CN108418179B - 一种漏电流检测快速保护电路及保护方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了电力电子领域内的一种漏电流检测快速保护电路，包括安装在待测回路上的电流互感器，电流互感器的副边输出绕组与自激振荡器两端相连，自激振荡器的输出端与快速保护电路的输入端相连，自激振荡器的输入端与采样电阻非接地端相连，同时采样电阻的非接地端与切比雪夫滤波器的输入端相连，切比雪夫滤波器的输出端与采样调理单元的输入端相连，采样调理单元包括信号分压电阻和运算放大器，切比雪夫滤波器的输出端与信号分压电阻的一端相连，信号分压电阻的另一端与快速保护电路的输出端、采样调理单元中的运算放大器的同相输入端直接相连，采样调理单元输出端与控制器相连，本发明检测较大漏电流时更加安全迅速，可用于光伏并网发电中。
Description
技术领域
本发明涉及一种光伏逆变器，特别涉及一种光伏并网逆变器电流检测及保护电路。
背景技术
随着光伏并网技术的推广和发展，光伏并网系统在我国也得到相关国家政策和财政支持。光伏并网系统一般由组件、逆变器和电网组成，是一种低压配电的方式，其中电网和负载的接口常采用逆变器系统，但系统中的电网和光伏阵列之间会存在直接的电气接触，然而光伏阵列和地之间会存在寄生电容，变化的电压将产生光伏并网逆变器系统中的漏电流，这会导致安全隐患，对人身造成伤害。另外，由于控制器的控制方式、器件特性及环境等其它不同因素的影响，抑制漏电流电路拓扑有不同程度的局限性，故也无法完全消除其漏电流隐患。若不能准确检测出漏电流，尤其当漏电流超出人体安全等级时不能及时保护的话，便可能会导致并网逆变器操作人员发生触电事故。因此必须确保在光伏逆变器中对漏电流值进行检测和判断后能启动迅速保护动作，从而确保并网逆变器系统的安全可靠运行。
目前光伏并网逆变器涉及到漏电流的部分，基本是通过相应的采样调理单元采集几个正弦周期的漏电流值，通过有效值程序算法进行运算，用所计算出来的正弦漏电流有效值与控制器中事先设定好的阈值进行比较以产生相应的动作。在出现漏电流过大的情况，控制器计算漏电流有效值后再进行判断以产生相应动作的过程势必会导致较长时间的延迟，增加了操作人员受到人身伤害的风险和系统安全可靠性的降低。
发明内容
本发明的目的是提供一种漏电流检测快速保护电路及保护方法，克服检测到较大漏电流时，光伏并网逆变器进行保护动作较慢的缺陷，使得检测较大漏电流时更加安全迅速。
本发明的目的是这样实现的：一种漏电流检测快速保护电路，包括安装在待测回路上的电流互感器，所述电流互感器的副边输出绕组与自激振荡器两端相连，所述自激振荡器的输出端与快速保护电路的输入端相连，自激振荡器的输入端与采样电阻Rs非接地端相连，同时采样电阻Rs的非接地端与切比雪夫滤波器的输入端相连，所述切比雪夫滤波器的输出端与采样调理单元的输入端相连，采样调理单元包括信号分压电阻R61和运算放大器U6，所述切比雪夫滤波器的输出端与信号分压电阻R61的一端相连，信号分压电阻R61的另一端与快速保护电路的输出端、采样调理单元中的运算放大器U6的同相输入端直接相连，采样调理单元输出端与控制器相连。
作为本发明的进一步限定，所述快速保护电路包括：微分电阻R1、泄放电阻R2、限流电阻R3、基极电阻R4、集电极电阻R5、微分电容C1、充电电容C2、阻塞二极管D1和NPN三极管Q1；自激振荡器的输出端与微分电容C1相连，微分电容C1的另一端与微分电阻R1以及阻塞二极管D1的阳极相连，阻塞二极管D1的阴极分两路，一路和限流电阻R3相连，另外一路和泄放电阻R2相连，限流电阻R3另一端分两路，一路通过基极电阻R4与NPN三极管Q1的基极相连，另一路和充电电容C2相连，微分电阻R1、泄放电阻R2和充电电容C2的另一端均接地；NPN三极管Q1的集电极与采样调理单元中的运算放大器U6的同相输入端连接且通过集电极电阻R5与正电压连接，NPN三极管Q1的发射极接地。
