CN105576597A - 一种剩余电流动作保护方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种剩余电流动作保护方法及装置，该方法包括下列步骤：采集剩余电流信号，并判断其是否为突变剩余电流；当判断所述剩余电流为突变剩余电流时，进行剩余电流动作保护，否则进入自动调挡程序；当剩余电流在设定限值范围内时，动作阈值不变；当剩余电流超出设定限值范围时，且持续时间大于设定时间后，改变动作阀值，并将剩余电流设定值范围进行浮动调档；当剩余电流超过动作阀值时，发出脱扣指令，断开线路，当剩余电流未超过动作阈值时，保护器不动作。本发明提供了智能型剩余电流保护器的自动调挡功能，可以根据电网运行水平自动切换动作电流档位,来提高电网的运行率，同时具有突变剩余电流保护功能。

Description

一种剩余电流动作保护方法及装置

技术领域

本发明涉及电力系统中对低压线路进行故障剩余电流保护的领域，且特别涉及一种剩余电流动作保护方法及装置，具体涉及保护器的自动调挡功能及突变剩余电流保护功能。

背景技术

随着电网中用电设备的增加和普及，因为电气设备使用不当或线路造成的故障剩余电流时有发生。剩余电流事故会引起火灾、用电设备损坏以及用电人员伤害。通常，衡量一个国家或地区的触、剩余电流事故发生率是以每消耗1亿度电造成的死亡人数来表示的，发达国家的安全用电水平已控制在每消耗1亿度电造成死亡1人以下，而我国还远没有达到这个安全用电水平，尤其是广大的农村地区和偏僻山区。全国火灾统计数据表明，我国电气火灾一直保持在总火灾总数的30％左右，造成的直接经济损失却达到了总损失的40％以上，为了人身安全与用电设备安全，在低压电网中安装剩余电流动作保护器是防止人身触电、电气火灾及电气设备损坏的一种有效的防护措施。

在低压电网中,剩余电流动作保护器用以防止因剩余电流引发的电气火灾、人身触电和电气设备损坏，在保障用电安全方面起着重要的作用。实际使用中，当设定剩余电流动作阈值较小时，常引起剩余电流保护器频繁动作，造成电网运行率降低。迫使一些用户擅自将剩余电流保护器退出运行，存在重大安全隐患。另一方面，当设定剩余电流保护器动作阈值较大时，可以减少剩余电流保护器的动作次数，提高电网运行率，但降低了剩余电流保护的有效性。

目前广泛应用于低压电网的剩余电流保护器动作阈值固定，不能自动调节，自适应能力及实用性较差。实际情况下，各种用配电线路的固有剩余电流是不同的，且在不同气候、不同环境条件及不同的线路状况下，剩余电流的变化很大，如果剩余电流保护器的动作值为一固定值，同一产品在固有剩余电流小的线路中使用时，可能起不到应有的安全保护作用；在固有剩余电流大的线路中使用时，又会出现经常跳闸停电的情况，造成供电安全可靠性差，给用户带来不必要的停电损失。

发明内容

本发明提出一种剩余电流动作保护方法及装置，提供了智能型剩余电流保护器的自动调挡功能，可以根据电网运行水平自动切换动作电流档位,来提高电网的运行率，同时具有突变剩余电流保护功能。

