CN104659742A - 一种剩余电流装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施方式公开了一种剩余电流装置。该剩余电流装置包括：第一零序电流互感器，用于以无源方式检测载流导体的剩余电流信号；连接到所述第一零序电流互感器的第一处理电路，用于从所述第一零序电流互感器获取所述剩余电流信号，并且采用有源方式处理所述剩余电流信号，其中所述第一处理电路与电源连接；第二零序电流互感器，用于以有源方式检测所述载流导体上出现的剩余电流信号；连接到所述第二零序电流互感器的第二处理电路，用于从所述第二零序电流互感器获取剩余电流信号，并且采用有源方式处理所述剩余电流信号，其中所述第二处理电路与电源连接。该剩余电流装置可以在很宽的频率范围内良好响应，并实现较好的频率响应特性。

Description

一种剩余电流装置

技术领域

本发明涉及电气技术领域，特别是涉及一种剩余电流装置。

背景技术

剩余电流（Residual Current），又称为过剩电流，残余电流或漏电流，是指低压配电线路中各相（含中性线）电流矢量和不为零的电流。剩余电流具有极大的危害性。在电气火灾事故中由于过剩电流所导致事故约占电气火灾事故的1/2，可见过剩电流的严重性与普遍性。

剩余电流装置（Residual Current Device，RCD）是在正常工作条件下接通、负载和断开电流，而当电路的剩余电流超出正常范围时，引起动作而断开主电路的一种保护器。剩余电流装置实质上是一种漏电流保护装置，其作用包括：用于防止由漏电引起的单相电击事故；用于防止由漏电引起的火灾和设备烧毁事故；用于检测和切断各种一相接地故障；过载、过压、欠压和缺相保护，等等。剩余电流装置可以是检测剩余电流和接通及断开主电路电流的各种元件的组合体。

B型剩余电流装置需要对平滑直流、工频交流以及高频交流等波型的剩余电流敏感。B型剩余电流装置一般包含有对工频交流剩余电流敏感的处理电路以及对平滑直流剩余电流敏感的处理电路。在公开号为CN202093967U、名称为“电流互感器组件和断路器”及公开号为CN202796414U、名称为“一种电流互感器端子排”等文献中，有分别利用这两种处理电路来尝试检测高频率交流剩余电流的技术尝试。然而，这些尝试普遍存在电路设计复杂，功耗大等各种问题。

发明内容

本发明实施方式提出一种剩余电流装置，以提高交流波型剩余电流的检测频率。

根据本发明一个实施例，剩余电流装置包括：第一零序电流互感器，用于以无源方式检测载流导体的剩余电流信号；连接到所述第一零序电流互感器的第一处理电路，用于从所述第一零序电流互感器获取所述剩余电流信号，并且采用有源方式处理所述剩余电流信号，其中所述第一处理电路与电源连接；第二零序电流互感器，用于以有源方式检测所述载流导体的剩余电流信号；连接到所述第二零序电流互感器的第二处理电路，用于从所述第二零序电流互感器获取剩余电流信号，并且采用有源方式处理所述剩余电流信号，其中所述第二处理电路与电源连接。

优选地，连接到所述第一零序电流互感器的第三处理电路，用于从所述第一零序电流互感器获取剩余电流信号，并且利用所述剩余电流信号获取能量。

更为优选地，在第三处理电路与第一零序电流互感器之间具有开关元件。所述开关元件，用于将所述第三处理电路与所述第一零序电流互感器相连接或断开。特别是在剩余电流装置无电源供电时使得第三处理电路与所述第一零序电流互感器相连接，而在剩余电流装置有电源供电时，使得使得第三处理电路与所述第一零序电流互感器之间的连接断开。

在一个实施例中，剩余电流装置进一步包括：脱扣判断单元，用于当第二处理电路的输出信号与第一处理电路的输出信号中至少一个大于预先设定的门限值时，向脱扣触发器发送脱扣指令；脱扣触发器，用于根据脱扣指令触发脱扣动作。

