CN103308807A - 互感器状态检测装置及断路器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种互感器状态检测装置。本发明的互感器状态检测装置根据互感器各种工作状态下内阻的变化，利用独立的状态检测电路、电平转换电路将这种内阻变化转化为电平波形的变化，最后根据不同的电平波形判断出互感器当前的工作状态。本发明还公开了一种采用上述互感器状态检测装置的断路器。相比现有技术，本发明不仅可以对互感器的断线故障进行检测，还可对其它故障所导致的互感器内阻变化进行准确检测，可大幅提高系统整体安全性；本发明使用了独立的检测电路，克服了互感器状态检测对电流信号采样的影响，提高了智能断路器的电流测量精度。

Description

互感器状态检测装置及断路器

技术领域

本发明涉及一种互感器状态检测装置，用于对互感器的工作状态是否正常进行在线检测。

背景技术

目前，集保护、测量、监控于一体的低压智能断路器已经成为低压电器的发展趋势，作为其核心部件的智能控制器包括了电流电压传感器、信号处理显示和控制执行等多方面功能，其中电流/电压互感器为后续处理和控制提供了信息来源，是保证断路器正常工作的前提条件。电流/电压互感器是智能断路器实现电流/电压测量、保护的基础部件，其工作的可靠性直接关系着断路器的整体可靠性。智能断路器中的互感器运行时间较长、环境较复杂，必须具有较好的可靠性，保证断路器正常工作。一旦互感器出现故障，轻则影响断路器电力参数的测量，严重时会导致断路器误动作。因此，监测互感器的工作状态，对提高智能断路器工作可靠性具有重要的意义。

在现有技术中，大多数智能断路器均不具有对互感器状态进行监测的功能，而少数带有电流互感器状态监测功能的断路器，只能判别电流互感器是否断线，而无法判别电流互感器变阻。例如一篇中国发明专利申请（申请号为20111005974.8）描述了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，在电流互感器与电流信号采集电路之间加入一个接地电阻，通过检测电流信号调理电路的输出电压来判别电流互感器是否断线。另外一篇中国发明专利申请（申请号为20101056781.4）描述了一种电流互感器断线检测方法，通过软件对电流采样信号进行计算及比较来判别电流互感器是否断线。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有互感器检测装置只能对互感器是否断线进行检测的不足，提供一种互感器状态检测装置，不仅能判别互感器是否断线，还能判别互感器是否变阻，从而对互感器的自身状态进行更准确的在线监测。

本发明的互感器状态检测装置，包括状态检测电路、电平转换电路及波形检测单元；所述状态检测电路包括第一直流电源、第一电阻、第二电阻，第一电阻、第二电阻串联于所检测互感器二次线圈的两端之间，第一直流电源的正极接入第二电阻与所检测互感器二次线圈间的连线；所述电平转换电路包括第二直流电源、三极管、第三电阻、第四电阻，所述三极管的基极接入第一电阻与第二电阻之间的连线，集电极串接第三电阻后与第二直流电源的正极连接，第四电阻跨接于所述三极管的基极与发射极之间；所述第一直流电源负极、第二直流电源负极、三极管的发射极的电势相同；所述波形检测单元与所述三极管的集电极连接，并根据所检测到的三极管集电极的电平波形判断互感器的状态；所述各电阻及直流电源之间满足以下条件：R2>>R1>>RL，R1与R4为一个量级，且

的值刚好大于所述三极管的导通电压；其中R1、R2、R4分别为第一电阻、第二电阻、第四电阻的电阻值，V₁为第一直流电源的输出电压，RL为所检测互感器正常情况下的内阻。

