载12的线路保持连接状态。此时，线路11和线路12之间形成的耦合电容有可能将线路12的火线L的电流引导至线路11的火线L，形成回路。在这种情况下，如果操作人员对负载11的供电线路进行检测或操作，就会产生上述触电风险或操作故障。

为了检测已经断开的线路是否通过与临近线路耦合而携带电流，通常使用电笔对断开的电路进行测量。电笔测量方法可以检验断开的线路上是否带有电压，但这种电笔测量只能测到是否存在耦合电压，却无法检测到是否存在耦合电流以及耦合电流的数值。不知道耦合电流的情况下，操作人员无法得知线路上所耦合能量的大小，以及这种程度的耦合能量是否会导致人员触电危险或对用电设备是否有影响。使用传统的测电笔往往容易造成操作人员的误判。因为操作人员往往仅凭借自己的经验，认为在跳闸后供电线路上耦合电压携带的能量很小。这种误判就可以导致触电和各种事故的发生。

因此，本发明的目的在于提供一种耦合电流的检测系统和检测方法。通过本发明的检测系统和方法可以方便地检测出线路上是否存在耦合电流、在存在耦合电流的情况下对耦合电流的数值进行测量、并且以直观的方式提示用户可能存在的触电风险。

发明内容

在本发明中，提出一种解决方案，其不仅可以检测耦合电流，而且还可以利用可以看到的、可以听到的或是其他方式给用户提示是否存在耦合电流，并给用户提供所检测出的电流数值。用户从而可以评估当前线路上存在多大的触电风险。

根据本发明的一种优选实施例，提供一种耦合电流检测系统，用于在家用或者工业现场的应用中检测多条交流供电线路之间的耦合电流，所述检测系统包括：

采样单元，用于探测已断开的供电线路和未断开的供电线路之间是否存在耦合电流，并产生表示该耦合电流数值的测量信号；

放大单元，用于将所述采样单元产生的测量信号转换成电压测量信号，并将所转换的电压测量信号放大；

处理单元，用于接收和处理所述电压测量信号，并将处理后得到的耦合电流值信号传送到输出单元；

输出单元，用于接收所述耦合电流值信号，并以可视或可听的方式将该耦合电流值信号表示给用户；

其中所述采样单元连接在一断路的交流供电线路的火线和一未断开交流供电线路的零线之间，与所述采样单元连接的未断开交流供电线路的零线可以是所述多条交流供电线路的公共零线或是一单独未断开供电线路的零线，且所述采样单元包括：

电流互感器，用于将所述已断开的供电线路上的耦合电流信号按预定比例转换为电流测量信号；以及

耦合电流引导部件，用于将所述已断开的供电线路上的耦合电流引入所述采样单元。

根据本发明实施例的耦合电流检测系统，其中所述处理单元可以包括下列器件中的至少一种：比较器、集成运放、分立元件组成的信号处理电路、或微处理器。

根据本发明实施例的耦合电流检测系统，其中所述输出单元可以包括下列器件中的至少一种：LCD、多段式LED、发光二极管、数码管、液晶灯显示、扬声器、磁性元件、继电器、磁锁器、或机械指示装置。

根据本发明实施例的耦合电流检测系统，其中还包括电源，用于给所述采样单元、处理单元和输出单元提供能源。所述电源可以包括下列模块中的至少一种：DC-DC供电模块、AC-DC供电模块、先AC-DC再DC-DC供电模块，或由采样单元从供电线路上取电的供电模块。

本发明还提供了一种耦合电流测量方法，用于在家用或者工业现场的应用中检测多条交流供电线路之间的耦合电流，包括：

将限流电阻连接在一断开供电线路的火线和一未断供电线路的零线之间，以形成耦合电流通路，其中，与采样单元连接的未断开交流供电线路的零线可以是所述多条交流供电线路的公共零线或是一单独未断开供电线路的零线；

