CN103995208A - 直流漏电监测报警装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直流漏电监测报警装置，包含：依次连接的互感器、滤波电路、整流电路及微处理器；分别与互感器、滤波电路连接的电压激励源；电压激励源为互感器提供方波电压激励；及为整个电路提供电能的电源模块；微处理器进一步连接报警指示单元；互感器检测到漏电电流信号后，经滤波电路、整流电路处理，转换成微处理器可识别的信号，微处理器进行运算后，将结果输出至报警指示单元，报警指示单元根据相应的指令做出相应的动作。本发明监测精度高，并且能避免误操作，安装地点灵活，与直流端子“即换即用”，无需“接地试拉”，节省人力，更换方便，可不停电维护(插拔式)，能对系统内存在的直流接地做出告警并记忆。

Description

直流漏电监测报警装置

技术领域

本发明涉及电子与电磁技术领域，具体涉及直流漏电监测报警装置。 

背景技术

长久以来，直流接地的检测都是继电保护工作的难题。目前，微机检测装置的引进使得直流系统接地检测的准确性和效率大大提升，但是目前的各类检测装置，虽然能够检测整个系统的总绝缘，但是都存在一定的缺陷，并且由于集中式安装的限制，对于支路中的接地点依然无法有效检测，仍需人工配合查找接地点。 

在发电厂和变电站中，直流电源是主要电气设备的保安电源及控制信号电源，对确保电气设备的正常运行至关重要。由于直流系统是一个庞大的、多分支的供电网络，一旦发生故障，影响面非常广。直流异常接地问题的存在是变电站直流系统的重大隐患。 

目前在我国直流系统中运行的直流接地检测装置使用的检测方法主要有三种： 

一是通过整定平衡桥门限值进行接地检测，电桥平衡法存在定位不准确、误差大、不灵敏等缺点，需要人工配合，使用拉路法查找接地点，由于需要切断直流电源，会造成断电回路在短时间内不能对开关进行分合操作，危及系统的正常运行，并且对于多点接地，该方法是无法迅速找到接地点的； 

二是通过在直流系统中注入交流信号进进行检测，交流信号注入法在电容电流大于检测装置对绝缘电阻泄漏电流的整定值时，将造成误发信号，影响装置的正确判断，而且在直流系统中注入交流信号，会对系统的安全运行构成一定的威胁； 

三是利用霍尔元件检测支路中的差流来判断接地位置，霍尔磁平衡式元件容易受到剩磁的影响，致使装置的零点不断发生漂移，容易造成误报等现象。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种直流漏电监测报警装置，监测精度高，并且 能避免误操作，不影响原回路，增强了被测回路电源的抗干扰性，安装地点灵活，与直流端子“即换即用”，无需“接地试拉”，节省人力，更换方便，可不停电维护(插拔式)，能对系统内存在的直流接地做出告警并记忆。 

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：直流漏电监测报警装置，其特点是，包含： 

依次连接的互感器、滤波电路、整流电路及微处理器； 

分别与互感器、滤波电路连接的电压激励源； 

所述的电压激励源为互感器提供方波电压激励；及 

为整个电路提供电能的电源模块； 

所述的微处理器进一步连接报警指示单元； 

所述的互感器检测到漏电电流信号后，经滤波电路、整流电路处理，转换成微处理器可识别的信号，微处理器进行运算后，将结果输出至报警指示单元，报警指示单元根据相应的指令做出相应的动作。 

