CN105391044B - 一种接地故障电流检测电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种接地故障电流检测电路及方法，其电流互感器输出电流信号直接连接到二极管组成的全桥整流电路；其中CTA+，CTA‑连接到由二极管D2、D3、D4、D5构成的整流桥；CTB+，CTB‑连接到由二极管D6、D7、D8、D9构成的整流桥；CTC+，CTC‑连接到由二极管D10、D11、D12、D13构成的整流桥；每个二极管串联一个采集电阻，采用固定频率的采样方式，t通过软件算法把A相、B相、C相的波形进行叠加，接地故障电流有效值采用公知的有效值方式进行计算。本发明的电路原理简单、成本低，保护精度高，尤其适合空间体积要求较高，额定较小电器保护开关中。

Description

一种接地故障电流检测电路及方法

技术领域

本发明涉及一种接地故障电流检测电路及方法，具体说来，涉及为低压配电系统中断路器或过载继电器。

背景技术

所谓的接地故障，是指相对地或与地有关联的外漏可导电部分，如设备外壳、管道和构架的直接接触短路。同一般短路形式相比较，其短路电流有效值虽然不是很大，但足以导致人身触电伤亡和火灾事故，后果极为严重。接地故障引起的间接接触触电事故是最常见的电击事故，接地故障引起的对地电弧和电火花则是最常见的电气短路起火源。发生接地故障时，保护电器必须及时、可靠切断电路，以防止发生人身触电、电气火灾等事故。

接地故障保护作为低压配电线路中一项重要保护功能，在低压电器中重要组成元器件空气断路器、塑壳断路器、接触器和继电器中，目前空气断路器中已经得到广泛的用，而对于塑壳断路器或继电器而言，近几年才逐步发展起来。

目前，在空气断路器的接地保护方式主要可分为两种：差值型(T)和地电流型(W)。其中差值型保护方法由可以根据断路器的级数分为3PT、4PT或3P+N，即取三相或4相电流的矢量和进行保护。地电流型保护方式由外加特殊的电流互感器来实现，每种额定电流需要匹配一种互感器。塑壳断路器由于受到外形尺寸大小的限制，常采用差值型保护保护方式，即矢量和的方式。

在最近几年来塑壳断路器采用了新型电流互感器，即带有罗斯线圈互感器，则实现接地故障保护功能采用差值型方式变得容易起来。电流互感器中包含了两种线圈：速饱和线圈与罗斯线圈，速饱和线圈提供控制器工作的能量，罗斯线圈提供测量及检测信号。所以这就使得互感器体积相对增大。而低压电器发展，各元器件的体积是越来越小，同时额定电流也越来越低。同时罗斯线圈在小信号下容易受到干扰。如壳架为125A及以下电流规格中，实现这种双线圈方案的电流互感器空间体积就较为困难。在电子过载继电器中，额定电流通常有几安培或十几安培的，则不宜采用该电流互感器方案。通常还是采用的常规的单线圈方式，尤其在电子过载继电器。

采用常规单线圈方案中，实现接地保护功能，如美国专利US6407894B1，电流取样电阻在进行整流之前，采样为交流信号，且在信号进行运放处理过程中，运放需要选用带有隔离的运放或采用正负电源，同时信号需要进行两级运放处理，信号调理电路都较为复杂。目前在继电器中常采用一种半波进行接地保护，由于采用半波进行有效值计算，在保护精度要求较高的应用则不能满足。

发明内容

为了解决以上问题本发明提供了一种采用单线圈电流互感器方案中实现接地故障保护的电路及方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种接地故障电流检测电路，其特征在于：包括电流互感器、整流采样电路、电源电路、信号调理电路、单片机及外围电路五部分组成。

所述的电流互感器为A相、B相、C相电流互感器或A相、B相、C相、N相电流互感器。

所述的整流采样电路全桥整流电路与电流取样电阻包括了二极管D2、D3、D4、D5组成A相全桥整流电流，二极管D6、D7、D8、D9组成B相全桥整流电流，二极管D10、D11、D12、D13组成C相全桥整流电流，A相采样电阻R4串联在二极管D4阳极，A相采样电阻R5串联在二极管D5阳极，B相采样电阻R14串联在二极管D8阳极，A相采样电阻R5串联在二极管D9阳极，C相采样电阻R12串联在二极管D12阳极，A相采样电阻R13串联在二极管D13阳极。