在另一个实施例中，脱扣触发器与第三处理电路连接，用于当第三处理电路的输出信号大于预先设定的门限值时触发脱扣动作。优选地，所述第一处理电路包括精密整流电路，用于对所述剩余电流信号进行精密整流。可选地，所述第一处理电路还包括放大器，用于对精密整流后的剩余电流信号进行放大。可选地，所述第一处理电路还包括滤波器，用于对放大器输出的剩余电流信号进行滤波。

优选地，所述电源与所述载流导体相连接，用于从所述载流导体获取能量。

优选地，所述剩余电流装置为B型电磁式剩余电流装置或B＋型电磁式剩余电流装置。

从上述技术方案可以看出，在本发明实施方式中，由于第一零序电流互感器以无源方式检测出剩余电流信号（比如感应而来），且输出到具有有源工作特性的第一处理电路，可以在很宽的频率范围内良好响应，因此针对交流波型剩余电流的最高检测频率可以被提升至数百千赫兹，并实现较好的频率响应特性。

此外，在本发明实施方式中，当利用第二零序电流互感器以有源方式检测剩余电流信号，且输出到具有有源工作特性的第二处理电路时，可以对剩余电流信号低频或接近直流信号加以精确处理，同时也可以对高频率的剩余电流信号进行处理。而且，第三处理电路和第二处理电路由于不用检测较高频率的电流，可以保持相对简化。

附图说明

图1为根据本发明的剩余电流装置结构图。

图2为根据本发明第一实施方式的剩余电流装置结构图。

图3为根据本发明第二实施方式的剩余电流装置结构图。

图4为根据本发明实施方式第一处理电路的结构图。

图5为根据本发明实施方式第二处理电路的结构图。

图6为根据本发明实施方式第三处理电路的结构图。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以阐述性说明本发明，并不用于限定本发明的保护范围。

图1为根据本发明的剩余电流装置结构图。如图1所示，该剩余电流装置包括第一零序电流互感器101和第一处理电路102，其中第一处理电路102连接到第一零序电流互感器101。在第一零序电流互感器101的铁心中可以穿过一或多根用于承载电流的载流导体（图中没有示出），例如供电线路中的相线和中性线。第一零序电流互感器101适于以无源方式检测载流导体的剩余电流信号。第一处理电路102与电源105连接，用于获取第一零序电流互感器101所感测到的剩余电流信号，并且采用有源方式处理剩余电流信号。

在图1中，第一零序电流互感器101可以在没有外界激励信号的情形下（即无源情况下），检测到所述一或多根载流导体上出现的剩余电流信号。第一零序电流互感器101可以直接根据剩余电流感应出输出信号，因此第一零序电流互感器101不需要任何功耗即可以产生输出信号。采用第一零序电流互感器101的输出信号来检测较高频率的交流漏电，具有功耗低、频率响应范围宽以及技术难度低的优点。

同时，第一零序电流互感器101感应出的输出信号的功率有限。若希望对第一零序电流互感器101所感应出的剩余电流信号实现宽带频响处理，一般需要例如运算放大器的半导体器件置于后续信号处理电路之中，而半导体器件通常需要较大的功率来驱动。。

为此，在图1所示的实施方式中，第一零序电流互感器101将检测到的剩余电流信号发送到第一处理电路102，而且，该第一处理电路102连接到电源105。由于可以从电源105获取能量，第一处理电路102可以通过电压相关的方式（如采用运算放大器等半导体器件）或称有源方式处理源自第一零序电流互感器101的输入信号。

例如，在一个实施方式中，第一处理电路102可以包括如运算放大器等有电源供电的器件。通过采用运算放大器等有源半导体器件，源自第一零序电流互感器101的微弱剩余电流信号可以在第一处理电路102中较为容易地放大和处理，并实现较好的宽带频率响应特性。