进一步地，所述三极管的发射极与一可输出不同电平的检测控制单元连接，通过调整检测控制单元的输出电平可控制所述互感器状态检测装置工作与否。

对于类似断路器这种应用而言，通常需要设置多个互感器以对各相电流分别进行监测，因此可以对每个互感器均设置一套上述的互感器状态检测装置，然而，这种方式所耗费的元器件数量过多，经济性不佳。为了减少元器件使用量，降低成本，本发明基于相同的发明构思，提出了另外一种互感器状态检测装置，用于对至少两个互感器的状态进行检测，所述互感器状态检测装置包括至少两个状态检测电路以及一个电平转换电路、一个波形检测单元；每个状态检测电路对应于一个待检测互感器，各状态检测电路均包括第一直流电源、第一电阻、第二电阻，第一电阻、第二电阻串联于所检测互感器二次线圈的两端之间，第一直流电源的正极接入第二电阻与所检测互感器二次线圈间的连线；所述电平转换电路包括第二直流电源、三极管、第三电阻、第四电阻，所述三极管的基极通过一个多路开关接入各状态检测电路中第一电阻与第二电阻之间的连线，集电极串接第三电阻后与第二直流电源的正极连接，第四电阻跨接于所述三极管的基极与发射极之间；所述各状态检测电路中的第一直流电源负极与第二直流电源负极、三极管的发射极的电势相同；所述波形检测单元与所述三极管的集电极连接，并根据所检测到的三极管集电极的电平波形判断当前所连接互感器的状态；每个状态检测电路中的电阻、直流电源与所述电平转换电路中的电阻、直流电源之间满足以下条件：

R2>>R1>>RL，R1与R4为一个量级，且

的值刚好大于所述三极管的导通电压；其中R1、R2、R4分别为第一电阻、第二电阻、第四电阻的电阻值，V₁为第一直流电源的输出电压，RL为所检测互感器正常情况下的内阻。

相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：

一、本发明不仅可以对互感器的断线故障进行检测，还可对其它故障所导致的互感器内阻变化进行准确检测，可大幅提高系统整体安全性。

二、本发明使用了独立的检测电路，克服了互感器状态检测对电流信号采样的影响，提高了智能断路器的电流测量精度。

附图说明

图1为本发明的互感器状态检测装置的电路原理图；

图2（a）～图2（d）为互感器各状态下C点电平波形比较；

图3为本发明第一个实施例的电路图；

图4为本发明第二个实施例的电路图；

图5为本发明第二个实施例中多路模拟开关的逻辑功能表；

图6为本发明断路器的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

本发明的互感器状态检测装置，其基本电路如图1所示，包括所检测互感器的二次线圈L1，电阻R1、R2、R3、R4，三极管V1，一个直流电源V_D1和一个直流电源V_D2。如图所示，二次线圈L1和电阻R1、R2串联，直流电源V_D1的正极接入电阻R2与二次线圈L1之间的连线，构成状态检测电路。直流电源V_D2的正极通过电阻R3与三极管V1的集电极连接，三极管V1的基极与电阻R1、R2之间连线上的A点连接，电阻R4跨接于三极管V1的基极与发射极之间。直流电源V_D1和直流电源V_D2的负极、电阻R4的一端、三极管V1的发射极的电势相等（例如相互之间直接连接或者分别接地）。电阻R3、R4，三极管V1，以及直流电源V_D2共同构成本发明的电平转换电路。电阻R3与三极管V1的集电极之间连线上的任一点C点连接有一波形检测单元（图中未示出），可对C点的电平波形进行检测分析。如以RL表示所检测互感器的正常情况下（无故障）的内阻，则电阻R1、R2应满足：R2>>R1>>RL，R1与R4为一个量级，例如，当RL为30Ω时，R1、R2、R4的阻值可分别设置为3kΩ、300kΩ、1.2kΩ。此外，直流电源V_D1、三极管V1、电阻R1、R4之间满足以下关系：的值刚好大于所述三极管V1的导通电压VBE（sat),其中V₁表示直流电源V_D1的输出电压。

根据基本电路原理可知，图中A点电压V_A为：

$V_A=(V_1+V\stackrel{\·}{L})*\left(\frac{R4}{\frac{(R1+{\mathrm{RL}}^{*})*R2}{R1+{\mathrm{RL}}^{*}+R2}}\right),$

其中

为电流互感器二次输出电压，RL^*为互感器当前的实际内阻。

因R2>>R1，上式可简化为：

$V_A\≈(V_1+V\stackrel{\·}{L})*\left(\frac{R4}{R1+{\mathrm{RL}}^{*}+R4}\right),$

V_A电压的大小控制着三极管V1的工作状态，则互感器一次电流的一个周波内，C点电平随之变化。

当所检测互感器出现断线或其它导致内阻变化的故障时，集电极电压（即C点电平）的波形会随故障类型呈现不同的形状，从而可根据波形判断出互感器的工作状态。下面分别对各故障情况进行分析。