一种漏电流检测快速保护方法，包括以下过程：如果穿过电路互感器的待测电路正负回路的电流大小不一致，即发生漏电流时，在检测漏电流时，当电流互感器中的漏电流小于一定值时，自激振荡器产生的频率较低，采样电阻Rs两端电压经过切比雪夫低通滤波器送给采样调理单元，经过控制器计算得到漏电流值从而进行相应动作；当漏电流大于一定值，需要控制器迅速动作，此时是通过自激振荡器电路产生高频振荡，高频振荡通过微分电容C1给快速保护电路的充电电容C2充电，当充电电容C2的两端电压到达一定值时NPN三极管Q1导通，即将低电平送至采样调理单元的输入端，当采样调理单元采集到低电平时，控制器迅速判断产生动作，从而达到快速保护的功能。
作为本发明的进一步限定，所述控制器内为实现测量值的还原而设置偏置电压，所采集到低电平信号致使控制器内根据这一较高偏置电压计算且迅速得到较大有效值，从而让控制器迅速进入保护状态以实现快速的漏电流保护功能。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明通过使用快速保护电路，达到漏电流过大时的快速保护功能，可省去前级电路的采样、滤波环节，在控制器中直接根据所采样到的漏电流信号为零，通过与程序内的偏置电压值相减后，得到较大的直流信号，计算这一较大的直流信号有效值，会迅速得到较大漏电流的结论，从而实施保护功能；即通过本发明漏电流检测快速保护电路，则可有效减少从检测漏电流计算所得到过大判断到逆变器实施保护动作的时间，从而降低了操作人员的触电风险，从而增强逆变器系统的安全可靠性。
附图说明
图1为本发明保护电路框图。
图2为本发明快速保护电路框图。
图3为本发明保护电路原理图。
图4为本发明应用波形图。
图1中的符号名称：
图2中的符号名称：
图3中的符号名称：
图2和图3中的其它符号名称同图1，图3的其他符号名称同图1和图2。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。
本发明是针对新能标NB/T 32004-2013标准对光伏并网逆变器的要求，对于在大漏电流的情况下迅速进行漏电流保护，提出了一种漏电流检测快速保护电路及保护方法。
如图1和图2所示，本发明中的保护电路由如下部件构成：
电流互感器1、自激振荡器2、快速保护电路3、采样电阻Rs4、切比雪夫滤波器5、采样调理单元6、控制器7构成；其中，电流互感器1可以由带矩形磁滞回线特性的磁芯绕制线圈而成；控制器7由数字控制芯片构成；将待测电路的正负回路从电流互感器1穿过，电流互感器1的副边绕组两端与自激振荡器2的两端相连，且电流互感器1的线圈不分输入、输出端，自激振荡器2的输入端与采样电阻4的非接地端相连，同时采样电阻4的非接地端与切比雪夫滤波器5的输入端相连，切比雪夫滤波器5的输出端与采样调理单元6的信号分压电阻R61的一端相连，快速保护电路3的输入端与自激振荡器2的输出端相连，信号分压电阻R61的另一端与快速保护电路3的输出端和采样调理单元6中的运算放大器U6的同相输入端直接相连，采样调理单元6输出端与控制器7相连。