所述的信号调理电路为：A相sampA+信号经过电阻R6与电容C5组成信号滤波电路，通过电阻R7连接于运放U2A的反相输入端，U2A的同相输入端通过电阻R12接地，反馈电阻R35连接于运放U2A的反相输入端与输出端，运放U2A输出信号通过电阻R10连接电容C7，电容C7另一端接地，电阻R10输出信号连接单片机进行ADC处理；A相sampA-信号经过电阻R8与电容C6组成信号滤波电路，通过电阻R9连接于运放U3A的反相输入端，U3A的同相输入端通过电阻R13接地，反馈电阻R36连接于运放U3A的反相输入端与输出端，运放U3A输出信号通过电阻R11连接电容C8，电容C8另一端接地，电阻R11输出信号连接单片机进行ADC处理；B相sampB+，sampB-，C相sampC+，sampC-信号处理原理及方法同A相sampA+，sampA-。

所述的单片机及外围电路主要包括MCU及晶振、复位电路。

为实现上述目的，本发明提供了一种接地故障电流检测方法，其特征在于：采用固定频率的采样方式，即在整数周期内，连续模拟信号采用等时间间隔方式分隔成n个离散点，n大于等于16；A相采样电阻R4上模拟信号进入单片机后进行ADC转换为n个离散点数字信号为{Ia1⁺，Ia2⁺，Ia3⁺，...Ian⁺}，A相采样电阻R5上模拟信号转换为n个离散点数字信号为{Ia1^-，Ia2^-，Ia3^-，...Ian^-}，同理，其它采样电阻上模拟信号转换为数字信号分别为：{Ib1⁺，Ib2⁺，Ib3⁺，...Ibn⁺}，{Ib1^-，Ib2^-，Ib3^-，...Ibn^-}，{Ic1⁺，Ic2⁺，Ic3⁺，...Icn⁺}，{Ic1^-，Ic2^-，Ic3^-，...Icn^-}；

A相、B相、C相每个离散点进行向量计算，处理方式如下：

|Ia1⁺+Ib1⁺+Ic1⁺-Ia1^--Ib1^--Ic1^-|，|Ia2⁺+Ib2⁺+Ic2⁺-Ia2^--Ib2-Ic2^-|，…|Ian⁺+Ibn⁺+Icn⁺-Ian^--Ib1^--Icn^-|

接地故障电流数字信号离散点为{Ig1，Ig2，…Ign}＝{|Ia1⁺+Ib1⁺+Ic1⁺-Ia1^--Ib1^--Ic1^-|，|Ia2⁺+Ib2⁺+Ic2⁺-Ia2^--Ib2^-Ic2^-|，Ia3⁺+Ib3⁺+Ic3⁺-Ia3^--Ib3^-Ic3^-|，…|Ian⁺+Ibn⁺+Icn⁺-Ian^--Ib1^--Icn^-|}

