CN111817258B - 一种基于改进的直流分量法的磁调制式直流漏电保护装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于改进的直流分量法的磁调制式直流漏电保护装置。其包括电流互感器、低通滤波电路、信号放大电路、第一补偿电路、第二补偿电路、单片机和脱扣装置;本发明提供的基于改进的直流分量法的磁调制式直流漏电保护装置,以单磁芯磁调制式的直流分量法为基础,使磁芯接入激磁电路,然后通过低通滤波电路以及信号放大电路将其处理,并设置相应的补偿电路,结合单片机控制,可有效避免误动作的产生,提高装置检测的准确性,实现直流漏电保护功能。
Description
技术领域
本发明属于直流漏电保护技术领域,特别是涉及一种基于改进的直流分量法的磁调制式直流漏电保护装置。
背景技术
随着光伏发电、新能源汽车、电动车充电站、智能直流配用电系统及微电网等技术的不断发展,各种直流系统得到了快速发展和大面积推广应用。为保证直流系统的安全可靠运行,需要大量直流监测和保护装置。因此,开发和设计高精度直流传感器并与断路器等结合形成直流系统漏电保护装置,在直流系统中可大幅度较少人身触电等事故的发生,从而提高系统的安全可靠性。
磁调制式电流互感器工作稳定时间长,且无输入时,具有零漂低、受环境温度影响小、隔离式设计、灵敏度高、高线性度等优势,因此更适合直流漏电保护。
当存在直流漏电流时,在被测直流作用下,激磁电流波形频谱中将出现直流分量和偶次谐波分量。在此基础之上,一般有两种磁调制式直流电流的检测方法,一种是以倍频磁调制器为核心构成,通常具有双磁芯结构,通过检测磁芯二次绕组输出信号中的二次谐波分量来测量电流大小。另一种是通过检测采样电阻电压频谱的直流分量来测量直流漏电流的大小和方向,也称直流分量法。
直流分量法在实际应用当中,当有漏电情况发生,并且漏电信号被消除后,采样电阻上电压频谱中的直流分量基本恒定在某一数值附近,并未减小至零,这可能与磁芯参数的选取有关;而且当漏电流方向不同时,直流分量的方向也不同,这对后续直流漏电的检测带来了很大影响。另外,当磁芯初次接入电路时,由于某些原因,其直流分量也不为零,并且与之前恒定的数值不同,这也会对漏电流的检测造成影响,进而引起漏电保护器误动作。
发明内容
为了解决上述问题,本发明的目的在于提供一种基于改进的直流分量法的磁调制式直流漏电保护装置。
为了达到上述目的,本发明提供的基于改进的直流分量法的磁调制式直流漏电保护装置包括:
电流互感器、低通滤波电路、信号放大电路、第一补偿电路、第二补偿电路、单片机和脱扣装置;其中:电流互感器为基于磁调制原理的磁调制式剩余电流互感器,用于检测用户供电线路上的漏电信号,低通滤波电路用于对采集到的信号进行预处理,信号放大电路用于对信号进行放大,第一补偿电路为由继电器模块、运算放大器与电阻组成的电路,用于补偿初次使用装置时不为零的直流分量,其有三个输入端a、b和c,一个输出端h,其中:a为第一输入端、b为第二输入端、c为控制输入端;第二补偿电路为由继电器模块、运算放大器与电阻组成的电路,用于补偿漏电信号消除后不为零的直流分量,其有三个输入端d、e和f,一个输出端g,其中:d为第一输入端、e为第二输入端、f为控制输入端;单片机用于控制第一补偿电路4和第二补偿电路是否接入电路以及脱扣装置是否动作,脱扣装置用于收到动作指令后断开总线路。
所述的电流互感器的输出端连接低通滤波电路的输入端,所述低通滤波电路的输出端与信号放大电路的输入端连接,所述信号放大电路的输出端分别与第一补偿电路的第一输入端a和第二补偿电路的第一输入端d连接,第一补偿电路的第二输入端b连接第一参考电压V1,其输出端h与单片机的一个输入端连接,第二补偿电路的第二输入端e连接第二参考电压V3,其输出端g与单片机的另一输入端相连,并且单片机的一个输出端与第一补偿电路的控制输入端c相连,单片机的另一输出端与第二补偿电路的控制输入端f相连,单片机的第三个输出端与脱扣装置相连。