（1）互感器正常：

1、当互感器一次电流为零时(信号过零点)，其二次输出电压

也为零，则A点电压V_A为：

$V_A\≈{V_1}^{*}\left(\frac{R4}{R1+{\mathrm{RL}}^{*}+R4}\right),$

由于

的值刚好大于所述三极管V1的导通电压VBE（sat），且RL^*等于RL，则三极管V1导通，其集电极电压VC为低电平；

2、当互感器一次电流不为零时：当互感器二次输出电压

为正半波时，V_A为始终大于VBE（sat），三极管V1导通，其集电极电压VC为低电平；当互感器二次输出电压

为负半波时，V_A始终小于VBE（sat），三极管V1截止，其集电极电压VC为高电平。

这样，当互感器正常时，波形检测单元所检测到的C点电平波形如图2（a）所示。

（2）互感器故障导致其内阻变大：

则在互感器一次电流的一个周波内，C点电平按照以下方式变化：

1、当互感器一次电流为零时(信号过零点)，其二次输出电压

也为零，则A点电压V_A为：

$V_A\≈{V_1}^{*}\left(\frac{R4}{R1+{\mathrm{RL}}^{*}+R4}\right),$

由于

的值刚好大于所述三极管V1的导通电压VBE（sat），而RL^*大于RL，则此时三极管V1截止，集电极电压VC为高电平；

2、当互感器一次电流不为零时：当互感器二次输出电压

为正半波时且幅值达到一定程度（由RL^*决定，RL^*的值越大，则相应的需达到的幅值越大）时，V_A才大于VBE（sat），三极管V1导通，集电极电压VC为低电平。当互感器二次输出电压

为负半波时，V_A始终小于VBE（sat），三极管V1截止，集电极电压VC为高电平。

这样，当互感器故障导致其内阻变大时，波形检测单元所检测到的C点电平波形如图2（b）所示。

（3）互感器故障导致其内阻变小：

在互感器一次电流的一个周波内，C点电平按照以下方式变化：

1、当互感器一次电流为零时(信号过零点)，其二次输出电压

也为零，则A点电压V_A为：

$V_A\≈{V_1}^{*}\left(\frac{R4}{R1+{\mathrm{RL}}^{*}+R4}\right),$

由于

的值刚好大于所述三极管V1的导通电压VBE（sat），而RL^*小于RL，则此时三极管V1导通，集电极电压VC为低电平；

2、当互感器一次电流不为零时：当互感器二次输出电压

为正半波时，V_A为始终大于VBE（sat），三极管V1导通，集电极电压VC为低电平；当互感器二次输出电压

为负半波且幅值达到一定程度（由RL^*决定，RL^*的值越小，则相应的需达到的幅值越大）时，V_A才小于VBE（sat），三极管V1截止，集电极电压VC为高电平。

这样，当互感器故障导致其内阻变小时，波形检测单元所检测到的C点电平波形如图2（c）所示。

（4）互感器断线：

互感器断线可看作内阻变大的极端情况，根据基本电路知识可知此时A点电压V_A为：

$V_A=V_1\×\frac{R4}{R2+R4},$

由于R2>>R1>>RL，因此V_A远小于

三极管V1始终截止，集电极电压VC持续为高电平，波形检测单元所检测到的C点电平波形如图2（d）所示。

这样，根据所检测到的C点电平波形即可准确判断出互感器的工作状态。

为了能够灵活控制互感器状态检测，还可以将三极管的发射极与一可输出不同电平的检测控制单元连接，通过调整检测控制单元的输出电平来控制互感器状态检测装置工作与否，当检测控制单元输出低电平时，正常进行互感器状态检测；当检测控制单元输出高电平时，停止互感器状态检测。互感器状态检测可以设置为定时自动进行，也可通过手动进行。

图3显示了本发明互感器状态检测装置的一个实施例的电路图。本实施例中，波形检测单元采用微处理器，如图所示，微处理器的端口I/O1与C点连接，接收三极管V1的集电极电压信号；微处理器的端口I/O2与三极管的发射极连接，作为检测控制单元，当端口I/O2为低电平时，进行互感器状态检测，当端口I/O2为高电平时，不进行互感器状态检测。微处理的A/D端口通过电流信号处理电路与电阻R1与R2之间连线相连接，进行正常的互感器二次电流采样及处理。本实施例中，三极管V1的型号为9013，其导通电压VBE（sat）为0.7V，第一直流电源、第二直流电源的输出电压分别为2.5V、5V，R1、R2、R4的阻值分别设置为3kΩ、300kΩ、1.2kΩ，所检测互感器正常情况下的内阻为30Ω。此时，