接地故障有效值：

采用本发明的技术方案及方法，与已公知的技术相比，具有以下如下有益效果：

1、本发明的技术方案原理简单、所需电子器件少且通用，成本低。

2、本发明的技术方案及方法与采用半波计算接地故障电流值具有保护精度高，可靠。

3、本发明的技术方案及方法适用单线圈的电流互感器实现接地保护功能。尤其适用于空间体积要求较高且额定较小电器保护开关中。

附图说明

图1本发明实施方案的原理框图。

图2本发明实施方案的电路图。

图3本发明实施方案A相采样波形示意图。

图4本发明实施方案B相采样波形示意图。

图5本发明实施方案C相采样波形示意图。

图6本发明实施方案三相波形叠加后接地电流Ig电流波形示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

如图1、2所示，本发明提供了一种接地故障电流检测电路，包括电流互感器，整流采样电路、电源电路、信号调理电路、单片机及外围电路五部分组成。所述的电流互感器为A相、B相、C相电流互感器或A相、B相、C相、N相电流互感器。电流互感器输出电流信号直接连接到二极管组成的全桥整流电路，电流互感器的输出电流信号仅作为电流检测，同时也为电源电路及其他电路提供能量。所述的全桥整流电路包括采样电阻R4、R5、R14、R15、R32、R33，二极管D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8、D9、D10、D11、D12、D13；A相电流互感器输出CTA+，CTA-连接到由二极管D2、D3、D4、D5构成的整流桥，即二极管D2、二极管D4串联，二极管D3、二极管D5串联，然后再进行并联，CTA+连接在二极管D2与二极管D4之间，CTA-连接在二极管D3与二极管D5之间；B相电流互感器输出CTB+，CTB-连接到由二极管D6、D7、D8、D9构成的整流桥，即二极管D6、二极管D8串联，二极管D7、二极管D9串联，然后再进行并联，CTB+连接在二极管D6与二极管D8之间，CTB-连接在二极管D7与二极管D9之间；C相电流互感器输出CTC+，CTC-连接到由二极管D10、D11、D12、D13构成的整流桥，即二极管D10、二极管D12串联，二极管D11、二极管D13串联，然后再进行并联，CTC+连接在二极管D10与二极管D12之间，CTC-连接在二极管D11与二极管D13之间；

采样电阻R4串联在二极管D4的阳极，采样电阻R4波形为sampA+，采样电阻R5串联在二极管D5的阳极，采样电阻R5波形为sampA-，即A相波形被采样电阻R4，R5被分为sampA+，sampA-；采样电阻R14串联在二极管D8的阳极，采样电阻R14波形为sampB+，采样电阻R15串联在二极管D9的阳极，采样电阻R5波形为sampB-，即B相波形被采样电阻R14，R15被分为sampB+，sampB-；采样电阻R32串联在二极管D12的阳极，采样电阻R32波形为sampC+，采样电阻R33串联在二极管D13的阳极，采样电阻R33波形为sampC-，即C相波形被采样电阻R32，R33被分为sampC+，sampC-；

所述的电源电路包括电感L1与电容C1组成的滤波电路，由TVS管Z1，功率MOS管T1，运放U1，电阻R1，R2，R3，电容C4及基准源Z2组成的稳压电路，由电容C1，C3组成的储能电路三部分构成。其中电感L1与电容C1串联组成滤波电路，电感L1串联在主回路，电容C1并联主回路，电阻R1，R3组成分压电路连接运放同相输入端，电阻R34与基准源串联，基准连接运放的反相输入端，电容C4与基准源并联。运放的输出端连接功率MOS管的G极，电阻R3作为下拉电阻并联在功率MOS管的G极。

所述的信号调理电路包括由6个结构与原理相同电路组成，其中每个信号调理电路都由电阻、电容、运放组成。A相sampA+信号经过电阻R6与电容C5组成信号滤波电路，通过电阻R7连接于运放U2A的反相输入端，运放U2A的同相输入端通过电阻R12接地，反馈电阻R35连接于运放U2A的反相输入端与输出端，运放U2A输出信号通过电阻R10连接电容C7，电容C7另一端接地，电阻R10输出信号连接单片机进行ADC处理。A相sampA-信号经过电阻R8与电容C6组成信号滤波电路，通过电阻R9连接于运放U3A的反相输入端，运放U3A的同相输入端通过电阻R13接地，反馈电阻R36连接于运放U3A的反相输入端与输出端，运放U3A输出信号通过电阻R11连接电容C8，电容C8另一端接地，电阻R11输出信号连接单片机进行ADC处理。B相sampB+信号经过电阻R16与电容C9组成信号滤波电路，通过电阻R17连接于运放U2B的反相输入端，运放U2B的同相输入端通过电阻R22接地，反馈电阻R37连接于运放U2B的反相输入端与输出端，运放U2B输出信号通过电阻R20连接电容C11，电容C11另一端接地，电阻R20输出信号连接单片机进行ADC处理。B相sampB-信号经过电阻R18与电容C10组成信号滤波电路，通过电阻R19连接于运放U3B的反相输入端，运放U3B的同相输入端通过电阻R23接地，反馈电阻R38连接于运放U3B的反相输入端与输出端，运放U3B输出信号通过电阻R21连接电容C12，电容C12另一端接地，电阻R21输出信号连接单片机进行ADC处理。C相sampC+信号经过电阻R24与电容C13组成信号滤波电路，通过电阻R25连接于运放U2C的反相输入端，U2C的同相输入端通过电阻R30接地，反馈电阻R39连接于运放U2C的反相输入端与输出端，运放U2C输出信号通过电阻R28连接电容C15，电容C15另一端接地，电阻R28输出信号连接单片机进行ADC处理。C相sampC-信号经过电阻R26与电容C14组成信号滤波电路，通过电阻R27连接于运放U3C的反相输入端，运放U3C的同相输入端通过电阻R31接地，反馈电阻R40连接于运放U3C的反相输入端与输出端，运放U3C输出信号通过电阻R29连接电容C16，电容C16另一端接地，电阻R29输出信号连接单片机进行ADC处理。

