CN113466526B - 剩余电流传感器电路及断路器 - Google Patents

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Abstract

本公开公开了一种剩余电流传感器电路及断路器，包括：第一感测电路，被配置为感测待测电流，并输出具有第一频率的电压信号；补偿电路，包括补偿绕组，补偿电路与第一感测电路的输出端相连，补偿电路被配置为采集电压信号，以便在与补偿绕组对应的一次绕组上产生补偿信号，其中，补偿信号的频率与第一频率的大小相等方向相反；以及第二感测电路，包括第一二次绕组，第二感测电路被配置为感测产生于一次绕组上的经补偿的待测电流，其中，经补偿的待测电流包括由补偿信号抵消待测电流的第一频率电流后剩余的第二频率电流。

Description

剩余电流传感器电路及断路器
技术领域
本公开涉及传感器技术领域，更具体的涉及一种剩余电流传感器电路及断路器。
背景技术
漏电是配用电系统中一种常见故障形式，容易引起电气火灾与人身触电。漏电保护技术是在配用电系统中防止人身电击事故、电气火灾和电气设备漏电损坏的有效防护技术。
剩余电流是通过电气线路中各相瞬时电流值的和，其可以采用剩余电流传感器(Residual current transformer，RCT)进行检测得到。在被保护电路没有故障发生的情况下，流过RCT的电流矢量和等于零，此时，RCT的二次线圈中没有感应电压输出，剩余电流保护装置将保持正常供电。在被保护电路发生设备漏电或人身触电的情况下，流过剩余电流传感器的电流相量和不再为零，此时，RCT的二次回路将有感应电压输出，此电压直接或通过电子放大电路施加到剩余电流脱扣器上并推动脱扣机构动作，使保护开关断开电路或使报警装置发出报警信号。
然而，公开人在实现本公开构思的过程中发现，相关技术中的RCT对逆变器或变频调速系统等电力电子化用电设备并不适用。
公开内容
有鉴于此，本公开实施例提供了一种剩余电流传感器电路及断路器。
本公开实施例的一个方面提供了一种剩余电流传感器电路，包括：
第一感测电路，被配置为感测待测电流，并输出具有第一频率的电压信号；
补偿电路，包括补偿绕组，所述补偿电路与所述第一感测电路的输出端相连，所述补偿电路被配置为采集所述电压信号，以便在与所述补偿绕组对应的一次绕组上产生补偿信号，其中，所述补偿信号的频率与所述第一频率的大小相等方向相反；以及
第二感测电路，包括第一二次绕组，所述第二感测电路被配置为感测产生于所述一次绕组上的经补偿的待测电流，其中，所述经补偿的待测电流包括由所述补偿信号抵消所述待测电流的第一频率电流后剩余的第二频率电流。
本公开实施例的另一个方面提供了一种断路器，包括本公开实施例所述的剩余电流传感器电路。
根据本公开的实施例，由于利用补偿电路产生与第一频率大小相等方向相反的补偿信号，从而使第二感测电路感测到由补偿信号抵消待测电流的第一频率电流后剩余的第二频率电流，因此，至少部分地克服了相关技术中由于待测电流中包括具有第一频率的电流信号而导致RCT误动作的技术问题，进而达到了提高剩余电流检测的准确性的技术效果。
附图说明
通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示意性示出了故障漏电频谱的示意图；
图2示意性示出了根据本公开实施例的剩余电流传感器电路的框图；
图3示意性示出了根据本公开另一实施例的剩余电流传感器电路的框图；
图4示意性示出了根据本公开实施例的补偿电路的等效电路图；
图5示意性示出了根据本公开实施例的加法电路的拓扑结构；
图6示意性示出了根据本公开实施例的剩余电流传感器电路的输出信号的幅频特性曲线图；
图7示意性示出了根据本公开实施例的磁调制传感器在存在补偿信号的情况下的激磁电流波形；以及
图8示意性示出了根据本公开实施例的磁调制传感器在不存在补偿信号的情况下的激磁电流波形。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
在使用种似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B和C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。在使用种似于“A、B或C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B或C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。