更为优选地，由于第一处理电路102连接到电源105，因此第一处理电路102中可以使用各种运算放大器对输入信号进行精密的运算。

比如，第一处理电路102中可以包含精密整流电路、放大器和滤波器。其中：利用精密整流电路对源自第一零序电流互感器101的输入信号取绝对值（或称精密整流）。在精密整流后，可以进一步利用放大器对精密整流后信号进行放大，然后通过滤波器对精密整流后的放大信号进行滤波，最后得到近似于DC电压的直流信号。该直流信号用来表示剩余电流有效值的近似值。该直流信号电压越大，说明剩余电流有效值的近似值越大。可选地，也可以在精密整流后不执行放大处理，而是直接通过滤波器进行滤波。

在图1所示的例子中，该剩余电流装置还可以优选地包括第二零序电流互感器103以及第二处理电路104。穿过第一零序电流互感器101的一或多根载流导体同样穿过第二零序电流互感器103。第二零序电流互感器103适于以有源方式（利用第二处理电路104所提供的激励信号）检测所述载流导体的剩余电流信号。连接到所述第二零序电流互感器103的第二处理电路104，用于从所述第二零序电流互感器103获取剩余电流信号，并且采用有源方式处理所述剩余电流信号，其中所述第二处理电路104与电源105连接。

在这里，第二处理电路104同样具有电源105的输入。第二处理电路105可以利用电源105提供的能量，向第二零序电流互感器103发送激励信号，从而使第二零序电流互感器103维持振荡。同时，第二处理电路105对第二零序电流互感器103输出的电压或电流进行处理（如滤波、放大等），从而得到第二零序电流互感器103感测到的剩余电流值。通常情况下，第二处理电路104可以较为精确地测量直流剩余电流。

优选地，在一个实施方式中，该剩余电流装置进一步包括：连接到所述第一零序电流互感器101的第三处理电路106。第三处理电路106没有外部电源输入，而是仅从第一零序电流互感器101得到输入信号。第三处理电路106获取所述第一零序电流互感器101感测到的剩余电流信号，并且利用从所述剩余电流信号获取的电功率来维持自身电路工作的能量。比如，第三处理电路106可以包括振荡电路（如LC），其在一定的频率上造成谐振（该功能是可选的），且放大从第一零序电流互感器101得到的输入信号的振幅（例如，电压振幅，该功能是可选的），特别是该谐振频带上的输入信号的振幅。第三处理电路106将放大后的输入信号输出到执行机构上，当该输入信号的振幅超过预先设定的门限值时，执行机构动作以分断装置。

由此可见，可以应用本发明实施方式对各种类型和频率的剩余电流实现响应。比如，当剩余电流为平滑直流时，可以由第二处理电路104所处理；当剩余电流为工频交流时，第一处理电路102、第二处理电路104和第三处理电路106都可以进行处理；当剩余电流为高频交流时，第一处理电路102和第二处理电路104都可以进行处理。

在一个实施方式中：该剩余电流装置进一步在第三处理电路106与第一零序电流互感器101之间具有开关元件（图1中未示出）。该开关元件，用于将第三处理电路106与第一零序电流互感器101相连接或断开。比如：开关元件可以在剩余电流装置没有供电电压（电源105不供电）时闭合以使能第三处理电路106；在剩余电流装置有供电电压（电源105供电）时断开以避免第三处理电路106对第一处理电路102可能造成的影响。这样，当开关元件断开时，第三处理电路106被切断，针对剩余电流的处理功能由第一处理电路102和第二处理电路104所取代。