一种接地故障电流检测方法：

采用固定频率的采样方式，即在整数周期内，连续模拟信号采用等时间间隔方式分隔成32个离散点，采用周期为0.625ms。A相采样电阻R4上模拟信号经信号调理电路后进入单片机后进行ADC转换为32个离散点数字信号为{Ia1⁺，Ia2⁺，Ia3⁺，...Ia32⁺}，A相采样电阻R5上模拟信号转换为32个离散点数字信号为{Ia1^-，Ia2^-，Ia3^-，...Ia32^-}。其中{Ia1⁺，Ia2⁺，Ia3⁺，...Ia32⁺}32个离散的点用光滑的实线一次连接起来，{Ia1^-，Ia2^-，Ia3^-，...Ia32^-}32个离散的点用光滑的虚线一次连接起来组成的波形，如图3所示。即构成A相电流采样信号的完整的波形。

同理，其它相采样电阻上模拟信号转换为32个离散点数字信号分别为：{Ib1⁺，Ib2⁺，Ib3⁺，...Ib32⁺}，{Ib1^-，Ib2^-，Ib3^-，...Ib32^-}，{Ic1⁺，Ic2⁺，Ic3⁺，...Ic32⁺}，{Ic1^-，Ic2^-，Ic3^-，...Ic32^-}。其构成波形如图4、图5所示。

通过软件算法处理，A相、B相、C相每个离散点进行向量计算，处理方式如下：

|Ia1⁺+Ib1⁺+Ic1⁺-Ia1^--Ib1^--Ic1^-|，|Ia2⁺+Ib2⁺+Ic2⁺-Ia2^--Ib2^-Ic2^-|，…|Ia32⁺+Ib32⁺+Ic32⁺-Ia32^--Ib32^-Ic32^-|

即等效于把A、B、C三相电流采样信号的波形进行矢量叠加。如图6所示，

令，Ig1＝|Ia1⁺+Ib1⁺+Ic1⁺-Ia1^--Ib1^--Ic1^-|，Ig2＝|Ia2⁺+Ib2⁺+Ic2⁺-Ia2^--Ib2^-Ic2^-|，|Ia32⁺+Ib32⁺+Ic32⁺-Ia32^--Ib32^-Ic32^-|

把进行处理后的离散点{Ig1，Ig2，…Ign}用光滑的去向连接起来，即为接地故障电流波形。采用均方根的公式进行有效值计算：

式中n＝32，即可计算出接地故障电流的有效值。再有效值进行去处理，去除干扰与直流偏置。根据接地故障电流有效值大小控制器执行响应的保护程序。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不限制于本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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权利要求范围之内。

Claims (2)

1.一种接地故障电流检测电路，其特征在于：包括整流采样电路(5)、电源电路(4)、信号调理电路(2)、单片机及外围电路(3)；整流采样电路(5)包括电流互感器、全桥整流电路；

所述的全桥整流电路包括采样电阻R4、R5、R14、R15、R32、R33,二极管D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8、D9、D10、D11、D12、D13；

电流互感器输出电流信号直接连接到二极管组成的全桥整流电路；

其中A相电流互感器输出CTA+,CTA-连接到由二极管D2、D3、D4、D5构成的整流桥，即串联的二极管D2、二极管D4与串联的二极管D3、二极管D5并联；CTA+连接在二极管D2与二极管D4之间，CTA-连接在二极管D3与二极管D5之间；