所述的电流互感器由环形磁芯B、二次绕组C、运算放大器A、采样电阻Rs、第一阈值电压设置电阻R1和第二阈值电压设置电阻R2组成;其中:被保护线路的正极L和负极N从环形磁芯B中穿过,环形磁芯B上绕有二次绕组C,二次绕组C的两端分别与运算放大器A的反相输入端和输出端相连,采样电阻Rs的两端分别与运算放大器A的反相输入端和地线相连,第一阈值电压设置电阻R1的两端分别与运算放大器A的同相输入端和输出端相连,第二阈值电压设置电阻R2的两端分别与运算放大器A的同相输入端和地线相连接,运算放大器A的反相输入端与低通滤波电路的输入端连接。
所述的单片机为以微控制器为核心的嵌入式计算机系统,其需要具备至少两个模拟信号输入端和三个输出控制端。
本发明提供的基于改进的直流分量法的磁调制式直流漏电保护装置,以单磁芯磁调制式的直流分量法为基础,使磁芯接入激磁电路,然后通过低通滤波电路以及信号放大电路将其处理,并设置相应的补偿电路,结合单片机控制,可有效避免误动作的产生,提高装置检测的准确性,实现直流漏电保护功能。
附图说明
图1为本发明提供的基于改进的直流分量法的磁调制式直流漏电保护装置原理框图。
图2为电流互感器工作原理图;
图3为电流互感器中激磁回路等效电路图;
图4为未考虑磁滞效应时,磁化曲线分段线性化的简化模型;
图5为无漏电流时,输出波形示意图;
图6为漏电信号消除前后,波形对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明提供的基于改进的直流分量法的磁调制式直流漏电保护装置进行详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
如图1所示,本发明提供的基于改进的直流分量法的磁调制式直流漏电保护装置包括:
电流互感器1、低通滤波电路2、信号放大电路3、第一补偿电路4、第二补偿电路5、单片机6和脱扣装置7;其中:电流互感器1为基于磁调制原理的磁调制式剩余电流互感器,用于检测用户供电线路上的漏电信号,低通滤波电路2用于对采集到的信号进行预处理,信号放大电路3用于对信号进行放大,第一补偿电路4为由继电器模块、运算放大器与电阻组成的电路,用于补偿初次使用装置时不为零的直流分量,其有三个输入端a、b和c,一个输出端h,其中:a为第一输入端、b为第二输入端、c为控制输入端;第二补偿电路5为由继电器模块、运算放大器与电阻组成的电路,用于补偿漏电信号消除后不为零的直流分量,其有三个输入端d、e和f,一个输出端g,其中:d为第一输入端、e为第二输入端、f为控制输入端;单片机6用于控制第一补偿电路4和第二补偿电路5是否接入电路以及脱扣装置7是否动作,脱扣装置7用于收到动作指令后断开总线路。
所述的电流互感器1的输出端连接低通滤波电路2的输入端,所述低通滤波电路2的输出端与信号放大电路3的输入端连接,所述信号放大电路3的输出端分别与第一补偿电路4的第一输入端a和第二补偿电路5的第一输入端d连接,第一补偿电路4的第二输入端b连接第一参考电压V1,其输出端h与单片机6的一个输入端连接,第二补偿电路5的第二输入端e连接第二参考电压V3,其输出端g与单片机6的另一输入端相连,并且单片机6的一个输出端与第一补偿电路4的控制输入端c相连,单片机6的另一输出端与第二补偿电路5的控制输入端f相连,单片机6的第三个输出端与脱扣装置7相连。
所述的第一参考电压V1与第二参考电压V3的取值取决于具体的磁芯的磁特性。
如图2所示,所述的电流互感器1由环形磁芯B、二次绕组C、运算放大器A、采样电阻Rs、第一阈值电压设置电阻R1和第二阈值电压设置电阻R2组成;其中:被保护线路的正极L和负极N从环形磁芯B中穿过,环形磁芯B上绕有二次绕组C,二次绕组C的两端分别与运算放大器A的反相输入端和输出端相连,采样电阻Rs的两端分别与运算放大器A的反相输入端和地线相连,第一阈值电压设置电阻R1的两端分别与运算放大器A的同相输入端和输出端相连,第二阈值电压设置电阻R2的两端分别与运算放大器A的同相输入端和地线相连接,运算放大器A的反相输入端与低通滤波电路2的输入端连接。