在逆变器或变频调速系统等电力电子化用电设备中，由于剩余电流中混叠了大量PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)频率分量，PWM频率分量属于正常漏洞，其电流峰值可达几安培甚至更高，不仅大于漏电保护动作阈值，还可能超过磁调制剩余电流互感器的测量范围(一般为1A以下)，因此，较容易引起RCT漏电保护的误动作。
图1示意性示出了故障漏电频谱的示意图。
如图1所示，变频调速系统的背景漏电是由分布电容引起的，其频率比较高。而当发生人身触电或设备故障漏电时，其故障漏电电流为阻性的，幅值可能低于由电容引起的正常漏电电流，但在故障漏电时低频漏电电流分量远高于正常情况下的低频分量。
为了解决高频电力电子设备的故障漏电保护问题，需要提高剩余电流互感器频率响应范围，同时还需要提高互感器电流测量范围。如果直接采用磁调制剩余电流传感器测量20kHz以上的漏电电流，至少需要40kHz的激磁频率，实现起来比较困难。
为此，本公开实施例提供了一种剩余电流传感器电路，包括第一感测电路、补偿电路和第二感测电路。
第一感测电路，被配置为感测待测电流，并输出具有第一频率的电压信号。补偿电路，包括补偿绕组，所述补偿电路与所述第一感测电路的输出端相连，所述补偿电路被配置为采集所述电压信号，以便在与所述补偿绕组对应的一次绕组上产生补偿信号，其中，所述补偿信号的频率与所述第一频率的大小相等方向相反。第二感测电路，包括第一二次绕组，所述第二感测电路被配置为感测产生于所述一次绕组上的经补偿的待测电流，其中，所述经补偿的待测电流包括由所述补偿信号抵消所述待测电流的第一频率电流后剩余的第二频率电流。
根据本公开的实施例，由于利用补偿电路产生与第一频率大小相等方向相反的补偿信号，从而使第二感测电路感测到由补偿信号抵消待测电流的第一频率电流后剩余的第二频率电流，因此，至少部分地克服了相关技术中由于待测电流中包括具有第一频率的电流信号而导致RCT误动作的技术问题，进而达到了提高剩余电流检测的准确性的技术效果。
下面结合附图对本公开的剩余电流传感器电路具体部件和结构作详细的说明。
在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本公开，但是本公开能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本公开内涵的情况下做类似推广。因此本公开不受下面公开的具体实施的限制。
图2示意性示出了根据本公开实施例的剩余电流传感器电路的框图。
如图2所示，剩余电流传感器电路200可以包括第一感测电路201、补偿电路202和第二感测电路203。
第一感测电路201，被配置为感测待测电流，并输出具有第一频率的电压信号。
补偿电路202，包括补偿绕组2021，补偿电路202与第一感测电路201的输出端相连，补偿电路202被配置为采集电压信号，以便在与补偿绕组2021对应的一次绕组204上产生补偿信号，其中，补偿信号的频率与第一频率的大小相等方向相反。
第二感测电路203，包括第一二次绕组2031，第二感测电路203被配置为感测产生于一次绕组204上的经补偿的待测电流，其中，经补偿的待测电流包括由补偿信号抵消待测电流的第一频率电流后剩余的第二频率电流。
根据本公开的实施例，ip1可以表示待测电流。ip1可以包括高频分量和低频分量，高频分量可能是正常背景漏电，在此情况下，该高频分量可能会引起RCT漏电保护的误动作。
根据本公开的实施例，例如可以将频率大于或等于150Hz的信号视为高频信号，将频率小于150Hz的信号视为低频信号，但不限于此，还可以将频率大于或等于40KHz的信号视为高频信号，将频率小于40K Hz的信号视为低频信号。本公开实施例不对ip1的高频分量和低频分量的划分做具体限定，本领域技术人员可以根据实际应用情况进行灵活调整。
根据本公开的实施例，具有第一频率的电压信号例如可以包括高频电压信号。根据本公开的实施例，与本公开实施例提供的剩余电流传感器电路连接的负载可以包括一次绕组204，一次绕组204上通过ip1。
根据本公开的实施例，补偿绕组2021可以直接采集由第一感测电路201输出的具有第一频率的电压信号，由于补偿绕组2021可以等效为一个电阻，从而可以将电压信号转换为电流信号，然而，补偿绕组2021直接采集电压信号后可能会产生杂波信号，从而影响后续的信号采集过程。
根据本公开的实施例，第一感测电路201输出的具有第一频率的电压信号可以首先经补偿电路202被转换为具有第一频率的电流信号，该具有第一频率的电流信号被补偿绕组2021采集后，与补偿绕组2021对应的一次绕组204上可以产生与第一频率大小相等方向相反的补偿信号。