所述的互感器为单磁芯直流漏电传感器。 

所述的互感器采用单磁芯和单绕组结构，将检测绕组和激励绕组合二为一，磁芯在方波激励电压下工作于深度饱和状态。 

所述的互感器的磁芯采用坡莫合金材料卷制而成。 

所述的滤波电路包含依次连接的第一放大器、第一电阻、低通滤波器； 

所述的第一放大器的负向输入端与互感器连接； 

所述的第一放大器的正向输入端接地； 

所述的第一放大器的输出端与第一放大器的负向输入端短接； 

所述的第一电阻的一端连接电压激励源，其另一端连接互感器； 

所述的低通滤波器一端连接第一放大器的输出端，其另一端连接整流电路。 

所述的整流电路包含依次连接的全波整流模块及反相器电路； 

所述的反相器电路包含第二电阻、第三电阻、第四电阻及第二放大器； 

所述的第二电阻一端连接全波整流模块，其另一端连接第二放大器的正向输入端； 

所述的第三电阻一端连接第二放大器的负向输入端，其另一端连接第二放大器的输出端； 

所述的第四电阻一端连接第二放大器的负向输入端，其另一端接地； 

所述的第二放大器的正向输入端接地； 

所述的第二放大器的输出端连接微处理器的输入端。 

所述的微处理器通过RS485总线接口连接上位机。 

所述的微处理器型号为P89LPC938FD。 

所述的电源模块为直流电源模块，输出5V、±12V的电压。 

所述的报警指示单元包含一蜂鸣器及一指示灯； 

所述的蜂鸣器用于根据微处理器的指令进行声音提示； 

所述的指示灯用于根据微处理器的指令进行灯光提示。 

本发明直流漏电监测报警装置与现有技术相比具有以下优点：采用相位差磁调制原理实现对直流接地故障的检测，稳定性好、检测灵敏度高，其检测精度高达1mA；采用端子型(插拔式)的连接方式，“即换即用”不影响原回路，增强了被测回路电源的抗干扰性，安装地点灵活，无需“接地试拉”，节省人力，更换方便，可不停电维护，能对系统内存在的直流接地做出告警并记忆。 

附图说明

图1为本发明直流漏电监测报警装置的整体结构示意图。 

图2为漏电检测报警原理图。 

图3A为直流漏电流互感器图。 

图3B为直流漏电互感器电路原理图。 

图4A磁芯静态磁化曲线。 

图4B线性拟合后的磁化曲线。 

图5激磁电压和绕组中的电流波形。 

图6A当存在正向直流漏电时激磁电流的波形。 

图6B当存在负向直流漏电时激磁电流的波形。 

图7直流漏电监测报警装置与PC机通信示意图。 

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。 

如图1所示，直流漏电监测报警装置100，包含：依次连接的互感器1、 滤波电路2、整流电路3及微处理器4；分别与互感器1、滤波电路2连接的电压激励源5；电压激励源5为互感器1提供方波电压激励；及为整个电路提供电能的电源模块6；微处理器4进一步连接报警指示单元7；互感器1检测到漏电电流信号后，经滤波电路2、整流电路3处理，转换成微处理器4可识别的信号，微处理器4进行运算后，将结果输出至报警指示单元7，报警指示单元7根据相应的指令做出相应的动作。 

互感器1为单磁芯直流漏电传感器。互感器1采用单磁芯和单绕组结构，将检测绕组和激励绕组合二为一，磁芯在方波激励电压下工作于深度饱和状态。互感器1的磁芯采用坡莫合金材料卷制而成。互感器1的线圈需提供一个方波激磁电压，这需要设计一个振荡电路来实现。电源模块6输出摆幅可达±12V，设计的振荡电路的工作频率为400Hz。 

滤波电路2包含一个一阶低通滤波电路和一个二阶低通滤波电路相连构成一个三阶低通滤波电路，依次连接的第一放大器21、第一电阻22(采样电阻R_s)、低通滤波器23；第一放大器21的负向输入端与互感器1连接；第一放大器21的正向输入端接地；第一放大器21的输出端与第一放大器21的负向输入端短接；第一电阻22的一端连接电压激励源5，其另一端连接互感器1；低通滤波器23一端连接第一放大器21的输出端，其另一端连接整流电路3。 