在一个实施方式中，该剩余电流装置进一步包括：脱扣判断单元107，用于当第二处理电路104的输出信号与第一处理电路102的输出信号中至少一个大于预先设定的门限值时，向脱扣触发器108发送脱扣指令；脱扣触发器108，用于根据脱扣指令执行脱扣。比如，当第二处理电路104的输出信号大于预先设定的门限值，而第一处理电路102的输出信号小于预先设定的门限值时，脱扣判断单元107向脱扣触发器108发送脱扣指令。再比如，当第二处理电路104的输出信号大于预先设定的门限值，而第一处理电路102的输出信号也大于预先设定的门限值时，脱扣判断单元107向脱扣触发器108发送脱扣指令。还比如，当第二处理电路104的输出信号小于预先设定的门限值，而第一处理电路102的输出信号大于预先设定的门限值时，脱扣判断单元107向脱扣触发器108发送脱扣指令。又比如，当第二处理电路104的输出信号小于预先设定的门限值，而第一处理电路102的输出信号小于预先设定的门限值时，脱扣判断单元107不向脱扣触发器108发送脱扣指令。

在一个实施方式中，第三处理电路106可以直接连接到脱扣触发器108，以触发脱扣动作。此时，脱扣触发器108进一步与第三处理电路106连接，当第三处理电路106的输出信号大于预先设定的门限值时，脱扣触发器触发脱扣动作。

在一个实施方式中，由第三处理电路106比较放大后的剩余电流信号是否大于预先设定的门限值，如果大于，则第三处理电路106向脱扣触发器108发送脱扣触发信号；脱扣触发器108接收到该脱扣触发信号之后触发脱扣。可选地，也可以由脱扣触发器108比较第三处理电路106输出的剩余电流信号是否大于预先设定的门限值。当脱扣触发器108判定第三处理电路106的输出信号大于预先设定的门限值时触发脱扣操作。

在一个实施方式中，例如供电线路上的至少一个载流导体同时贯穿第一零序电流互感器101与第二零序电流互感器103的铁心。优选载流导体数目为多个。

在一个实施方式中，所述电源105与所述载流导体相连接，用于从所述载流导体获取电能。可选地，电源105也可以是与载流导体并不相关的独立电源。

国际电工（IEC）根据剩余电流保护器的动作特性，将剩余电流装置分为：AC、A和B型。AC型剩余电流装置对突然施加或缓慢上升的交流正弦波剩余电流可靠脱扣。A型剩余电流装置对突然施加或缓慢上升的交流正弦波剩余电流、脉动直流剩余电流和脉动直流剩余电流叠加0.006A平滑直流可靠脱扣。B型为全电流剩余电流保护型。B型剩余电流装置充分考虑到了电磁兼容性变频器的特点，可以解决具有三相整流装置的电气设备的剩余电流保护问题。针对B型剩余电流装置可以具有相应的衍生，比如B＋型电磁式剩余电流装置。优选地，本发明实施方式的剩余电流装置为B型电磁式剩余电流装置或B＋型电磁式剩余电流装置。

在本发明的具体实施中，第三处理电路106和第二处理电路104由于不用检测较高频率的电流，可以保持相对简化。同时，由于第一处理电路的有源工作特性，其可以很宽的频率范围内良好响应，因此最高检测频率可以被提升至数百千赫兹。

基于上述详细分析，图2为根据本发明第一实施方式的剩余电流装置结构图。

如图2所示，与第三处理电路4相连的第一零序电流互感器3，以无源方式检测载流导体2的剩余电流信号。载流导体2的数目可以为一或多个，而且载流导体2依次穿过第一零序电流互感器3和第二零序电流互感器5的铁心。第三处理电路4可以通过第一零序电流互感器3获得维持自身工作的电能量，而没有其他的电能量来源。

该剩余电流装置还具有电源电路7。该电源电路7从载流导体2上获得能量，并可以调整所输出的电压。电源电路7连接到图2中的第一处理电路8和第二处理电路6，以为这两个电路供电。与第二处理电路6相连的第二零序电流互感器5，以有源方式检测载流导体2的剩余电流信号。第二处理电路6可以从电源电路7获得能量输入，同时输出电流以驱动第二零序电流互感器5。与第二零序电流互感器3相连的第一处理电路8，从第一零序电流互感器3处获得剩余电流信号，但不输出驱动电流至第一零序电流互感器3。而且，第一处理电路8可以采用运算放大器对源自第一零序电流互感器3的输入波型进行整流等处理。第一处理电路8与电源7连接，利用电源7所提供能量驱动第一处理电路8中的运算放大器。