根据本公开的实施例，由于一次绕组204上原本有ip1，当一次绕组204基于补偿绕组2021采集的具有第一频率的电流信号感应生成补偿信号后，补偿信号可以与ip1中的第一频率的电流信号抵消，从而一次绕组204上仅保留经补偿的待测电流，即经过补偿电路的补偿作用，消除了ip1中的高频分量，仅保留了低频分量。
根据本公开的实施例，由于经过补偿电路202的补偿作用后，一次绕组204上仅保留了ip1中的低频分量，而消除了高频分量，从而，在第二感测电路对一次绕组204上的电流进行感测后，不会由于高频分量产生误动作，达到了提高剩余电流检测的准确性的技术效果。
根据本公开的实施例，经补偿的待测电流还可以包括直流电流。
根据本公开的实施例，经补偿的待测电流中包括的直流电流由于不存在高频分量，从而在第二感测电路对一次绕组204上的直流电流进行感测后，不会由于高频分量产生误动作。
下面将结合图3对图2示出的剩余电流传感器电路进行进一步说明。
图3示意性示出了根据本公开另一实施例的剩余电流传感器电路的框图。
如图3所示，第一感测电路201包括电磁传感器3011、第一运算放大器3012和高通滤波器3013。
电磁传感器3011，被配置为感测待测电流，输出第一感测电压信号。
第一运算放大器3012，与电磁传感器3011的输出端相连，被配置为对第一感测电压信号进行放大，输出第二感测电压信号。
高通滤波器3013，与第一运算放大器3011的输出端相连，被配置为滤除第二感测电压信号中的频率小于第一频率的待滤除电压信号，输出电压信号。
根据本公开的实施例，电磁传感器3011包括依次连接的铁芯30111、第二二次绕组30112和第一采样电阻30113。
根据本公开的实施例，第一运算放大器3012的放大系数可以由本领域技术人员根据实际应用需求而灵活调整，本公开实施例不对第一运算放大器3011的放大系数做具体限定。
根据本公开的实施例，第二感测电压信号经过高通滤波器3013处理后，滤除了第二感测电压信号中的低频分量，仅保留了第二感测电压信号中的高频分量。
根据本公开的实施例，补偿电路还302可以包括第二运算放大器3022和第二采样电阻3023。
第二运算放大器3022的反向输入端与补偿绕组3021的第一端连接。
第二运算放大器3022的输出端与补偿绕组3021的第二端连接。
第二采样电阻3023被配置为将电压信号转化为电流信号以便补偿绕组3021采集电流信号。
根据本公开的实施例，电流信号通过以下公式(1)计算。
Figure BDA0003182843760000071
其中，IC表示电流信号，URc1表示电压信号，Rc表示第二采样电阻3023的阻值。
图4示意性示出了根据本公开实施例的补偿电路的等效电路图。
在图4中，由于第二运算放大器3022的同向输入端a和反向输入端b的电压相等，因此，c点处的电压为URc。流过电阻Rc的电流可以根据上述公式(1)计算得到，但由于d点处虚断，因此，d点处的电流可以近似为0，由此，Rc的电流只能从RL流入，使得第二运算放大器3022的输出电流为IC。
根据本公开的实施例，补偿绕组3021两端的电压和第二采样电阻3023两端的电压可以满足以下条件：
UL+URc＜UPA (2)
其中，UL表示补偿绕组3021两端的电压，URc表示第二采样电阻3023两端的电压，UPA表示第二运算放大器3022的最大输出电压。
根据本公开的实施例，第二感测电路303还可以包括磁调制传感器3031和低通滤波器3032。
磁调制传感器3031，包括第一二次绕组304，磁调制传感器3031被配置为感测经补偿的待测电流，输出第一电流信号。
低通滤波器3032，与磁调制传感器3031的输出端相连，低通滤波器3032被配置为滤除第一电流信号中的频率大于第一频率的待滤除电流信号，输出第二电流信号。
根据本公开的实施例，第一电流信号虽然是经感测仅包括低频分量的经补偿的待测电流而生成的，但是，通过在磁调制传感器3031的输出端连接低通滤波器3032，从而可以实现进一步去除第一电流信号中的高频杂波的技术效果。
根据本公开的实施例，本公开实施例提供的剩余电流传感器电路还包括加法电路。
加法电路，与第一感测电路和第二感测电路的输出端相连。
加法电路被配置为将第一感测电路的输出信号和第二感测电路的输出信号按照预设比例相加，输出感测信号。
图5示意性示出了根据本公开实施例的加法电路的拓扑结构。
如图5所示，加法电路可以包括第三运算放大器501，第一感测电路301的输出信号和第二感测电路303的输出信号按照预设比例相加后输入第三运算放大器的同向输入端e。
根据本公开的实施例，可以通过改变第三采样电阻502和第四采样电阻503的阻值，改变第一感测电路301的输出信号和第二感测电路302的输出信号相加的预设比例。
根据本公开的实施例，通过加法电路输出的感测信号与ip1成比例。