如图2和图3所示，本发明中的快速保护电路3中的元器件连接关系：自激振荡器2的输出端与快速保护电路3的微分电容C1相连，微分电容C1另一端与微分电阻R1和阻塞二极管D1的阳极相连，阻塞二极管D1的阴极分两路，一路和限流电阻R3相连，另外一路和泄放电阻R2相连，限流电阻R3的另一端分两路，一路通过基极电阻R4与NPN三极管Q1的基极相连，另一路和充电电容C2相连，微分电阻R1、泄放电阻R2和充电电容C2的另一端均接地。NPN三极管Q1的集电极与采样调理单元的运算放大器U6的同相输入端连接且通过集电极电阻R5与正电压连接，正电压选取+3.3V，NPN三极管Q1的发射极接地。
如果穿过电路互感器1的待测电路正负回路的电流大小不一致，即发生漏电流时，则电流互感器1中的磁芯会产生磁通量的变化，相应的会在磁芯上的副边绕组产生感应电流is，感应电流is流经采样电阻4（Rs），采样电阻4两端电压为us；采样电阻4两端的电压通过切比雪夫滤波器5滤波之后得到的电压值送到采样调理单元6，经调理得到控制器7所能接受的电压范围，控制器7利用得到的电压值计算漏电流大小。
结合图2和图3继续说明；由图3中的信号分压电阻R61与集电极电阻R5，当快速保护电路3中三极管Q1未导通时，因采样调理单元6中运算放大器的输入端阻抗近似无穷大，故采样调理单元6的输入信号应是切比雪夫滤波器5与快速保护电路3的输出量经R61与R5的线性叠加所得的信号。且当R61与R5是相等时，由图3可以推导知此时的采样调理单元6中运算放大器的输入信号是切比雪夫滤波器5所输出的正弦漏电流信号再叠加上+1.5V直流偏置，从而实现正负正弦漏电流信号的偏置以满足控制器7中AD采样的要求（AD通道电压信号不能为负）；而在控制器7中进行信号处理时，须在AD采样值中减去对应+1.5V的偏置值以得到正负对称的实际正弦漏电流值, 然后再由程序计算出实际漏电流的有效值，此值会被用来进行漏电流大小的判断。
本发明的漏电流检测快速保护方法中电路有两种不同的响应方式；第一种响应方式：在正常工作时，当电流互感器1中的漏电流小于一个阈值时，自激振荡器2产生的频率较低，微分电容C1对于此时自激振荡器2产生的等幅振荡信号的阻抗很大，在充电电容C2上的电量较少，且在振荡低电平时，通过泄放电阻R2及时将C2上的电量进行泄放，致使充电电容C2两端的电压不能将NPN三极管Q1导通，此时+3V将通过电阻R5与R61分压并在采样调理单元6中运算放大器的同相输入端产生+1.5V偏置电压；这时候感应电流is通过采样电阻4，采样电阻4两端的电压经过切比雪夫低通滤波器5滤波后得到正弦漏电流，再经R61与R5分压后并叠加上+1.5V偏置电压后送给采样调理单元6中运算放大器的同相端，经过调理后的输出信号送给控制器7的AD采样端，并由控制器7按以上所述方法减去直流偏置后计算得到正弦漏电流的有效值，在控制器7中，根据此计算所得漏电流的有效值大小进行判断以响应相应的动作；另一种响应方式：在突发漏电流过大情况下，超过设定的安全阈值，此时需要控制器7迅速响应保护动作以确保操作人员的人身安全，这时候的自激振荡器2会产生高频的振荡信号并输出送到微分电容C1的一端，另一端与微分电阻分压得到振荡电压经阻塞二极管D1给充电电容C2充电，因此时是高频，故电容C2所充的电量经泄放电阻R2后仍有较高值，通过基极电阻R4形成较大基极电流致使三极管Q1导通，从而使得三极管Q1的集电极电压近似为接地电压（为0），即将采样调理单元6的同相端强制拉成低电平（地电位）；而此时的切比雪夫滤波器5的输出正弦漏电流信号被阻断，从而使得经过调理单元6后送入控制器7的AD采样值为零，因在程序中要减去+1.5V的直流偏置值，故程序中将按1.5V的直流量计算有有效值，显然比计算正弦信号情况下的有效值要迅速，从而迅速得到一个较大的值与预置的门槛值进行比较，并发生相应的保护运作确保并网发电系统及人身安全。