B相电流互感器输出CTB+,CTB-连接到由二极管D6、D7、D8、D9构成的整流桥,即串联的二极管D6、二极管D8与串联的二极管D7、二极管D9并联；CTB+连接在二极管D6与二极管D8之间，CTB-连接在二极管D7与二极管D9之间；

C相电流互感器输出CTC+,CTC-连接到由二极管D10、D11、D12、D13构成的整流桥，即串联的二极管D10、二极管D12与串联的二极管D11、二极管D13并联；CTC+连接在二极管D10与二极管D12之间，CTC-连接在二极管D11与二极管D13之间；

采样电阻R4串联在二极管D4的阳极，采样电阻R4波形为sampA+，采样电阻R5串联在二极管D5的阳极，采样电阻R5波形为sampA-；

采样电阻R14串联在二极管D8的阳极，采样电阻R14波形为sampB+，采样电阻R15串联在二极管D9的阳极，采样电阻R15波形为sampB-；

采样电阻R32串联在二极管D12的阳极，采样电阻R32波形为sampC+,采样电阻R33串联在二极管D13的阳极,采样电阻R33波形为sampC-；

所述的信号调理电路(2)把采样电阻模拟信号经运放、滤波处理后输出的信号给单片机进行ADC采样处理；

所述的电源电路(4)用于提供电源和参考基准源；

所述的电流互感器为A相、B相、C相电流互感器或A相、B相、C相、N相电流互感器；

所述的信号调理电路为：A相sampA+信号经过电阻R6与电容C5组成信号滤波电路，通过电阻R7连接于运放U2A的反相输入端，U2A的同相输入端通过电阻R12接地，反馈电阻R35连接于运放U2A的反相输入端与输出端，运放U2A输出信号通过电阻R10连接电容C7，电容C7另一端接地，电阻R10输出信号连接单片机进行ADC处理；

A相sampA-信号经过电阻R8与电容C6组成信号滤波电路，通过电阻R9连接于运放U3A的反相输入端，U3A的同相输入端通过电阻R13接地，反馈电阻R36连接于运放U3A的反相输入端与输出端，运放U3A输出信号通过电阻R11连接电容C8，电容C8另一端接地，电阻 R11输出信号连接单片机进行ADC处理；

B相sampB+,sampB-,C相sampC+,sampC-信号处理原理及方法同A相sampA+，sampA-。

2.一种接地故障电流检测方法，其特征在于：采用固定频率的采样方式，即在整数周期内，连续模拟信号采用等时间间隔方式分隔成n个离散点，n大于等于16；A相采样电阻R4上模拟信号进入单片机后进行ADC转换为n个离散点数字信号为{Ia1⁺，Ia2⁺，Ia3⁺，…Ian⁺}，A相采样电阻R5上模拟信号转换为n个离散点数字信号为{Ia1^-，Ia2^-，Ia3^-，…Ian^-}，同理，其它采样电阻上模拟信号转换为数字信号分别为：{Ib1⁺，Ib2⁺，Ib3⁺，…Ibn⁺}，{Ib1^-，Ib2^-，Ib3^-，…Ibn^-}，{Ic1⁺，Ic2⁺，Ic3⁺，…Icn⁺}，{Ic1^-，Ic2^-，Ic3^-，…Icn^-}；

A相、B相、C相每个离散点进行向量计算，处理方式如下：

|Ia1⁺+Ib1⁺+Ic1⁺-Ia1^--Ib1^--Ic1^-|，|Ia2⁺+Ib2⁺+Ic2⁺-Ia2^--Ib2^—Ic2^-|，…|Ian⁺+Ibn⁺+Icn⁺-Ian^--Ib1^--Icn^-|

接地故障电流数字信号离散点为{Ig1,Ig2,…Ign}＝{|Ia1⁺+Ib1⁺+Ic1⁺-Ia1^--Ib1^--Ic1^-|，|Ia2⁺+Ib2⁺+Ic2⁺-Ia2^--Ib2^—Ic2^-|，Ia3⁺+Ib3⁺+Ic3⁺-Ia3^--Ib3^—Ic3^-|，…|Ian⁺+Ibn⁺+Icn⁺-Ian^--Ib1^--Icn^-|}

接地故障有效值：