约为0.71V，刚好大于0.7V的三极管导通电压。

这样，微处理器的端口I/O1所检测的C点电平会随互感器L1的状态不同而变化，各种情况下的波形如图2所示。微处理器根据所检测到波形即可判断互感器L1的工作状态：当波形类似图2中的波形A时，互感器正常；波形类似图2中的波形B时，互感器内阻增大异常；波形类似图2中的波形C时，互感器内阻变小异常；当波形为图2中的波形D时，说明互感器断线。

上述实施例中的互感器状态检测装置仅能对一个互感器进行实时在线检测，对于类似断路器这种应用而言，通常需要设置多个互感器以对各相电流分别进行监测，因此可以对每个互感器均设置一套上述的互感器状态检测装置。然而这种方式所耗费的元器件数量过多，经济性不佳。为了减少元器件使用量，降低成本，本发明基于相同的发明构思，提出了另外一种互感器状态检测装置，用于对至少两个互感器的状态进行检测，所述互感器状态检测装置包括至少两个状态检测电路以及一个电平转换电路、一个波形检测单元；每个状态检测电路对应于一个待检测互感器，各状态检测电路均包括第一直流电源、第一电阻、第二电阻，第一电阻、第二电阻串联于所检测互感器二次线圈的两端之间，第一直流电源的正极接入第二电阻与所检测互感器二次线圈间的连线；所述电平转换电路包括第二直流电源、三极管、第三电阻、第四电阻，所述三极管的基极通过一个多路开关接入各状态检测电路中第一电阻与第二电阻之间的连线，集电极串接第三电阻后与第二直流电源的正极连接，第四电阻跨接于所述三极管的基极与发射极之间；所述各状态检测电路中的第一直流电源负极与第二直流电源负极、三极管的发射极的电势相同；所述波形检测单元与所述三极管的集电极连接，并根据所检测到的三极管集电极的电平波形判断当前所连接互感器的状态；每个状态检测电路中的电阻、直流电源与所述电平转换电路中的电阻、直流电源之间满足以下条件：R2>>R1>>RL，R1与R4为一个量级，且

的值刚好大于所述三极管的导通电压；其中R1、R2、R4分别为第一电阻、第二电阻、第四电阻的电阻值，V₁为第一直流电源的输出电压，RL为所检测互感器正常情况下的内阻。

该方案的一个实施例的电路如图4所示。如图所示，该装置包括多个状态检测电路、一个电平转换电路、一个波形检测单元以及一个多路开关。每个状态检测电路对应于一个待检测互感器（为简便起见，图中仅绘出了一个状态检测电路），各状态检测电路的结构与上一实施例相同，均包括一个2.5V直流电源和电阻R1、R2，电阻R1、R2串联于所检测互感器二次线圈的两端之间，2.5V直流电源的正极接入第二电阻与所检测互感器二次线圈间的连线。电平转换电路也与上一实施例相同，包括5V直流电源、三极管V1、电阻R3、R4，三极管V1的基极通过多路开关接入各状态检测电路中电阻R1与电阻R2之间的连线，集电极串接电阻R3后与5V直流电源的正极连接，电阻R4跨接于三极管V1的基极与发射极之间。波形检测单元采用微处理器。本实施例中，多路开关采用型号为74HC4051的多路模拟开关，其逻辑功能表如图5所示。图4中的R5、R6、R7为下拉电阻，防止系统上电时多路模拟开关信号选择端电平不稳定。微处理器端口I/O1接收互感器状态检测信号。微处理器端口I/O2、I/O3、I/O4控制多路模拟开关信号选择端。A、B、C、N相的状态检测电路中的A点（电阻R1和R2之间连线上任一点）分别连至多路模拟开关的1（X4）、5（X5）、2（X6）、4（X7）脚，当微控制器控制多路模拟开关选通脚9（C）、10（B）、11（A）分别为H、L、L时，1脚（X4）导通，进行A相电流互感器状态检测；分别为H、L、H时，5脚（X5）导通，进行B相电流互感器状态检测；分别为H、H、L时，2脚（X6）导通，进行C相电流互感器状态检测；分别为H、H、H时，4脚（X7）导通，进行N相电流互感器状态检测。