将电流互感器设置为与耦合电流通路结合，从而在有耦合电流通过时可以在电流互感器的次级绕组上感应出与耦合电流数值对应的感应电流信号；以及

将电流互感器感应出的电流信号转换为电压信号，并将所述电压信号放大和处理，将处理后得到的耦合电流值信号以可视或是可听的方式表示，其中：

所述限流电阻设置为将已断开供电线路上的耦合电流引入，且所述电流互感器设置为将所述已断开供电线路上的耦合电流信号按预定比例转换为电流测量信号。

附图说明

本发明提出的耦合电流测量装置的优点、特征以及详细结构和工作过程，将参照下列附图进行详细说明：

图1是耦合电流产生的原理图；

图2是依照本发明实施例的耦合电流检测装置的连接示意图；

图3是依照本发明实施例的耦合电流检测装置的功能框图；

图4是依照本发明一种实施方式的耦合电流检测装置的结构示意图；

图5是依照本发明另一种实施方式的耦合电流检测装置的结构示意图；以及

图6是依照本发明一种实施方式的耦合电流检测方法的流程图。

具体实施方式

图2示出了耦合电流测量系统的示意性结构图。在图中通过电流测量单元对两条不同供电线路之间是否存在耦合电流进行测量。与图1所示类似，用电设备21的供电线路已经断开，用电设备22的供电线路工作正常。如上所述，如果设备22和21的供电线路设置为彼此临近，就有可能通过耦合电容在21的线路中产生耦合电流。在负载21的火线L和负载21、22的公共零线N之间连接探测器23，用于测量负载21的线路L上是否有耦合电流，以及该线路上耦合电流的总值。也可以将探测单元23连接在负载21的火线和负载22的零线之间，这种连接方式可以测量在负载22的供电线路与负载21的供电线路之间的耦合效应所产生的电流。

图3示出了测量单元23的示意性结构。测量单元包括采样单元301、放大单元302、处理单元303、输出单元304以及供电单元305。其中，采样单元测量断开线路上耦合电流的数值，并将测量所得的电流数值提供给放大单元。放大单元用于对测量信号进行滤波和放大，并将放大信号提供给处理单元。处理单元接受测量信号，并判断线路上存在的耦合电流是否对用户或用电设备构成风险，并按照判断结果给输出单元提供用于输出的信号。输出单元以一种便于知晓的方式向用户提示测量的结果。供电单元给上述各个单元提供能量。

图4示出测量单元的一种优选实施方式，其中采用电流互感器415作为感应器件来检测负载21的L线中是否具有耦合电流。作为电力系统中一种执行测量和保护功能的常用器件，电流互感器是一种升压降流变压器，它将通过一次绕组的大电流按比例转换成二次绕组中的小电流。

如上所述，将耦合电流检测单元连接在断开线路的火线和未断线路的零线或公共的零线之间。除了电流互感器415外，还将限流电阻414与互感器串联连接在检测回路中。通过电阻414和互感器一次绕组的耦合电流在互感器二次绕组上感应出测量电流。按照互感器一次二次段电流计算公式I₁N₁＝I₂N₂，感应出的测量电流与实际的耦合电流之间的比例与互感器一次二次绕组之间线圈匝数的比例成反比。

互感器415的感应电流信号输入放大单元413。可以采用集成运放或类似芯片、或采用分立元件组成的放大电路(例如三极管，场效应管，电子管等)构成该放大单元。在采用电流互感器单元的情况下，互感器所感应出的电流在放大单元内通过限流、钳位、采样电阻(图中未示出放大单元内部的详细结构)，并转换为电压信号。放大单元413中的集成运算放大器将电压信号放大，并输出给信号处理单元MCU。

在图4所示实施例中，采用微处理器MCU构成处理单元。该信号处理单元还可以采用比较器、集成运放或类似功能的芯片来实现；也可以采用分立元件组成的信号处理电路，例如三极管、场效应管、电子管等实现；或者也可以采用微处理器芯片，例如单片机DSP、ARM等来实现。

处理单元MCU通过内部的模/数转换单元将电压模拟信号转换成数字信号，并利用采样电阻的数值和电流互感器的转换比计算出在互感器一次端的耦合电流值。处理单元可以直接将表示耦合电流值的信号发送给输出单元412。