经过滤波电路2滤波后得到的信号即是与实际漏电电流成正比的一个电压信号，但由于直流漏电电流具有方向性，并且获得的电压值也很小，因此需要经过整流和放大电路后才能送微处理器4进行AD采样和数据处理，整流电路3部分采用了全波整流电路，它由正半波整流电路和反相器构成。 

整流电路3包含依次连接的全波整流模块31及反相器电路32；反相器电路32包含第二电阻321、第三电阻322、第四电阻323及第二放大器324；第二电阻321一端连接全波整流模块31，其另一端连接第二放大器324的正向输入端；第三电阻322一端连接第二放大器324的负向输入端，其另一端连接第二放大器324的输出端；第四电阻323一端连接第二放大器324的负向输入端，其另一端接地；第二放大器324的正向输入端接地；第二放大器324的输出端连接微处理器4的输入端。 

微处理器4通过RS485总线接口41连接上位机(PC机)。微处理器4 型号为P89LPC938FD。电源模块6为直流电源模块，输出5V、±12V的电压。报警指示单元7包含一蜂鸣器71及一指示灯72；蜂鸣器71用于根据微处理器4的指令进行声音提示；指示灯72用于根据微处理器4的指令进行灯光提示。 

具体应用：直流接地故障可以简单描述为，每个直流负荷的接线都是从正负直流母线上引出，当在此回路中存在了一个接地点时，由于系统中已经存在了直流系统绝缘监察装置内设的接地点，所以就会在此回路中产生一个按地短路电流i。i₁，i₂是流过直流漏电监测报警装置100的反相电流。当直流系统没有接地正常运行时(此时图中A点没有接地)，i₁＝i₂，不存在差流，直流漏电监测报警装置100不会报警；当直流系统中有接地故障发生时，如图2所示，A点接地，就会产生差流Δi，使得i₁不等于i₂；此时由于接地，这个负载侧网络也发生变化，直流漏电监测报警装置100就能检测出差流和阻抗的变化，发出报警，检测人员就能知道直流系统内发生了直流接地故障。 

由互感器1检测到的漏电电流信号被送到信号调整电路后，滤波电路2、整流电路3处理，转换成微处理器4可识别的信号，进入微处理器4的AD转换电路，转换成数字信号，微处理器4进行运算后，将结果输出至报警指示单元7，报警指示单元7根据相应的指令做出相应的动作，指示灯(LED)指示相应的工作状态。 

本发明中的单磁芯直流漏电传感器，如图3A和3B所示，它与传统单磁芯磁调制电流传感器的不同之处在于采用了单磁芯和单绕组结构，将检测绕组和激磁绕组合二为一，磁芯在方波电压激励下工作于深度饱和状态，Rs——采样电阻； 

假定激励电压U(t)为一理想方波，则电路的回路方程为： 

$U\left(t\right)=i\left(t\right)R+\frac{\mathrm{d\ψ}}{\mathrm{dt}}---\left(1\right)$

式中，ψ为激励绕组所链绕的总磁链； 

根据安培环路定理： 

H(t)＝N₂i(t)    (2) 

式中，l是环形磁芯的平均磁路长度，N₂是激磁绕组的匝数，i_t是回路中的瞬时电流；由于 

ψ(t)＝N₂φ(t)＝N₂B(t)S    (3) 

B(t)＝μ(i)μ₀H(t)    (4) 

故 $U\left(t\right)=i\left(t\right)R+\mathrm{\μ}\left(i\right){\mathrm{\μ}}_0{N}_2^2\frac{S}{l}\frac{\mathrm{di}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}---\left(5\right)$

其中，μ(i)是磁芯的动态相对磁导率；μ₀是真空磁导率，为4π×10-7Wb/(A·m)；S为磁芯的截面积； 

互感器的磁芯采用高磁导率的坡莫合金材料卷制而成，具有高初始磁导率、低矫顽力和低剩磁的特点，其静态磁化曲线如图4A所示，由于磁芯磁特性的非线性，因此式(5)为一非线性方程。为了便于分析，可对磁化曲线进行分段线性化拟合，如图4B所示。因此式(5)可以改写成 