在图2所示的该剩余电流装置中，脱扣判断单元9用作电压相关动作判断器，用于判断第二处理电路6和第一处理电路8的输出中至少之一是否超过一个预先设定的门限值。如果超出，则输出驱动电流至脱扣触发器10，使脱扣触发器10触发脱扣动作，以分断剩余电流。在该剩余电流装置中，例如，当脱扣触发器10被以一定的驱动电流驱动时，可脱扣触发器中的机构触发脱扣，以分断供电线路。

图3为根据本发明第二实施方式的剩余电流装置结构图。在图3中，与图2相同的部件以相同的附图标记标识出，其功能和运行过程在这里不再赘述。与图2不同的是，在图3中，该剩余电流装置还包括安装于第二零续互感器3与第三处理电路4之间的开关器件11。开关器件11在剩余电流装置没有供电电压（例如电源7不供电）时闭合，以使得第三处理电路4工作。开关器件11在剩余电流装置有供电电压（例如电源7供电）时断开，以使得第三处理电路4不工作。当开关器件11断开时，第三处理电路4的功能被第二处理电路6和第一处理电路8所取代。

图4示出根据本发明实施方式的第一处理电路的一种示例性结构。在图4中，Vin为来自电压不相关零续互感器3的输入信号。运算放大器U1A、运算放大器U1B、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R8、二极管D1、二极管D2构成精密整流电路和放大器，其中放大器的放大倍数可通过电阻R4调整，VCC为电源输入。Vin信号经过整流和放大后从运算放大器U1B的输出端输出，并通过电阻R6、电容C2、电阻R7、电容C1滤波，以取Vin信号的有效值。R9为放电电阻，用于释放电容C1、C2中的电荷。输出信号Vout表示输入信号Vin的有效值。

以上详细描述了第一处理电路的一种示范性结构。本领域技术人员可以意识到，这种举例仅用于阐述目的，并不用于对本发明实施方式进行限定。基于本发明的上述详细披露，本领域技术人员可以不脱离本发明实施方式的精神，对第一处理电路的结构作出各种替换、删除或变更。

图5示出根据本发明实施方式第二处理电路的一种示例性结构。如图5所示，该第二处理电路包括激励电路59和检测电路56。激励电路59连接到电源电路7，用于产生激励信号，以使零序电流互感器5振荡于正负饱和区间之中。检测电路56用于获取零序电流互感器5感应出的信号。检测电路56包括峰值检测单元51、积分单元52、低通滤波器53以及比较器54。若比较器54确定剩余电流信号大于一预订的门限值，则发出指示信号到脱扣判断单元9。

以上详细描述了第二处理电路的一种示范性结构。本领域技术人员可以意识到，这种举例仅用于阐述目的，并不用于对本发明实施方式进行限定。基于本发明的上述详细披露，本领域技术人员可以不脱离本发明实施方式的精神，对第二处理电路的结构作出各种替换、删除或变更。

图6示出根据本发明实施方式的第三处理电路的一种示例性结构。在图6中，该电路从零序电流互感器（ZCT）2中获得输入信号和能量。二极管V1、V2对输入电压限幅。ZCT、电容C1、电阻R2、电容C3以及执行机构（Actuator）构成二阶RLC振荡电路（其中，零序电流互感器和执行机构本身具有电感）。当零序电流互感器的输入信号为工频正弦波或脉动直流时，该RLC振荡电路处于谐振状态。由于谐振时振幅较大，执行机构可以更容易被有限的能量触发。

以上详细描述了第三处理电路的一种示范性结构。本领域技术人员可以意识到，这种举例仅用于阐述目的，并不用于对本发明实施方式进行限定。基于本发明的上述详细披露，本领域技术人员可以不脱离本发明实施方式的精神，对第三处理电路的结构作出各种替换、删除或变更。