本发明的一个具体实施例子如下：
实施图如图3所示，采用单相逆变器，电流互感器1的磁芯材料选用纳米晶材料，型号WF642B，匝比为N1：N2= 10：73；控制器7选用德州仪器公司（TI）公司的数字信号处理芯片TMS320F2808；自激振荡器中NPN型三极管Q2选用Toshiba Semiconductor的D882，PNP型三极管Q3选用的是ON Semiconductor安森美公司的2SA1020G三极管，Q2和Q3构成图腾柱式推挽输出；U1和U2选用TI公司的双路差动比较器LM2903，U3、U4、U5和U6选用TI公司的四路低噪声JFET输入通用运算放大器TL074；箝位二极管D2、D3选用ON Semiconductor安森美公司的MURA220T3；快速保护电路3中的NPN三极管Q1选用Toshiba Semiconductor公司的PMBT2222A；箝位二极管D4、D5选用Micro Commercial Components公司的1N4148W-TP，阻塞二极管同样选用上述公司的1N4148W-TP；限流电阻R11取值22.1kΩ，调理输入电阻R12、R13取值200Ω、100kΩ；自激振荡器2中的R21取值3kΩ，R22取值27kΩ，R23取值30kΩ，下拉电阻R24取值30kΩ，电阻R25取值27kΩ，比较器U1和U2采用+12V和-10V供电，运算放大器U3采用±12V供电。电阻快速保护电路3中的微分电容C1取值1nF，充电电容C2取值100nF，微分电阻R1取值10kΩ，泄放电阻R2取值2kΩ，限流电阻取值10kΩ，充电电容取值100nF，基极电阻R4取值10kΩ，集电极电阻R5取值5kΩ；采样电阻4的取值为Rs取值100Ω；切比雪夫滤波器5中的R51、R52、R53、R54、R55、R56和R57分别取值10kΩ、22.1kΩ、6.49kΩ、2kΩ、30kΩ、10kΩ、13kΩ，C51、C52、C53和C54的取值分别是10Nf、4.7nF、100nF和100nF；采样调理单元6中的R61取值5kΩ，R62取值2.7kΩ；如图4所示，通过电阻网络设置较大漏电流为152mA时，由实测波形知在31.4ms发生了保护，与新能标NB/T 32004-2013中当漏电流大于150mA时，并网逆变器与电网断开时间40ms相比，本发明的一种漏电流检测快速保护方法能够实现快速保护功能。
本发明的优点在于仅通过增加几个电子元器件形成快速保护电路，就可以达到漏电流过大时的快速保护功能，而旁路掉传统检测漏电流由滤波器得到正弦漏电流信号进行计算路径，从而提高了较大漏电流的计算速度以加快较大漏电流的保护速度；降低了操作人员的触电风险，增强了并网逆变器系统的安全可靠性，有助于智能电网的发展。本发明可获得如下好处：
1）快速保护电路所用元器件少，但获得的性能卓越；
2）能实现光伏并网逆变器出现较大漏电流时的迅速保护；
3）本发明的思路同样适用于其它类似电网接口电路。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。
Claims (4)
1.一种漏电流检测快速保护电路，其特征在于，包括安装在待测回路上的电流互感器，所述电流互感器的副边输出绕组与自激振荡器两端相连，所述自激振荡器的输出端与快速保护电路的输入端相连，自激振荡器的输入端与采样电阻Rs非接地端相连，同时采样电阻Rs的非接地端与切比雪夫滤波器的输入端相连，所述切比雪夫滤波器的输出端与采样调理单元的输入端相连，采样调理单元包括信号分压电阻R61和运算放大器U6，所述切比雪夫滤波器的输出端与信号分压电阻R61的一端相连，信号分压电阻R61的另一端与快速保护电路的输出端、采样调理单元中的运算放大器U6的同相输入端直接相连，采样调理单元输出端与控制器相连。