$U\left(t\right)=i\left(t\right)R+{\mathrm{\μ}}_j{\mathrm{\μ}}_0{N}_2^2\frac{S}{l}\frac{\mathrm{di}\left(t\right)}{\mathrm{dt}},j=\mathrm{1,2,3}---\left(6\right)$

式中μ_j是磁化曲线上正负饱和段和线性段的相对磁导率；当正负母线中的漏电流为零时，假定t＝0时刻负向电压刚好结束，磁芯处于负向饱和，则分段列写电路方程为： 

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{pp}}=i\left(t\right)R+L_1\frac{\mathrm{di}\left(t\right)}{\mathrm{dt}},0<t<t_1\\ U_{\mathrm{pp}}=i\left(t\right)R+L_2\frac{\mathrm{di}\left(t\right)}{\mathrm{dt}},t_1<t<t_2\\ U_{\mathrm{pp}}=i\left(t\right)R+L_3\frac{\mathrm{di}\left(t\right)}{\mathrm{dt}},t_2<t<t_{\&infin;}\\ L_j={\mathrm{\&mu;}}_0{\mathrm{\&mu;}}_j\frac{N_2^{2}S}{l},j=\mathrm{1,2,3}\end{array}\right.---\left(7\right)$

式中，U_pp为所加方波电压的峰峰值，L_j为磁芯工作在正负饱和段和线性段时的自感量，t₁为线性段开始时刻，t₂为线性段截止时刻，j＝1，2，3； 

解得 

$\left\{\begin{array}{c}i=I_{\&infin;}(1-2e^{-\frac{t}{\mathrm{\&tau;}}}),0<t<t_1\\ i=I_{\&infin;}+(-I_s-I_{\&infin;})e^{-\frac{t-t_2}{{\mathrm{\&tau;}}_2}}),t_1<t<t_2\\ i=I_{\&infin;}+(I_s-I_{\&infin;})e^{-\frac{t-t_2}{{\mathrm{\&tau;}}_2}}),t_2<t<t_{\&infin;}\\ t_1={\mathrm{\&tau;}}_1\ln \left(\frac{2I_{\&infin;}}{I_{\&infin;}+I_s}\right)\\ t_2={\mathrm{\&tau;}}_2\ln \left(\frac{I_{\&infin;}+I_s}{I_{\&infin;}+I_s}\right)+t_1\end{array}\right.---\left(8\right)$

式中，I_s为达到磁饱和时的传感器绕组中的电流， I_∞为绕组中电流的最大值，

过程足够短)，因此磁芯电流波形可以进一步近似为如图5中(c)所示，电流波形的周期主要取决于线性段的上升时间和下降时间，即 

$T\&ap;2{\mathrm{\&tau;}}_2\ln \left(\frac{I_{\&infin;}+I_s}{I_{\&infin;}+I_s}\right)=2\frac{{\mathrm{\&mu;}}_0{\mathrm{\&mu;}}_2{N}_2^{2}S}{R_{s}l}\ln (1+\frac{2}{\frac{N_2{U}_{\mathrm{PP}}}{2R_S\mathrm{Hl}}-1})---\left(9\right)$

当有正负母线中存在一个正向漏电电流I₀时，磁芯中的磁场强度为 

$H=\frac{N_1{I}_0}{l}+\frac{N_{2}i\left(t\right)}{l}---\left(10\right)$

其中，N₁为一次侧匝数，这里N₁＝1； 

即有 

$H=\frac{I_0}{l}+\frac{N_{2}i\left(t\right)}{l}=\frac{N_2[i\left(t\right)+\frac{I_0}{N_2}]}{l}=\frac{N_{2}i\left(t\right)}{l}---\left(11\right)$