图6显示了采用本发明的互感器状态检测装置的断路器的结构，如图所示，其中互感器状态检测装置中的波形检测单元直接采用断路器控制器中的微处理器。如图所示，电流互感器安装于断路器中，其二次输出与智能控制器相连。智能控制器包括电流信号处理电路、本发明的互感器状态检测装置、微处理器电路、显示电路、脱扣执行电路。电流信号处理电路对三相电流信号进行实时采集，并将采集后的信号送到微处理器电路处理。当微处理器接收到异常信号时，发出脱扣指令到脱扣执行电路，控制脱扣执行元件动作。显示电路用于智能控制器各种状态及参数的显示。互感器状态检测装置与电流互感器二次线圈相连，对电流互感器的状态进行检测并将检测到的信号送入微处理器电路处理。微处理器电路可根据检测到的互感器状态进行相应处理，例如对互感器状态异常进行报警，或者判断电流信号处理电路所采集的三相电流信号是否可信以及是否需要进行脱扣保护动作。

本发明的互感器状态检测装置不仅可以对互感器的断线故障进行检测，还可对其它故障所导致的互感器内阻变化进行准确检测，可大幅提高系统整体安全性；本发明使用了独立的检测电路，克服了互感器状态检测对电流信号采样的影响，提高了智能断路器的电流测量精度。

Claims (5)

1.一种互感器状态检测装置，其特征在于，包括状态检测电路、电平转换电路及波形检测单元；所述状态检测电路包括第一直流电源、第一电阻、第二电阻，第一电阻、第二电阻串联于所检测互感器二次线圈的两端之间，第一直流电源的正极接入第二电阻与所检测互感器二次线圈间的连线；所述电平转换电路包括第二直流电源、三极管、第三电阻、第四电阻，所述三极管的基极接入第一电阻与第二电阻之间的连线，集电极串接第三电阻后与第二直流电源的正极连接，第四电阻跨接于所述三极管的基极与发射极之间；所述第一直流电源负极、第二直流电源负极、三极管的发射极的电势相同；所述波形检测单元与所述三极管的集电极连接，并根据所检测到的三极管集电极的电平波形判断互感器的状态；所述各电阻及直流电源之间满足以下条件：R2>>R1>>RL，R1与R4为一个量级，且                                               

的值刚好大于所述三极管的导通电压；其中R1、R2、R4分别为第一电阻、第二电阻、第四电阻的电阻值，V₁为第一直流电源的输出电压，RL为所检测互感器正常情况下的内阻。

2.如权利要求1所述互感器状态检测装置，其特征在于，所述三极管的发射极与一可输出不同电平的检测控制单元连接，通过调整检测控制单元的输出电平可控制所述互感器状态检测装置工作与否。

3.一种互感器状态检测装置，用于对至少两个互感器的状态进行检测，其特征在于，所述互感器状态检测装置包括至少两个状态检测电路以及一个电平转换电路、一个波形检测单元；每个状态检测电路对应于一个待检测互感器，各状态检测电路均包括第一直流电源、第一电阻、第二电阻，第一电阻、第二电阻串联于所检测互感器二次线圈的两端之间，第一直流电源的正极接入第二电阻与所检测互感器二次线圈间的连线；所述电平转换电路包括第二直流电源、三极管、第三电阻、第四电阻，所述三极管的基极通过一个多路开关接入各状态检测电路中第一电阻与第二电阻之间的连线，集电极串接第三电阻后与第二直流电源的正极连接，第四电阻跨接于所述三极管的基极与发射极之间；所述各状态检测电路中的第一直流电源负极与第二直流电源负极、三极管的发射极的电势相同；所述波形检测单元与所述三极管的集电极连接，并根据所检测到的三极管集电极的电平波形判断当前所连接互感器的状态；每个状态检测电路中的电阻、直流电源与所述电平转换电路中的电阻、直流电源之间满足以下条件：R2>>R1>>RL，R1与R4为一个量级，且

的值刚好大于所述三极管的导通电压；其中R1、R2、R4分别为第一电阻、第二电阻、第四电阻的电阻值，V₁为第一直流电源的输出电压，RL为所检测互感器正常情况下的内阻。

4.如权利要求3所述互感器状态检测装置，其特征在于，所述三极管的发射极与一可输出不同电平的检测控制单元连接，通过调整检测控制单元的输出电平可控制所述互感器状态检测装置工作与否。

5.一种断路器，包括互感器及用于对所述互感器的状态进行检测的互感器状态检测装置，其特征在于，所述互感器状态检测装置为权利要求1或3所述互感器状态检测装置。

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