综上所述，在本发明实施方式中，第一零序电流互感器，用于以无源方式检测载流导体的剩余电流信号；连接到所述第一零序电流互感器的第一处理电路，用于从所述第一零序电流互感器获取所述剩余电流信号，并且采用有源方式处理所述剩余电流信号，其中所述第一处理电路与电源连接；第二零序电流互感器，用于以有源方式检测所述载流导体的剩余电流信号；连接到所述第二零序电流互感器的第二处理电路，用于从所述第二零序电流互感器获取剩余电流信号，并且采用有源方式处理所述剩余电流信号，其中所述第二处理电路与电源连接。由此可见，应用本发明实施方式之后，第一零序电流互感器以无源方式检测出的信号（比如感应而来），输出到具有有源工作特性的第一处理电路，可以在很宽的频率范围内良好响应，因此针对交流波型剩余电流的最高检测频率可以被提升至数百千赫兹，并实现较好的频率响应特性。

而且，第三处理电路和第二处理电路由于不用检测较高频率的电流，可以保持相对简化。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种剩余电流装置，其特征在于，包括：

第一零序电流互感器（101，3），用于以无源方式检测载流导体上出现的剩余电流信号；

连接到所述第一零序电流互感器（101，3）的第一处理电路（102，8），用于从所述第一零序电流互感器（101，3）获取所述剩余电流信号，并且采用有源方式处理所述剩余电流信号，其中所述第一处理电路（102，8）与电源（105，7）连接；

第二零序电流互感器（103，5），用于以有源方式检测所述载流导体上出现的剩余电流信号；

连接到所述第二零序电流互感器（103，5）的第二处理电路（104，6），用于从所述第二零序电流互感器（103，5）获取剩余电流信号，并且采用有源方式处理所述剩余电流信号，其中所述第二处理电路（104，6）与电源（105，7）连接。

2.根据权利要求1所述的剩余电流装置，其特征在于，进一步包括：

连接到所述第一零序电流互感器（101，3）的第三处理电路（106，4），用于从所述第一零序电流互感器（101，3）获取并处理剩余电流信号，且从所述第一零序电流互感器（101，3）获取电能。

3.根据权利要求2所述的剩余电流装置，其特征在于，还包括开关元件（11），其设置在第三处理电路（106，4）与第一零序电流互感器（101，3）之间；

所述开关元件（11），用于在所述电源（105）供电时，使得所述第三处理电路（106，4）与所述第一零序电流互感器之间的连接断开。

4.根据权利要求1所述的剩余电流装置，其特征在于，进一步包括：

脱扣判断单元（107，9），用于当第二处理电路（104，6）的输出信号与第一处理电路（102，8）的输出信号中至少一个大于预先设定的门限值时，向一个脱扣触发器（108，10）发送脱扣指令；

脱扣触发器（108，10），用于根据所述脱扣指令触发脱扣动作。

5.根据权利要求2所述的剩余电流装置，其特征在于，进一步包括：

与第三处理电路（106，4）连接的脱扣触发器（108），用于当第三处理电路的输出信号大于预先设定的门限值时触发脱扣动作。

6.根据权利要求1所述的剩余电流装置，其特征在于，所述第一处理电路（102，8）包括：

精密整流电路，用于对所述剩余电流信号进行精密整流。

7.根据权利要求6所述的剩余电流装置，其特征在于，所述第一处理电路（102，8）还包括：

放大器（U1B），用于对精密整流后的剩余电流信号进行放大。

8.根据权利要求7所述的剩余电流装置，其特征在于，所述第一处理电路（102，8）还包括：

滤波器，用于对放大器输出的剩余电流信号进行滤波。

9.根据权利要求1所述的剩余电流装置，其特征在于，所述电源（105，7）从所述载流导体获取电能。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的剩余电流装置，其特征在于，所述剩余电流装置为B型电磁式剩余电流装置或B＋型电磁式剩余电流装置。