在另一种实施例中，处理单元将转换得到的耦合电流数值与预定的耦合电流阈值进行比较。在转换得到的测量电流数值大于预先设置的阈值时，表示所测量线路上的耦合电流可以导致触电危险。此时，除了测量到的电流值之外，处理单元还将表示存在触电危险的警告信号一并传送到输出单元412。输出单元412通过声光电等手段以显著的方式提示用户潜在的触电危险。在计算得到的测量耦合电流信号小于预置的阈值时，表示所测量线路上没有耦合电流或只有很低的耦合电流，处理单元将测量的耦合电流数值和表示没有触电危险的信号提供给输出单元412。

可以由处理单元MCU直接驱动输出单元412，也可以由分立元件组成的驱动器电路驱动。可以采用反向器或是其它具有驱动功能的电路。用于输出的部件可以采用多段LED(如图4所示)、LCD、发光二极管、数码管等来显示耦合电流数值，或表示是否有触电危险的提示信息。也可以采用磁性元件、继电器、磁锁器提供有源或无源输出，或者也可以通过其他机械方式对此进行指示。检测单元的用户在看到输出单元所显示的检测结果之后，就可以清楚地意识到已断开线路上耦合电流是否构成触电危险。

电源单元411用于给各个上述单元提供能源。电源可以采用下列供电方式中的至少一种实现：电池供电、采用DC-DC模块、AC-DC模块、先AC-DC，再DC-DC模块、或者通过电流互感器从电网输电线间接取电。其他现有技术的适当供电方式，都可以结合在本发明的技术方案之中。

图5示出另一种优选实施方式，其中采用光电耦合器件515作为电流感应器件来检测已断开线路的L线中是否存在耦合电流。光电耦合器以光为媒介传输电信号，经过限流电阻514输入的耦合电信号驱动光电耦合器515中的发光二极管(LED)，使之以一定波长发出与耦合电流数值相对应的光信号，光电耦合器中与LED对应的光探测器接收上述光信号，并产生与耦合电流相应的的光电流信号，提供给放大单元513。

在采用线性光耦单元515的情况下，只有在耦合电流流过电阻514时，光耦才导通，并从光探测器输出光电流信号。按照与第一实施例类似的方式，光电流信号经过采样电阻转变为电压信号，并在放大单元513中放大后传送给信号处理单元。信号处理单元MCU对放大的电压信号进行处理，将表示电流数值的信号或表示是否存在触电风险的警告信号供给输出单元512。输出单元512以一种可视的表达方式将耦合电流的测量结果显示给操作人员。电源单元511可以利用各种可行的方式给上述各个单元提供能源。

在另一种优选实施方式中，也可以通过声音警报方式输出耦合电流测量结果。首先由处理单元303获取并计算所测量耦合电流的数值，并且在比较器中计算得到所测量的耦合电流大于预定的阈值时，通过扬声器304输出比较尖锐的声响作为报警信号，以提示用户存在触电危险。在计算得到所测量的耦合电流小于或等于预定的阈值时，通过扬声器304输出比较平和的声响，以表示所测量线路安全。

或者，也可以在处理单元303中结合音频处理单元，用于将计算得到的耦合电流数值转换为相应的语音信号，并输出给扬声器304。扬声器根据接收到的语音信号，输出语音表示的电流数值，例如：“现在电流数值五十毫安”。用户可以依照听到的电流数值判断是否存在触电危险。

图6示出了依照本发明实施方式的耦合电流检测方法。在步骤601中，将电阻连接在已断开供电线路的火线(待测量线路)和各供电线路的公共零线之间，从而在待测量线路上产生耦合电流。随后在步骤602中，将耦合电流检测单元以与该电阻串联连接的方式接入耦合电流通路。

在步骤603中，通过电流检测单元获得电流检测值，并将其输出到处理单元。在步骤604中，处理单元判断所获得的电流检测值是否为零，在检测值为零的时候，流程前进到步骤606。在步骤606中，处理单元将表示没有耦合电流的信号输出到显示单元。在步骤609中，显示单元按照从处理单元获得的信号，将供电线路上没有耦合电流的信息显示给用户。

在步骤604中判断检测电流值不为零的时候，流程前进到步骤605。在步骤605中，处理单元进一步判断该检测到的电流数值是否大于预先设置的阈值。在该检测电流值不大于阈值时，前进至步骤608；在该检测电流值大于阈值时，前进至步骤607。

