CN103424643A

CN103424643A - 接地故障检测装置

Info

Publication number: CN103424643A
Application number: CN2012101605089A
Authority: CN
Inventors: 陈�全; 杨春豹; 楼永伟
Original assignee: SHANGHAI JUCI INDUSTRIAL Co Ltd
Current assignee: ZHEJIANG JUCI INTELLIGENT TECHNOLOGY CO., LTD.
Priority date: 2012-05-22
Filing date: 2012-05-22
Publication date: 2013-12-04
Anticipated expiration: 2032-05-22
Also published as: CN103424643B

Abstract

本发明涉及一种接地故障检测装置，包括用于插入测定对象第一导线和第二导线的磁环以及缠绕在磁环上的线圈、电源、振荡电路、滤波电路、调零电路、整流电路；所述振荡电路输出端接滤波电路输入端，滤波电路输出端接调零电路输入端，调零电路输出端接整流电路输入端，依据整流电流输出端的电压来检测漏电的发生。本发明具有如下优点：1)振荡电路两个比较器可持续振荡检测漏电流，无需外接激励源；2)滤波电路由两个二阶滤波器VCVS LPF的级联，结果更加精确；3)整流电路，采用1/2整流，输出电压值不大，方便了CPU的读取；4)通过自检电路不仅可以了解其输出特性，还可以知道设备否能正常工作。5)本发明可广泛用于光伏逆变器、UPS、家用电器等诸多方面。

Description

接地故障检测装置

技术领域

本发明涉及一种故障检测技术领域，尤其涉及一种检测漏电流的接地故障检测装置。

背景技术

目前太阳能发电系统主要用于边远地区，许多电站无人值守和维护，这就要求太阳能逆变器具有合理的电路结构，严格的元器件筛选，并且逆变器还应具有各种保护功能，如输入直流极性接反保护、交流输出短路保护、过热、过载保护，同时还应对逆变器产生的漏电流进行检测，并确定漏电流是否对逆变器的正常工作产生影响。因此，如何更精确、更快速检测出突变电流以及产生的时间，对推动太阳能光伏发电事业具有重大影响。

电子产品安全规范要求，电力电子产品必须能保障使用人员的安全问题。现在各个国家都对安规提出了自己的要求，如美国的UL，德国的VDE等标准，我国也有严格的安全规范要求，漏电流的检测是一件极为重要的工作。

发明内容

本发明的目的是是针对现有技术不足之处而提供一种性能优良，性价比高的接地故障检测装置。

本发明通过以下技术方案于以实现：一种接地故障检测装置，包括用于插入测定对象第一导线和第二导线的磁环以及缠绕在磁环上的线圈、电源，其特在于，还有振荡电路、滤波电路、调零电路、整流电路；其中：

所述振荡电路由比较器U1、U2，运算放大器U3，三极管Q1、Q2，缠绕在磁环TX1一侧的线圈，电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R8、R35组成；所述比较器U1、U2的同相端与反相端分别相连，比较器U2的同相端与反相端分别通过电阻R6、R35和R8接地，比较器U1、U2的输出端通过电阻R1、R3分别连接到运算放大器U3的同相端与反相端，运算放大器U3的同相端通过电阻R2接地，运算放大器U3的输出端接三极管Q1、Q2的基极，三极管Q2的发射极与Q1发射极相连，Q2的集电极与Q1的集电极分别接入正/负供电电源，三极管Q1的集电极分别与电阻R4、R5、磁环TX1线圈连接，电阻R4另一端与电阻R3、运算放大器U3反相端连接，电阻R5另一端与比较器U1的反相端连接，磁环TX1线圈另一端与R35、R8连接点构成振荡电路的输出端；

所述滤波电路由运算放大器U4、U5，电容C1、C2、C3、C4，电阻R9、R11、R12、R13、R16、R17、R18、R19组成，所述电阻R9一端为滤波电路的输入端、另一端与电容C1、电阻R11连接，电容C1另一端与运算放大器U4输出端连接，电阻R11另一端与电容C2、运算放大器U4反相端连接，电容C2另一端接地，运算放大器U4同相端与电阻R12、R13连接，电阻R13另一端接地，电阻R12另一端与运算放大器U4输出端连接，同时与电阻R16连接，电阻R16另一端与电容C3、电阻R17连接，电容C3另一端与运算放大器U5输出端连接，电阻R17另一端与电容C4、运算放大器U5反相端连接，电容C4另一端接地，运算放大器U5同相端与电阻R18、R19连接；电阻R19另一端接地，电阻R18另一端与运算放大器U5输出端连接构成滤波电路输出端；