根据本公开的实施例，可以在加法电路的输出端外接显示器，将感测信号通过显示器显示，从而可以通过显示器显示的示数直观地判断待测电流是否存在故障漏电现象。
根据本公开的实施例，第一感测电路和第二感测电路的输出信号之和与待测电流成正比，从而可以将感测信号用于计算一次侧电流的精确值，也可以进一步用于各种应用。
图6示意性示出了本公开实施例提供的剩余电流传感器电路的输出信号的幅频特性曲线图。
如图6所示，该高通滤波下限截止频率约为150Hz，当f＜150Hz时，磁调制传感器输出基本保持不变，表明补偿信号并未抵消磁调制传感器铁芯的交流剩余电流；当f＞150Hz时，磁调制传感器的输出随剩余电流频率增大而减小，5kHz信号幅值约是50Hz信号幅值的10％，20kHz的信号幅值约是50Hz信号幅值的5％，表明补偿信号较好抵消了磁调制传感器铁芯的高频剩余电流，且频率越高抵消作用越强。
图7示意性示出了根据本公开实施例的磁调制传感器在存在补偿信号的情况下的激磁电流波形。
图8示意性示出了根据本公开实施例的磁调制传感器在不存在补偿信号的情况下的激磁电流波形。
参照图7和图8可见高频电流补偿作用很好抑制了背景漏电对磁调制互感器检测的影响。
根据本公开的实施例，还提供了一种断路器，断路器包括本公开实施例所述的剩余电流传感器电路。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种剩余电流传感器电路，包括：
第一感测电路，被配置为感测待测电流，并输出具有第一频率的电压信号；
补偿电路，包括补偿绕组，所述补偿电路与所述第一感测电路的输出端相连，所述补偿电路被配置为采集所述电压信号，以便在与所述补偿绕组对应的一次绕组上产生具有第一频率的补偿电流信号，其中，所述补偿电流信号的频率与所述待测电流的第一频率的大小相等，且所述补偿电流信号与所述待测电流的流动方向相反，使得所述补偿电流信号用于抵消所述待测电流中的具有第一频率的电流信号；以及
第二感测电路，包括第一二次绕组，所述第二感测电路被配置为感测产生于所述一次绕组上的经补偿的待测电流，其中，所述经补偿的待测电流包括由所述补偿信号抵消所述待测电流的第一频率的电流信号后剩余的第二频率电流信号。
2.根据权利要求1所述的电路，其中，所述第一感测电路，包括：
电磁传感器，被配置为感测所述待测电流，输出第一感测电压信号；
第一运算放大器，与所述电磁传感器的输出端相连，被配置为对所述第一感测电压信号进行放大，输出第二感测电压信号；以及
高通滤波器，与所述第一运算放大器的输出端相连，被配置为滤除所述第二感测电压信号中的频率小于所述第一频率的待滤除电压信号，输出所述电压信号。
3.根据权利要求2所述的电路，其中，所述电磁传感器包括依次连接的铁芯、第二二次绕组和第一采样电阻。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的电路，其中，所述补偿电路还包括第二运算放大器和第二采样电阻；其中，
所述第二运算放大器的同向输入端与所述第一感测电路的输出端连接；
所述第二运算放大器的反向输入端与所述补偿绕组的第一端连接；
所述第二运算放大器的输出端与所述补偿绕组的第二端连接；以及
所述第二采样电阻被配置为将所述电压信号转化为电流信号以便所述补偿绕组采集所述电流信号。
5.根据权利要求4所述的电路，其中，所述电流信号通过以下公式计算：
Figure FDA0003702910380000021
其中，IC表示所述电流信号，URc1表示所述电压信号，Rc表示所述第二采样电阻的阻值。
6.根据权利要求4所述的电路，其中，所述补偿绕组两端的电压和所述第二采样电阻两端的电压满足以下条件：
UL+URc＜UPA
其中，UL表示所述补偿绕组两端的电压，URc表示所述第二采样电阻两端的电压，UPA表示所述第二运算放大器的最大输出电压。
7.根据权利要求1～3中任一项所述的电路，其中，所述第二感测电路，还包括：
磁调制传感器，包括所述第一二次绕组，所述磁调制传感器被配置为感测所述经补偿的待测电流，输出第一电流信号；
低通滤波器，与所述磁调制传感器的输出端相连，所述低通滤波器被配置为滤除所述第一电流信号中的频率大于所述第一频率的待滤除电流信号，输出第二电流信号。
8.根据权利要求1所述的电路，其中，所述电路，还包括：
加法电路，与所述第一感测电路和所述第二感测电路的输出端相连，所述加法电路被配置为将所述第一感测电路的输出信号和所述第二感测电路的输出信号按照预设比例相加，输出感测信号。
9.根据权利要求1所述的电路，其中，所述经补偿的待测电流还包括直流电流。
10.一种断路器，包括如权利要求1至9中任一项所述的剩余电流传感器电路。
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