为了达到上述目的，本发明提出一种剩余电流动作保护装置，包括：

剩余电流检测电路，包括零序电流互感器将剩余电流产生的零序电流转换为电压信号；

信号调理电路，包括运算放大器将所述剩余电流检测电路输出的电压信号进行放大处理；

微处理器，包括单片机根据所述信号调理电路输出的电压信号判断剩余电流信号是否超过规定阈值；

脱扣器驱动电路，用于接收所述微处理器发出的脱扣指令，并驱动脱扣器脱扣，断开线路；

电源模块，为以上各模块进行供电。

进一步的，所述零序电流互感器所转换产生的电压信号分为两部分：

一路信号作为比较信号经过放大处理后输出到所述微处理器，并与设定的整定值比较判断剩余电流信号是否超过规定阈值；

另一路信号经过信号放大、滤波处理和A/D转换生成数字信号，通过外接的显示单元进行状态显示。

进一步的，所述电源模块提供+12v和+5v两路输出电压，其中+5v为脱扣器驱动电路、微处理器和信号调理电路中的运算放大器供电，+12v为外设供电。

为了达到上述目的，本发明还提出一种剩余电流动作保护方法，包括下列步骤：

采集剩余电流信号，并判断其是否为突变剩余电流；

当判断所述剩余电流为突变剩余电流时，进行剩余电流动作保护，否则进入自动调挡程序；

当剩余电流在设定限值范围内时，动作阈值不变；

当剩余电流超出设定限值范围时，且持续时间大于设定时间后，改变动作阀值，并将剩余电流设定值范围进行浮动调档；

当剩余电流超过动作阀值时，发出脱扣指令，断开线路，当剩余电流未超过动作阈值时，保护器不动作。

进一步的，所述剩余电流设定值范围的档位设定为：80、160、320、400、480、560、720、800、960、1040mA。

进一步的，所述自动调档的原则为：如果降1档档位值+10>当前剩余电流值>降2档档位值+10，且时间达到45s，则自动降档到合适的档位值。

进一步的，所述剩余电流设定值范围的档位在系统初始化时设定为1040mA的档位，并将档位进入标志设置为1。

进一步的，所述自动调挡程序通过对检测到的剩余电流值进行判断，使程序进入相应档位部分进行处理：

每进入一个档位，首先判断档位进入标志，查看上一次是进入的哪个档位；

如果为第一次进入当前档位，表明当前剩余电流值已经变化到一个新的区间内，之前的对其他档位的45s电流监测或正常的运行状态结束，此时将重新45s启动定时器，开始进行该档位的电流监测；

如果上一次也是进入的该档位，则判断保持在该区间运行的时间是否已经超过45s，如果45s对应的计数值未到就跳出该部分，开始进行下一轮的判断；

如果45s对应的计数值已经到达，表明剩余电流已经在当前的区间内运行并保持了45s，这时需要将剩余电流的动作值档位切换到当前区间所对应的档位上，点亮相应档位的状态指示灯，关闭45s计时操作，并且清零定时器，以准备进行下一轮的操作。

进一步的，所述当所述剩余电流为突变剩余电流时，首先计算前后两个周期的剩余电流的差，判断其是否大于突变剩余电流动作值，当差值大于突变剩余电流动作值时，执行机构动作。

进一步的，在实现突变剩余电流保护时，根据剩余电流的大小进行反时限剩余电流保护，所述反时限保护的通用数学模型的基本形式为：

$t=\frac{KM}{{\left(\frac{I}{I_p}\right)}^n-a};$

其中，t为动作延时；K是设计的常数；M是由用户整定的时间常数，由上下级保护动作时间的正确配合要求决定；I为保护测量电流；Ip为基准电流，取被保护设备的额定电流；a是曲线水平移动常数，反应了反时限保护动作能够动作的电流相对于Ip的倍数，取1.0；n是曲线形状常数，在0～2之间取值，n越大曲线形状越陡，即保护动作时间随电流增大而减小的越快。

本发明提出的剩余电流动作保护方法及装置，提供了智能型剩余电流保护器的自动调挡功能，可以根据电网运行水平自动切换动作电流档位,来提高电网的运行率。同时，为保障对故障剩余电流的正确防护，设计了剩余电流保护器的突变剩余电流保护功能，保护动作具有反时限功能。因此，提高了保护器的自适应能力及可靠性。

附图说明

图1所示为本发明较佳实施例的剩余电流动作保护装置结构示意图。

图2所示为本发明较佳实施例的剩余电流动作保护方法中自动调档流程图。

图3所示为本发明较佳实施例的剩余电流动作保护方法中突变剩余电流保护流程图。

具体实施方式

以下结合附图给出本发明的具体实施方式，但本发明不限于以下的实施方式。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用于方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