所述调零电路由运算放大器U6、电阻R27、R28、R29、R30、R31组成，所述电阻27一端为调零电路的输入端、电阻R27另一端与运算放大器U6的反相端、R28连接，运算放大器U6同相端与电阻R29、R31连接，电阻R29另一端与正电源连接，电阻R31另一端通过电阻R30与负电源连接，电阻R28另一端与运算放大器U6输出端连接构成调零电路输出端；

所述整流电路由运算放大器U7，二极管D1、D2，电阻R20、R21、R22组成，所述电阻R20、电阻R22的一端为整流电路的输入端、电阻R20的另一端与电阻R21、二极管D1、运算放大器U7反相端连接，运算放大器U7同相端接地，二极管D1另一端与运算放大器U7输出端接二极管D2、二极管D2另一端与电阻R22另一端、电阻R21另一端并接构成整流电路输出端；

所述振荡电路输出端接滤波电路输入端，滤波电路输出端接调零电路输入端，调零电路输出端接整流电路输入端，整流电路输出端外接微处理芯片，所述电源对所述电路供电，依据整流电流输出端的电压来检测漏电的发生。

所述磁环上设有自检电路线圈，所述自检电路由三极管Q3、二极管D4、电阻R10、R14、R15、自检电路线圈组成，所述电阻R10一端为电源输入端、电阻R10的另一端与三极管Q3基极、二极管D4阴极连接，二极管D4阳极与电阻R14一端共同接地，电阻R14另一端与二极管D4的参考极、三极管Q3发射极连接，三极管Q3集电极与自检电路线圈一端连接，线圈另一端通过电阻R15与正电源连接。

本发明的积极效果是：本发明提出的一种接地故障检测装置，具有如下优点：1)振荡电路两个比较器的同相端与反相端分别连接，可持续振荡检测漏电流，漏电流产生的感应电流和磁环固有的激磁电流叠加到检测电阻上被检测出来，工作方式更加稳定，无需外接激励源；2)滤波电路由两个二阶滤波器VCVS LPF的级联，削弱了振荡基波频率和其他高次谐波对结果的影响，使得结果更加精确；3)整流电路，采用1/2整流，将输出电压降低并且去正值，输出电压值既不会太大，同时也方便了CPU的读取；4)通过自检电路用户在使用之前对产品进行测试，不仅可以了解其输出特性，还可以知道设备否能正常工作；5)本发明既可以检测直流漏电，也可以检测交流漏电，可广泛用于光伏逆变器、UPS、家用电器等诸多方面，取得了显著的进步和高的经济效益。

附图说明：

图1为本发明的一个实施例原理方框图。

图2为图1实施例振荡电路示意图。

图3为图1实施例滤波电路示意图。

图4为图1实施例调零电路示意图。

图5为图1实施例整流电路示意图。

图6为图1实施例自检电路示意图。

图7为图1实施例第一导线和第二导线之间无漏电流时接地故障检测装置工作输出端的漏电压波形图。

图8为图1实施例第一导线和第二导线为直流电源且之间有漏电流时接地故障检测装置工作输出端漏电压波形图。

图9为图1实施例第一导线和第二导线为交流电源且之间有漏电流时接地故障检测装置工作输出端漏电压波形图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的描述：图1给出了本发明的一个实施例，图中，一种接地故障检测装置，包括：用于插入测定对象第一导线1和第二导线2的磁环3以及缠绕在磁环上的线圈、电源、振荡电路4、滤波电路5、调零电路6、整流电路7、自检电路8。本发明采用差分电流检测方法，如图1所示磁环内两根导线的电流方向相反，如果两根导线电流大小相等，则没有漏电流的存在，检测装置不会有电压输出信号；如果两根导线电流大小不等，会产生漏电流，检测装置可以测量出此时漏电流的大小，并以电压输出方式输出对应的电压值。本发明磁环上的线圈与振荡电路连接，通过比较电路以及所述线圈电流的共同作用，使得线圈可以自激励，并且产生振荡波，可以用上述线圈来感应漏电流的存在与否。振荡电路与线圈产生的信号输出到滤波电路，滤波电路对这个信号进行滤波衰减，将振荡电路的电压输出中各种谐波滤去，利于最后输出的结果更加准确。再将余下的与漏电流对应的电压信号，输出到调零电路，调零电路将电路或其他干扰因素产生的误差给降到最低，以保证最后传感器输出值的准确性。经调零后的电压信号输出到整流电路，整流电路将之前电路得到的正或负电压信号都转化为正电压信号，便于外接的微处理芯片CPU的读取。