2.根据权利要求1所述的一种漏电流检测快速保护电路，其特征在于，所述快速保护电路包括：微分电阻R1、泄放电阻R2、限流电阻R3、基极电阻R4、集电极电阻R5、微分电容C1、充电电容C2、阻塞二极管D1和NPN三极管Q1；自激振荡器的输出端与微分电容C1的一端相连，微分电容C1的另一端与微分电阻R1的一端以及阻塞二极管D1的阳极相连，阻塞二极管D1的阴极分两路，一路和限流电阻R3的一端相连，另外一路和泄放电阻R2的一端相连，限流电阻R3另一端分两路，一路通过基极电阻R4与NPN三极管Q1的基极相连，另一路和充电电容C2的一端相连，微分电阻R1、泄放电阻R2和充电电容C2的另一端均接地；NPN三极管Q1的集电极与采样调理单元中的运算放大器U6的同相输入端连接且通过集电极电阻R5与正电压连接，NPN三极管Q1的发射极接地。
3.一种漏电流检测快速保护方法，其特征在于，使用漏电流检测快速保护电路，所述保护电路包括安装在待测回路上的电流互感器，所述电流互感器的副边输出绕组与自激振荡器两端相连，所述自激振荡器的输出端与快速保护电路的输入端相连，自激振荡器的输入端与采样电阻Rs非接地端相连，同时采样电阻Rs的非接地端与切比雪夫滤波器的输入端相连，所述切比雪夫滤波器的输出端与采样调理单元的输入端相连，采样调理单元包括信号分压电阻R61和运算放大器U6，所述切比雪夫滤波器的输出端与信号分压电阻R61的一端相连，信号分压电阻R61的另一端与快速保护电路的输出端、采样调理单元中的运算放大器U6的同相输入端直接相连，采样调理单元输出端与控制器相连；所述快速保护电路包括：微分电阻R1、泄放电阻R2、限流电阻R3、基极电阻R4、集电极电阻R5、微分电容C1、充电电容C2、阻塞二极管D1和NPN三极管Q1；自激振荡器的输出端与微分电容C1的一端相连，微分电容C1的另一端与微分电阻R1的一端以及阻塞二极管D1的阳极相连，阻塞二极管D1的阴极分两路，一路和限流电阻R3的一端相连，另外一路和泄放电阻R2的一端相连，限流电阻R3另一端分两路，一路通过基极电阻R4与NPN三极管Q1的基极相连，另一路和充电电容C2的一端相连，微分电阻R1、泄放电阻R2和充电电容C2的另一端均接地；NPN三极管Q1的集电极与采样调理单元中的运算放大器U6的同相输入端连接且通过集电极电阻R5与正电压连接，NPN三极管Q1的发射极接地；
如果穿过电流 互感器的待测电路正负回路的电流大小不一致，即发生漏电流时，在检测漏电流时，当电流互感器中的漏电流小于一定值时，自激振荡器产生的频率低，采样电阻Rs两端电压经过切比雪夫低通滤波器送给采样调理单元，经过控制器计算得到漏电流值从而进行相应动作；当漏电流大于一定值，需要控制器迅速动作，此时是通过自激振荡器电路产生高频振荡，高频振荡通过微分电容C1给快速保护电路的充电电容C2充电，当充电电容C2的两端电压到达一定值时NPN三极管Q1导通，即将低电平送至采样调理单元的输入端，当采样调理单元采集到低电平时，控制器迅速判断产生动作，从而达到快速保护的功能。
4.根据权利要求3所述的一种漏电流检测快速保护方法，其特征在于，所述控制器内为实现测量值的还原而设置偏置电压，所采集到低电平信号致使控制器内根据这一偏置电压计算且迅速得到有效值，从而让控制器迅速进入保护状态以实现快速的漏电流保护功能。
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