请参考图1，图1所示为本发明较佳实施例的剩余电流动作保护装置结构示意图。本发明提出一种剩余电流动作保护装置，包括：

剩余电流检测电路100，包括零序电流互感器将剩余电流产生的零序电流转换为电压信号；

信号调理电路200，包括运算放大器将所述剩余电流检测电路100输出的电压信号进行放大处理；

微处理器300，包括单片机根据所述信号调理电路200输出的电压信号判断剩余电流信号是否超过规定阈值；

脱扣器驱动电路400，用于接收所述微处理器300发出的脱扣指令，并驱动脱扣器脱扣，断开线路；

电源模块500，为以上各模块进行供电。

根据本发明较佳实施例，所述零序电流互感器所转换产生的电压信号分为两部分：

一路信号作为比较信号经过放大处理后输出到所述微处理器，并与设定的整定值比较判断剩余电流信号是否超过规定阈值；

另一路信号经过信号放大、滤波处理和A/D转换生成数字信号，通过外接的显示单元600进行状态显示，以实现实时监测漏电电流的目的，如果发现供电系统剩余电流明显加大，可以在没达到保护器保护动作前，人为地检查线路及设备并排除故障。

剩余电流保护器直接安装在电网中，为了满足电路工作的要求，所述电源模块提供+12v和+5v两路输出电压，其中+5v为脱扣器驱动电路、微处理器和信号调理电路中的运算放大器供电，+12v为外设供电。

由于剩余电流信号为一差值信号，相对于电路的工作电流而言比较微弱，只有几十毫安，因此需要选择灵敏度较高的剩余电流互感器并设计合适的调理电路，以得到符合单片机A/D转换要求的模拟电压信号。变为A/D转换模块可以采集的单极性电压信号(0-5V)，最后送入单片机的A/D转换端口。单片机对该模拟值进行10-bit的数字转换，这个方法将输入的0-5V电压值转换为0到1023间的整数值。

单片机引脚的驱动能力非常小，不满足脱扣线圈的功率要求。为了增大驱动能力，设计了脱扣器驱动电路。当单片机检测到线路中发生剩余电流故障后，延时特定的时间，然后发出脱口指令，继电器线圈得电，将线电压加到脱扣器上，驱动脱扣器脱扣。脱口动作完成后，停止发送脱扣指令。为了保护脱扣器，避免脱扣器因发热而烧毁，脱口信号设计为周期性脉冲信号。

此外，本发明提出的剩余电流动作保护装置还包括按键电路，其中按键部分包括设置、选择、确定、查询四个功能键。当某个按键电位为低电位时，表示按键按下，此时进行相应的操作。

在请参考图2，图2所示为本发明较佳实施例的剩余电流动作保护方法中自动调档流程图。本发明还提出一种剩余电流动作保护方法，包括下列步骤：

采集剩余电流信号，并判断其是否为突变剩余电流；

当判断所述剩余电流为突变剩余电流时，进行剩余电流动作保护，否则进入自动调挡程序；

当剩余电流在设定限值范围内时，动作阈值不变；

当剩余电流超出设定限值范围时，且持续时间大于设定时间后，改变动作阀值，并将剩余电流设定值范围进行浮动调档；

当剩余电流超过动作阀值时，发出脱扣指令，断开线路，当剩余电流未超过动作阈值时，保护器不动作。

根据本发明较佳实施例，所述剩余电流设定值范围的档位设定为：80、160、320、400、480、560、720、800、960、1040mA。

所述自动调档的原则为：如果降1档档位值+10>当前剩余电流值>降2档档位值+10，且时间达到45s，则自动降档到合适的档位值。

根据相关的标准及设计要求，所述剩余电流设定值范围的档位在系统初始化时设定为1040mA的档位，并点亮该档位相应的状态指示灯；启动45s定时，开始对运行于1040mA动作值档位的剩余电流进行45s监视；在系统初始化部分将1040mA档位进入标志设置为1，表明已进入该动作值档位。这样便完成了初始化将动作档位置于1040mA的工作。

所述自动调挡程序通过对检测到的剩余电流值进行判断，使程序进入相应档位部分进行处理：

每进入一个档位，首先判断档位进入标志，查看上一次是进入的哪个档位；

如果为第一次进入当前档位，表明当前剩余电流值已经变化到一个新的区间内，之前的对其他档位的45s电流监测或正常的运行状态结束，此时将重新45s启动定时器，开始进行该档位的电流监测；

如果上一次也是进入的该档位，则判断保持在该区间运行的时间是否已经超过45s，如果45s对应的计数值未到就跳出该部分，开始进行下一轮的判断；

如果45s对应的计数值已经到达，表明剩余电流已经在当前的区间内运行并保持了45s，这时需要将剩余电流的动作值档位切换到当前区间所对应的档位上，点亮相应档位的状态指示灯，关闭45s计时操作，并且清零定时器，以准备进行下一轮的操作。