图2为图1实施例振荡电路示意图。图中，振荡电路由比较器U1、U2，运算放大器U3，三极管Q1、Q2，缠绕在磁环TX1一侧的线圈，电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R8、R35组成。所述比较器U1、U2的同相端与反相端分别相连，比较器U2的同相端与反相端分别通过电阻R6、R35和R8接地，比较器U1、U2的输出端通过电阻R1、R3分别连接到运算放大器U3的同相端与反相端，运算放大器U3的同相端通过电阻R2接地，运算放大器U3的输出端接三极管Q1、Q2的基极，三极管Q2的发射极与Q1发射极相连，Q2的集电极与Q1的集电极分别接入正/负供电电源，三极管Q1的集电极分别与电阻R4、R5、磁环TX1线圈连接，电阻R4另一端与电阻R3、运算放大器U3反相端连接，电阻R5另一端与比较器U1的反相端连接，磁环TX1线圈另一端与R35、R8连接点构成振荡电路的输出端。在本发明的振荡电路中，采用双电源±15V给振荡电路供电，使电路可以正常工作。因为两个比较器的同相端与反相端分别相连，所以，正常情况下当其中一个比较器工作在集电极开路状态时候，另外一个比较器则工作在集电极短接负电源的状况。当磁环的磁芯饱和之后，两个比较器工作方式和上述正好相反。这样如此循环下去，可持续振荡检测漏电流。如图2所示，假设某时刻U1进入集电极开路状态，则U2工作在集电极短接负电源状态。此时相对于U3来说，工作模式为反相比例放大，U3输出的稳定负电源，通过电阻R3、R4的比例放大产生稳定的正电源。此正电源又通过TX1加到电阻R8上。当没有漏电流和TX1未饱和时，R8的压降很小。当TX1饱和之后，电阻R8的电压迅速上升，当其超过R3上的电压后，则U1工作在集电极短接负电源状态，而U2进入集电极开路状态，此时对于运算放大器U3来说，则进入另外一种工作模式，为射极跟随状态。依次循环下去，持续振荡检测漏电流，假设当有漏电流的时候，则漏电流产生的感应电流和磁环固有的激磁电流将叠加到检测电阻R8上而被检测出来，电阻R8上的电压大小变化就对应于漏电流的大小变化。

图3为图1实施例滤波电路示意图。图中，所述滤波电路由运算放大器U4、U5，电容C1、C2、C3、C4，电阻R9、R11、R12、R13、R16、R17、R18、R19组成，所述电阻R9一端为滤波电路的输入端、另一端与电容C1、电阻R11连接，电容C1另一端与运算放大器U4输出端连接，电阻R11另一端与电容C2、运算放大器U4反相端连接，电容C2另一端接地，运算放大器U4同相端与电阻R12、R13连接，电阻R13另一端接地，电阻R12另一端与运算放大器U4输出端连接，同时与电阻R16连接，电阻R16另一端与电容C3、电阻R17连接，电容C3另一端与运算放大器U5输出端连接，电阻R17另一端与电容C4、运算放大器U5反相端连接，电容C4另一端接地，运算放大器U5同相端与电阻R18、R19连接；电阻R19另一端接地，电阻R18另一端与运算放大器U5输出端连接构成滤波电路输出端。本发明滤波电路对振荡电路输出的信号进行滤波、衰减处理。振荡电路输出信号经电阻R9、R11流到运算放大器，经电容C1、C2滤波之后输出到运算放大器输出端，并输入下一阶滤波电路；运算放大器U5滤波方式同U4。这样，输入的信号经过两阶滤波电路滤波之后，消弱了振荡基波频率和其他高次谐波对结果的影响，高频信号不存在于滤波之后输出的信号中，滤波电路输出信号只有与漏电流对应大小的电压信号，不仅是输出波形更加精确，同时还有放大功能，放大了输出值，便于后续电路的测量。

图4为图1实施例调零电路示意图。图中，调零电路由运算放大器U6、电阻R27、R28、R29、R30、R31组成，所述电阻27一端为调零电路的输入端、电阻R27另一端与运算放大器U6的反相端、R28连接，运算放大器U6同相端与电阻R29、R31连接，电阻R29另一端与正电源连接，电阻R31另一端通过电阻R30与负电源连接，电阻R28另一端与运算放大器U6输出端连接构成调零电路输出端。本发明的调零电路中，电阻R27与R28阻值相等。假设当输入端干扰因素产生误差，例如存在有50mV的偏置电压，只需R29、R30、R31选择合适的电阻值，24V电压由串联电路分压原理可知，在运算放大器U6的1端可以产生25mV的电压，这样输入电压经过两个阻值相等的电阻R27与R28分压，50mV的偏置电压将不存在，最后电路输出为理想的电压值。