所述的第一补偿电路4由继电器模块、运算放大器和电阻组成,继电器模块用于接收单片机6的控制信号来实现本补偿电路的接入与断开,运算放大器和电阻用于实现第一补偿电路4中的第一输入端a和第二输入端b电压信号之间的加减运算。所述的第二补偿电路5由继电器模块、运算放大器和电阻组成,继电器模块用于接收单片机6的控制信号来实现本补偿电路的接入与断开,运算放大器和电阻用于实现第二补偿电路5中的第一输入端d和第二输入端e电压信号之间的加减运算,其与第一补偿电路4的相同点在于电路拓扑结构、原理、元器件组成及参数均相同。
所述的单片机6为以微控制器为核心的嵌入式计算机系统,其需要具备至少两个模拟信号输入端和三个输出控制端。
所述的电流互感器1的工作原理如下:
电流互感器1的环形磁芯B上绕有一个二次绕组C,既作为激磁绕组,又作为检测绕组,其匝数为N2;采用运算放大器A输出的方波电压作为电流互感器1的激磁电压源。
为便于分析,在满足激磁电流不超过运算放大器A最大输出电流的前提下,假定运算放大器A输出电压的最大值为UH,最小值为UL,且UL=-UH;电路工作时,当采样电阻Rs上的电压达到阈值电压±Ur时,运算放大器A输出电压的极性发生反转,这样电路就自动产生一个方波激磁电压;阈值电压由第一阈值电压设置电阻R1和第二阈值电压设置电阻R2分压得到,满足
电流互感器1的激磁回路等效电路图如图3所示,线路中的直流漏电流指的是正负导线中的差值电流,即ip=iL+iN,正常情况下被测电流ip=0;i(t)表示二次绕组C中的电流,即激磁电流;ψ为二次绕组C的总磁链;dψ/dt表示二次绕组C的感应电动势。
为简化分析,假设磁调制磁芯(即:环形磁芯B,下同)的磁化曲线如图4所示,在饱和阶段磁感应强度不变,在线性阶段磁感应强度由最小负值变到最大正值,饱和区与线性区的临界点Hs对应的励磁电流为Is;在此假设条件下,饱和阶段绕组电感近似为零,而线性阶段电感为恒定值L。
由于激磁电压是一定频率的方波信号,可将磁芯在周期性正、负电压作用下的工作过程看作是正、负直流电压分别作用于电路时的过渡过程来分析,并将周期方波电压作用下的稳定状态看成一个接一个的过渡过程,建立磁调制式剩余电流互感器工作过程的数学模型;在未考虑磁滞效应的情况下,当无漏电情况发生时,理论上电路中激磁电压与采样电阻Rs上的电压波形如图5所示。
以下为直流分量法的分析过程,激磁电流表达式可写成:
a0为激磁电流频谱中的直流分量,w是激磁电流角频率,an、bn是谐波系数
由于ip<<IH,is<<IH,得到:
因此,当被测电流为直流电流时,二次绕组C中的电流i(t)的直流分量幅值a0恰好等于被测直流电流ip归算到二次侧的值Ip,而它们符号相反;故激磁电流的直流分量可以反映被测直流电流的大小和方向。
直流分量法在实际应用当中,当有漏电情况发生,并且漏电信号被消除后,采样电阻Rs上电压频谱中的直流分量基本恒定在某一数值附近,并未减小至零,如图6所示;而且当漏电流方向不同时,直流分量的方向也不同,这对后续直流漏电的检测带来了很大影响;另外,当磁芯初次接入电路时,由于某些原因,其直流分量也不为零,并且与之前恒定的数值不同,这也会对漏电流的检测造成影响,进而引起漏电保护器误动作。
因此,本发明基于磁调制式的直流分量法,使磁芯接入激磁电路,然后通过低通滤波电路2以及信号放大电路3将其处理,并设计了2个补偿电路,每个补偿电路中均有继电器模块;第一补偿电路4来补偿初次使用直流分量不为零的现象,第二补偿电路5对应于当有漏电情况发生,并且漏电情况被消除后,采样电阻Rs电压的直流分量不为零的情况;其中,补偿电路的一个输入端电压取值的大小取决于所用磁芯的具体磁特性,由于各磁芯的磁特性因各种原因均不能做到完全相同,故该方案需结合具体磁芯来确定补偿电路的输入端电压值,但补偿电路的原理均相同;通过两个补偿电路,以及结合单片机6控制,可有效避免误动作的产生,提高装置检测的准确性,实现直流漏电保护功能。
所述的单片机6的工作过程如下:单片机6上电后,将触发的输出信号给到第一补偿电路4中的继电器模块,使第一补偿电路4接入主电路;当漏电情况发生时,单片机6控制脱扣装置7断开总电路,并将断开的输出信号给到第一补偿电路4中的继电器模块,使第一补偿电路4从电路中断开;同时,单片机6则将触发的输出信号给到第二补偿电路5中的继电器模块,使第二补偿电路5接入电路,将直流分量值补偿至基本为零,消除了直流分量不为零的影响,为下次漏电流的检测做准备。