由于采样电阻上取得的是激磁绕组中的电流i(t)，从式(11)中可以看出i₀的作用实际上相当于使i(t)沿纵轴向下平移I0/N2，如图6A所示；同样地，当存在负向直流漏电流-I0时，则相当于使i(t)沿纵轴向上平移I0/N2，如图6B所示。从图中可以得到互感器的检测范围为[-N₂(I_M-I_S)，N₂(I_M-I_S)]。 

由于激磁电流为非线性的周期信号，因此要将直流漏电流检测出来，就需要对信号的特征进行分析，找出可以代表该漏电信号的特征量。由于所施加的方波激磁电压的傅里叶展开式为 

$U\left(t\right)=\frac{2U_{\mathrm{PP}}}{\mathrm{\&pi;}}(\cos {\mathrm{\&omega;}}_{1}t-\frac{1}{3}\cos 3{\mathrm{\&omega;}}_{1}t+\frac{1}{5}\cos 5{\mathrm{\&omega;}}_{1}t-......)---\left(12\right)$

当母线中存在直流漏电流I0时，由电路的叠加定理可得 

$i\left(t\right)=\frac{2U_{\mathrm{pp}}}{\mathrm{\&pi;}}(\frac{1}{R_s+j{\mathrm{\&omega;}}_1{L}_2}\cos {\mathrm{\&omega;}}_{1}t-\frac{1}{3}\frac{1}{R_s+j3{\mathrm{\&omega;}}_1{L}_2}\cos 3{\mathrm{\&omega;}}_{1}t+\frac{1}{5}+\frac{1}{R_s+j5{\mathrm{\&omega;}}_1{l}_2}\cos 5{\mathrm{\&omega;}}_{1}t-......)+\frac{I_0}{N_2}---\left(13\right)$

可以看出，i(t)中仅含有直流分量和奇次谐波分量，并且直流分量正比于直流漏电电流i₀，因此可以通过设计合适的低通滤波器将高频分量滤除来获得直流漏电信号。 

实施例中微处理器4选取了PHILIPS公司生产的P89LPC938单片机，性价比高、特点出众，实现了直流漏电电流的实时显示和系统自诊断功能，并提供了动作报警、等多种保护功能；当检测到互感器1工作异常或未连接时，还可发出声音报警，以提示用户尽快解决问题，保障其工作的可靠性。 

P89LPC938是一款单片封装的微控制器，适合于许多要求高集成度、低成本的场合，可以满足多方面的性能要求。P89LPC938采用了高性能的处理器结构，指令执行时间只需2到4个时钟周期，6倍于标准80C51器件。P89LPC938集成了许多系统级的功能，这样可大大减少元件的数目、电路板面积以及系统的成本。 

本发明还可以连接上位机并以通信方式了解直流漏电监测报警装置100的运行情况，实测数据，报警等；在工业领域，主从式的设备监控管理模式应用越来越来广泛。一台上位机同时监控多台下位机(1:N)，相比一台上位机监控一台下位机(1∶1)的模式，更具有经济性、方便性和时效性。在一对多的通信模式中，由于下位机与上位机、下位机与下位机之间的物理位置相距较远，运行环境复杂、干扰大，使用RS232串口通讯(最长15m)完全不能达到要求，而通讯距离远(最长1200m)、抗干扰能力强的RS485串口通讯协议完全能够胜任工业中复杂的电磁环境。RS232总线只能实现一对一的通信，RS485总线可挂接32台设备，可进行1:N的通信。而PC机具有较强的数据分析处理能力，良好的人机界面及大容量数据存储空间，可充当上位机，用来监控下位机的运行状况。但是，通常PC机上只有RS232C串口，要使用RS485来进行实现1:N通信，必须将RS232通信协议与RS485通信协议进行双向转换。 