图5为图1实施例整流电路示意图。图中，整流电路由运算放大器U7，二极管D1、D2，电阻R20、R21、R22组成，所述电阻R20、电阻R22的一端为整流电路的输入端、电阻R20的另一端与电阻R21、二极管D1、运算放大器U7反相端连接，运算放大器U7同相端接地，二极管D1另一端与运算放大器U7输出端接二极管D2、二极管D2另一端与电阻R22另一端、电阻R21另一端并接构成整流电路输出端。调零电路输出的电压信号经电阻R20输入整流电路，电压信号由电阻R21、R22与R20串联分压，去输入信号的1/2，再经过二极管D1、D2进行取正。当输入端为正电压时候，则运算放大器输出被D2截止，因为1脚虚短接地，输入端通过R22和R21分压1/2；当输入端为负电压，则D1截止，输出为反向比例放大1/2。这样最后输出的电压信号全为正电压信号，依据整流电流输出端的电压来检测漏电的发生，方便外接微处理芯片CPU的读取。

本发明进一步采取如下措施：设有自检电路，如图6所示。图中，自检电路由三极管Q3、二极管D4、电阻R10、R14、R15、自检电路线圈组成，所述电阻R10一端为电源输入端、电阻R10的另一端与三极管Q3基极、二极管D4阴极连接，二极管D4阳极与电阻R14一端共同接地，电阻R14另一端与二极管D4的参考极、三极管Q3发射极连接，三极管Q3集电极与自检电路线圈一端连接，线圈另一端通过电阻R15与正电源连接。本发明实施例的自检电路中，若对电阻R10施加一个高电平，这样自检电路的二极管、三极管就可以正常工作了。二极管为稳压二极管，可以输出2.5V稳定电压。电阻R14选取500欧姆大小阻值，这样就可以在电路中产生5mA电流。通过线圈放大，相当于图1中两根导线上产生50mA大小的漏电电流，与此时检测装置输出电压相对应。这样就可以通过自检电路对传感器进行自检，确定传感器是否可以正常工作。取得50mA漏电流对应的电压输出值后，就可以根据检测装置在电器设备的输出电压值，推算出此电器设备产生的漏电流大小是多少。

图7为图1实施例第一导线和第二导线之间无漏电流时本发明输出的漏电压波形图。由于第一导线与第二导线之间无漏电流，磁环上的磁场未发生变化，磁环的波形无变化，接地故障检测装置输出端的电压为零。

图8为图1实施例第一导线和第二导线为直流电源且之间有漏电流时本发明的输出漏电压波形图。由于第一导线与第二导线之间有漏电流，磁环上的磁场随即发生变化，接地故障检测装置输出端检测到漏电压的存在，其幅值的大小与漏电流的严重程度相关。

图9为图1实施例第一导线和第二导线为交流电源且之间有漏电流时本发明的输出漏电压半波正弦波形图。由于第一导线与第二导线之间有漏电流，磁环上的磁场随及发生变化，接地故障检测装置输出端检测到漏电压的存在，其幅值的大小与漏电流的严重程度相关。

本发明不仅可检测直流电源、也可检测到交流电源的漏电液压，漏电流的大小可从波形的幅值上反映出来。

上面结合实施例描述了本发明的实施方式，实施例给出的结构及方法并不构成对本发明的限制，本领域内熟练的技术人员在所附权利要求的范围内做出各种变形或修改均在保护范围内。

Claims

1.一种接地故障检测装置，包括用于插入测定对象第一导线和第二导线的磁环以及缠绕在磁环上的线圈、电源，其特征在于，还有振荡电路、滤波电路、调零电路、整流电路；其中：

所述滤波电路由运算放大器U4、U5，电容C1、C2、C3、C4，电阻R9、R11、R12、R13、R16、R17、R18、R19组成，所述电阻R9一端为滤波电路的输入端、另一端与电容C1、电阻R11连接，电容C1另一端与运算放大器U4输出端连接，电阻R11另一端与电容C2、运算放大器U4反相端连接，电容C2另一端接地，运算放大器U4同相端与电阻R12、R13连接，电阻R13另一端接地，电阻R12另一端与运算放大器U4输出端连接，同时与电阻R16连接，电阻R16另一端与电容C3、电阻R17连接，电容C3另一端与运算放大器U5输出端连接，电阻R17另一端与电容C4、运算放大器U5反相端连接，电容C4另一端接地，运算放大器U5同相端与电阻R18、R19连接，电阻R19另一端接地，电阻R18另一端与运算放大器U5输出端连接构成滤波电路输出端；

2.根据权利要求1所述的接地故障检测装置，其特征在于，所述磁环上设有自检电路线圈，所述自检电路由三极管Q3、二极管D4、电阻R10、R14、R15、自检电路线圈组成，所述电阻R10一端为电源输入端、电阻R10的另一端与三极管Q3基极、二极管D4阴极连接，二极管D4阳极与电阻R14一端共同接地，电阻R14另一端与二极管D4的参考极、三极管Q3发射极连接，三极管Q3集电极与自检电路线圈一端连接，线圈另一端通过电阻R15与正电源连接。