以上方案下,当无漏电发生时,第一补偿电路4接入电路,其输出信号基本为零;当出现漏电情况时,第一补偿电路4的输出信号可以反映漏电流的大小,并结合单片机6控制脱扣装置7断开主电路;而当漏电情况被消除之后,第一补偿电路4断开电路,第二补偿电路5接入电路,其输出信号基本为零。
本发明,以单磁芯电压型磁调制式电流互感器原理为理论基础;首先使磁芯接入激磁电路,然后通过低通滤波电路2以及信号放大电路3将采样电阻Rs上的电压信号进行处理,并设置相应的补偿电路,同时结合单片机6与脱扣装置7,可有效提高保护装置的可靠性、灵活性与准确性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出的是,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种基于改进的直流分量法的磁调制式直流漏电保护装置,其特征在于:所述的基于改进的直流分量法的磁调制式直流漏电保护装置包括:
电流互感器(1)、低通滤波电路(2)、信号放大电路(3)、第一补偿电路(4)、第二补偿电路(5)、单片机(6)和脱扣装置(7);其中:电流互感器(1)为基于磁调制原理的磁调制式剩余电流互感器,用于检测用户供电线路上的漏电信号,低通滤波电路(2)用于对采集到的信号进行预处理,信号放大电路(3)用于对信号进行放大,第一补偿电路(4)为由继电器模块、运算放大器与电阻组成的电路,用于补偿初次使用装置时不为零的直流分量,其有三个输入端a、b和c,一个输出端h,其中:a为第一输入端、b为第二输入端、c为控制输入端;第二补偿电路(5)为由继电器模块、运算放大器与电阻组成的电路,用于补偿漏电信号消除后不为零的直流分量,其有三个输入端d、e和f,一个输出端g,其中:d为第一输入端、e为第二输入端、f为控制输入端;单片机(6)用于控制第一补偿电路(4)和第二补偿电路(5)是否接入电路以及脱扣装置(7)是否动作,单片机(6)具有两个输入端和三个输出端,脱扣装置(7)用于收到动作指令后断开总线路;
所述的电流互感器(1)的输出端连接低通滤波电路(2)的输入端,所述低通滤波电路(2)的输出端与信号放大电路(3)的输入端连接,所述信号放大电路(3)的输出端分别与第一补偿电路(4)的第一输入端a和第二补偿电路(5)的第一输入端d连接,第一补偿电路(4)的第二输入端b连接第一参考电压V1,其输出端h与单片机(6)的第一输入端连接,第二补偿电路(5)的第二输入端e连接第二参考电压V3,其输出端g与单片机(6)的第二输入端相连,并且单片机(6)的第一输出端与第一补偿电路(4)的控制输入端c相连,单片机(6)的第二输出端与第二补偿电路(5)的控制输入端f相连,单片机(6)的第三输出端与脱扣装置(7)相连。
2.根据权利要求1所述的基于改进的直流分量法的磁调制式直流漏电保护装置,其特征在于:所述的电流互感器(1)由环形磁芯B、二次绕组C、运算放大器A、采样电阻Rs、第一阈值电压设置电阻R1和第二阈值电压设置电阻R2组成;其中:被保护线路的正极L和负极N从环形磁芯B中穿过,环形磁芯B上绕有二次绕组C,二次绕组C的两端分别与运算放大器A的反相输入端和输出端相连,采样电阻Rs的两端分别与运算放大器A的反相输入端和地线相连,第一阈值电压设置电阻R1的两端分别与运算放大器A的同相输入端和输出端相连,第二阈值电压设置电阻R2的两端分别与运算放大器A的同相输入端和地线相连接,运算放大器A的反相输入端与低通滤波电路(2)的输入端连接。
3.根据权利要求1所述的基于改进的直流分量法的磁调制式直流漏电保护装置,其特征在于:所述的单片机(6)为以微控制器为核心的嵌入式计算机系统,其需要具备至少两个模拟信号输入端和三个输出控制端。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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