基于以上模型可以灵活的实现档位切换。首次将运行档位设置在最高档位可以避免由于运行水平不符合当前档位的设置而发生误动作，然后通过对当前运行水平的跟踪切换至实际的运行档位。不但具有从高档位自动向低档位切换的功能，还可以从低档位自动向高档位切换，并且换挡不伴随跳闸的发生。这样可以大大增强保护器的适应性。

再请参看图3，图3所示为本发明较佳实施例的剩余电流动作保护方法中突变剩余电流保护流程图。突变剩余电流保护的原理如下：

剩余电流保护方法主要研究缓变剩余电流和突变剩余电流两个动作保护值。缓变剩余电流动作值是指剩余电流缓慢变化时的额定剩余电流动作值，主要作用于线路总剩余电流；突变剩余电流动作值是指剩余电流突然变化时的额定剩余电流动作值，主要作用于人身触电时产生的脉冲剩余电流。一般我们把人身触电产生的突变剩余电流的额定值设定为30mA，即发生人身触电时，当产生的突变剩余电流值大于30mA时，要求剩余电流保护器动作。

所述当所述剩余电流为突变剩余电流时，首先计算前后两个周期的剩余电流的差，判断其是否大于突变剩余电流动作值，当差值大于突变剩余电流动作值时，执行机构动作。

进一步的，在实现突变剩余电流保护时，根据剩余电流的大小进行反时限剩余电流保护，所述反时限保护的通用数学模型的基本形式为：

$t=\frac{KM}{{\left(\frac{I}{I_p}\right)}^n-a};$

其中，t为动作延时；K是设计的常数；M是由用户整定的时间常数，一般由上下级保护动作时间的正确配合要求决定；I为保护测量电流；Ip为基准电流，一般取被保护设备的额定电流；a是曲线水平移动常数，反应了反时限保护动作能够动作的电流相对于Ip的倍数，一般取1.0；n是曲线形状常数，通常在0～2之间取值。n越大曲线形状越陡，即保护动作时间随电流增大而减小的越快。

通过剩余电流反时限保护，可以减少在一些短暂剩余电流故障时的保护动作，提高电网连续供电能力。

综上所述，本发明针对所要解决的技术问题，设计了智能型剩余电流保护器的自动调挡功能。

为了实现保护器的自动调挡功能，本发明采用如下的技术方案：建立了自动切换剩余电流动作档位的模型，并以此模型为基础设计了保护器的硬件电路及其软件流程。

将剩余电流保护范围分成几个区间，剩余电流动作阈值自动浮动，不需要人为调整。自动切换剩余电流动作档位的模型是：首先判断是不是突变剩余电流，若为突变剩余电流，则进行剩余电流动作保护，否则进入自动调挡程序。剩余电流在一定限值范围内时，动作阈值不变；剩余电流超出规定限值范围时，且持续时间大于一定时间后，改变动作值，剩余电流动作阈值进行浮动。

硬件部分主要包括电源、信号采集、信号调理、处理器及外围电路等部分。其中外围电路包括报警电路，脱扣电路等。保护器电源向各功能模块供电。

保护器工作时，通过剩余电流互感器感应电力线路中剩余电流信号，该剩余电流信号通过调理电路送入微处理器，微处理器根据自适应算法，判断剩余电流信号是否超过规定阈值。若剩余电流信号超过阈值，则发出脱扣命令，断开线路。若剩余电流信号未超过阈值，保护器不动作。

本发明提出的剩余电流动作保护方法及装置，提供了智能型剩余电流保护器的自动调挡功能，可以根据电网运行水平自动切换动作电流档位,来提高电网的运行率。同时，为保障对故障剩余电流的正确防护，设计了剩余电流保护器的突变剩余电流保护功能，保护动作具有反时限功能。因此，提高了保护器的自适应能力及可靠性。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (10)