一对多的主从通信控制模式，PC机充当主机，多台下位机充当从机。由于RS232串口逻辑电平为-15～-3V(逻辑1)和+3～+15V(逻辑0)，传送距离最大为15m，而RS485采用RS422A的通信电平，为±2～±6V，当速率为9600BPS时，传送距离可达1500m。因此，这两种总线必须通过一个电平转换装置来进行互联。同时，由于下位机使用单片机如 P89LPC938芯片，只有串行接收(RXD)、发送(TXD)引脚，只支持TTL电平，与RS485总线电平不匹配，因此不能直接与RS485总线相连，在电路设计中需增加一SP3485转换芯片来驱动，与RS422不同，RS485总线只能处于半双工模式“收”和“发”不能同时进行，系统的工作模式只能是一种“应答”工作模式。系统结构如图7所示。 

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。 

Claims (10)

1.直流漏电监测报警装置，其特征在于，包含：

依次连接的互感器（1）、滤波电路（2）、整流电路（3）及微处理器（4）；

分别与互感器（1）、滤波电路（2）连接的电压激励源（5）；

所述的电压激励源（5）为互感器（1）提供方波电压激励；及

为整个电路提供电能的电源模块（6）；

所述的微处理器（4）进一步连接报警指示单元（7）；

所述的互感器（1）检测到漏电电流信号后，经滤波电路（2）、整流电路（3）处理，转换成微处理器（4）可识别的信号，微处理器（4）进行运算后，将结果输出至报警指示单元（7），报警指示单元（7）根据相应的指令做出相应的动作。

2.如权利要求1所述的直流漏电监测报警装置，其特征在于，所述的互感器（1）为单磁芯直流漏电传感器。

3.如权利要求1所述的直流漏电监测报警装置，其特征在于，所述的互感器（1）采用单磁芯和单绕组结构，将检测绕组和激励绕组合二为一，磁芯在方波激励电压下工作于深度饱和状态。

4.如权利要求1所述的直流漏电监测报警装置，其特征在于，所述的互感器（1）的磁芯采用坡莫合金材料卷制而成。

5.如权利要求1所述的直流漏电监测报警装置，其特征在于，所述的滤波电路（2）包含依次连接的第一放大器（21）、第一电阻（22）、低通滤波器（23）；

所述的第一放大器（21）的负向输入端与互感器（1）连接；

所述的第一放大器（21）的正向输入端接地；

所述的第一放大器（21）的输出端与第一放大器（21）的负向输入端短接；

所述的第一电阻（22）的一端连接电压激励源（5），其另一端连接互感器（1）；

所述的低通滤波器（23）一端连接第一放大器（21）的输出端，其另一端连接整流电路（3）。

6.如权利要求1所述的直流漏电监测报警装置，其特征在于，所述的整流电路（3）包含依次连接的全波整流模块（31）及反相器电路（32）；

所述的反相器电路（32）包含第二电阻（321）、第三电阻（322）、第四电阻（323）及第二放大器（324）；

所述的第二电阻（321）一端连接全波整流模块（31），其另一端连接第二放大器（324）的正向输入端；

所述的第三电阻（322）一端连接第二放大器（324）的负向输入端，其另一端连接第二放大器（324）的输出端；

所述的第四电阻（323）一端连接第二放大器（324）的负向输入端，其另一端接地；

所述的第二放大器（324）的正向输入端接地；

所述的第二放大器（324）的输出端连接微处理器（4）的输入端。

7.如权利要求1所述的直流漏电监测报警装置，其特征在于，所述的微处理器（4）通过RS485总线接口（41）连接上位机。

8.如权利要求1所述的直流漏电监测报警装置，其特征在于，所述的微处理器（4）型号为P89LPC938FD。

9.如权利要求1所述的直流漏电监测报警装置，其特征在于，所述的电源模块（6）为直流电源模块，输出5V、±12V的电压。

10.如权利要求1所述的直流漏电监测报警装置，其特征在于，所述的报警指示单元（7）包含一蜂鸣器（71）及一指示灯（72）；

所述的蜂鸣器（71）用于根据微处理器（4）的指令进行声音提示；

所述的指示灯（72）用于根据微处理器（4）的指令进行灯光提示。