在步骤608中，处理单元将电流的数值和表示没有触电危险的提示信号提供给输出单元。在步骤611中，显示单元按照从处理单元获得的信号，将供电线路上存在的耦合电流数值和该耦合电流不构成对用户的触电危险的信息显示给用户。

在步骤607中，处理单元将电流的数值和表示存在触电危险的提示信号提供给输出单元。在步骤610中，显示单元按照从处理单元获得的信号，将供电线路上存在的耦合电流数值和该耦合电流已经构成对用户的触电危险的信息显示给用户。

需要注意的是，尽管本发明采用各种具体的实施方式对多条交流供电线路之间耦合电流的检测方案进行说明，但是本发明并不限于上述具体例子的描述，例如，在其它的实施方式中也可以直接采用采样阻抗等对耦合电流进行采样。只要能满足本发明所描述方案的要求，其他用作放大单元、处理单元和输出单元的元器件也可以优选地被用作检测装置的一部分。本发明的保护范围在所附的权利要求描述，而不受到上述优选实施例的限制。

Claims (5)

1.一种耦合电流检测系统，用于在家用或者工业现场的应用中检测多条交流供电线路之间的耦合电流，所述检测系统包括：

采样单元(301)，用于探测已断开的供电线路(21)和未断开的供电线路(22)之间是否存在耦合电流，并产生表示该耦合电流数值的测量信号；

放大单元(302)，用于将所述采样单元(301)产生的测量信号转换成电压测量信号，并将所转换的电压测量信号放大；

处理单元(303)，用于接收和处理所述电压测量信号，并将处理后得到的耦合电流值信号传送到输出单元；

输出单元(304)，用于接收所述耦合电流值信号，并以可视或可听的方式将该耦合电流值信号表示给用户；

其中所述采样单元连接在一断路的交流供电线路的火线(L)和一未断开交流供电线路的零线(N)之间，与所述采样单元连接的未断开交流供电线路的零线可以是所述多条交流供电线路的公共零线或是一单独未断开供电线路的零线，且所述采样单元(301)包括：

电流互感器(415)，用于将所述已断开的供电线路(21)上的耦合电流信号按预定比例转换为电流测量信号；以及

耦合电流引导部件，用于将所述已断开的供电线路(21)上的耦合电流引入所述采样单元。

2.根据权利要求1所述的耦合电流检测系统，其中

所述处理单元(303)可以包括下列器件中的至少一种：比较器、集成运放、分立元件组成的信号处理电路、或微处理器。

3.根据权利要求1所述的耦合电流检测系统，其中

所述输出单元(304)可以由下列器件中的至少一种实现：LCD显示器、多段式LED显示器、发光二极管、数码管、液晶灯显示、扬声器、磁性元件、继电器、磁锁器、或机械指示装置。

4.根据权利要求1所述的耦合电流检测系统，其中

还包括电源(305)，用于给所述采样单元(301)、处理单元(303)和输出单元(304)提供能源；

所述电源(305)可以包括下列模块中的至少一种：DC-DC供电模块、AC-DC供电模块、先AC-DC再DC-DC供电模块，或由采样单元(301)从供电线路上取电的供电模块。

5.一种耦合电流测量方法，用于在家用或者工业现场的应用中检测多条交流供电线路之间的耦合电流，包括：

将限流电阻连接在一断开供电线路的火线和一未断供电线路的零线之间，以形成耦合电流通路，其中，与采样单元连接的未断开交流供电线路的零线可以是所述多条交流供电线路的公共零线或是一单独未断开供电线路的零线；

将电流互感器设置为与耦合电流通路结合，从而在有耦合电流通过时可以在电流互感器的次级绕组上感应出与耦合电流数值对应的感应电流信号；以及

将电流互感器感应出的电流信号转换为电压信号，并将所述电压信号放大和处理，将处理后得到的耦合电流值信号以可视或是可听的方式表示，其中：

所述限流电阻设置为将已断开供电线路上的耦合电流引入，且所述电流互感器设置为将所述已断开供电线路上的耦合电流信号按预定比例转换为电流测量信号。