1.一种剩余电流动作保护装置，其特征在于，包括：

剩余电流检测电路，包括零序电流互感器将剩余电流产生的零序电流转换为电压信号；

信号调理电路，包括运算放大器将所述剩余电流检测电路输出的电压信号进行放大处理；

微处理器，包括单片机根据所述信号调理电路输出的电压信号判断剩余电流信号是否超过规定阈值；

脱扣器驱动电路，用于接收所述微处理器发出的脱扣指令，并驱动脱扣器脱扣，断开线路；

电源模块，为以上各模块进行供电。

2.根据权利要求1所述的剩余电流动作保护装置，其特征在于，所述零序电流互感器所转换产生的电压信号分为两部分：

一路信号作为比较信号经过放大处理后输出到所述微处理器，并与设定的整定值比较判断剩余电流信号是否超过规定阈值；

另一路信号经过信号放大、滤波处理和A/D转换生成数字信号，通过外接的显示单元进行状态显示。

3.根据权利要求1所述的剩余电流动作保护装置，其特征在于，所述电源模块提供+12v和+5v两路输出电压，其中+5v为脱扣器驱动电路、微处理器和信号调理电路中的运算放大器供电，+12v为外设供电。

4.一种剩余电流动作保护方法，其特征在于，包括下列步骤：

采集剩余电流信号，并判断其是否为突变剩余电流；

当判断所述剩余电流为突变剩余电流时，进行剩余电流动作保护，否则进入自动调挡程序；

当剩余电流在设定限值范围内时，动作阈值不变；

当剩余电流超出设定限值范围时，且持续时间大于设定时间后，改变动作阀值，并将剩余电流设定值范围进行浮动调档；

当剩余电流超过动作阀值时，发出脱扣指令，断开线路，当剩余电流未超过动作阈值时，保护器不动作。

5.根据权利要求4所述的剩余电流动作保护方法，其特征在于，所述剩余电流设定值范围的档位设定为：80、160、320、400、480、560、720、800、960、1040mA。

6.根据权利要求5所述的剩余电流动作保护方法，其特征在于，所述自动调档的原则为：如果降1档档位值+10>当前剩余电流值>降2档档位值+10，且时间达到45s，则自动降档到合适的档位值。

7.根据权利要求6所述的剩余电流动作保护方法，其特征在于，所述剩余电流设定值范围的档位在系统初始化时设定为1040mA的档位，并将档位进入标志设置为1。

8.根据权利要求6所述的剩余电流动作保护方法，其特征在于，所述自动调挡程序通过对检测到的剩余电流值进行判断，使程序进入相应档位部分进行处理：

每进入一个档位，首先判断档位进入标志，查看上一次是进入的哪个档位；

如果为第一次进入当前档位，表明当前剩余电流值已经变化到一个新的区间内，之前的对其他档位的45s电流监测或正常的运行状态结束，此时将重新45s启动定时器，开始进行该档位的电流监测；

如果上一次也是进入的该档位，则判断保持在该区间运行的时间是否已经超过45s，如果45s对应的计数值未到就跳出该部分，开始进行下一轮的判断；

如果45s对应的计数值已经到达，表明剩余电流已经在当前的区间内运行并保持了45s，这时需要将剩余电流的动作值档位切换到当前区间所对应的档位上，点亮相应档位的状态指示灯，关闭45s计时操作，并且清零定时器，以准备进行下一轮的操作。

9.根据权利要求5所述的剩余电流动作保护方法，其特征在于，所述当所述剩余电流为突变剩余电流时，首先计算前后两个周期的剩余电流的差，判断其是否大于突变剩余电流动作值，当差值大于突变剩余电流动作值时，执行机构动作。

10.根据权利要求5所述的剩余电流动作保护方法，其特征在于，在实现突变剩余电流保护时，根据剩余电流的大小进行反时限剩余电流保护，所述反时限保护的通用数学模型的基本形式为：

$t=\frac{KM}{{\left(\frac{I}{I_P}\right)}^n-a};$

其中，t为动作延时；K是设计的常数；M是由用户整定的时间常数，由上下级保护动作时间的正确配合要求决定；I为保护测量电流；Ip为基准电流，取被保护设备的额定电流；a是曲线水平移动常数，反应了反时限保护动作能够动作的电流相对于Ip的倍数，取1.0；n是曲线形状常数，在0～2之间取值，n越大曲线形状越陡，即保护动作时间随电流增大而减小的越快。