CN1236212A - 分离动物触电信号的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

一种交流电网中分离动物触电信号的方法及其装置,该装置与脱扣执行机构组合后即构成剩余电流动作保护器(触漏电保护器)。触电信号分离过程为A/D转换电路将剩余电流或剩余电流变化量转换成数字量并送分析判断电路,分析判断电路分析剩余电流变化值并作出判断与进行控制。本发明装置具有安全保护范围大,非必要脱扣动作少等优点,提高了供电质量与减少了供电管理者的无效工作量,同时也进一步提高了剩余电流动作保护器投运率。

Description

分离动物触电信号的方法及其装置

本发明涉及一种紧急保护装置，具体地说是一种交流电网中剩余电流信号的分离方法及其装置，该装置与脱扣执行机构组合后，即构成剩余电流动作保护器。

在背景技术中，交流电网中广泛使用的剩余电流动作保护器又称漏电保护器，其基本工作原理是零序电流互感器串联在交流电网线路中，零序电流互感器二次侧输出交流电网线路的剩余电流，以反映交流电网与大地之间的漏电流情况，在交流电源相线与大地之间发生动物触电或电气线路、设备漏电情况时，零序电流互感器输出的剩余电流发生变化，在检测到剩余电流变化且达到额定值时，启动脱扣机构切除电源，以达到保护动物生命、避免发生电气事故的目的。

从电工原理来看，交流电源相线与大地之间发生动物触电也是一种漏电现象，和电气线路、设备漏电并无本质上的区别。但是流经动物特别是人体的安全电流值与允许电气线路、设备漏电的电流值相比要小得多，出于保护动物生命安全、减少非必要脱扣动作的目的，根据发生人体触电时剩余电流是突然增加的，而线路漏电在一般情况下是缓慢增加的特点，普通剩余电流动作保护器一般设置二个额定动作电流值：一个按允许流经人体的安全电流取值的突变额定动作电流，另一个为按允许电气线路、设备漏电的安全电流取值缓变额定动作电流。

但由于电气线路漏电或电气设备漏电随着线路分路开关或设备开关的闭合与断开，其反映的剩余电流信号也是突然变化的。据统计分析，普通剩余电流动作保护器突变脱扣动作次数99％以上是电气线路或用电设备对地漏电等原因引起的，虽脱扣动作时漏电电流值超过人体的安全电流值，但大多数尚未达到电气线路、设备允许漏电的程度，所以属于非必要脱扣动作。

因普通剩余电流动作保护器存在着非必要脱扣动作较多的缺点，不仅对用电者造成诸多不便，供电管理者也增添了无效工作量，目前非必要脱扣动作较多是剩余电流动作保护器投运率不高的最主要原因。

如果能从剩余电流中分离出动物触电信号与电气线路、设备漏电信号，剩余电流动作保护器的动物触电额定动作电流取较小值，电气线路、设备漏电额定动作电流值取较大值，即可达到减少电气线路、设备漏电引起剩余电流动作保护器的非必要脱扣动作，又可提高保护系统的安全性目的。

为了从剩余电流中分离出动物触电信号，曾提出采用频率鉴别方法的分离出动物触电信号装置，例如公告号为CN86105323的“全自动触电保护器”专利，工作原理是在剩余电流出现电源基频之外的频率成份判别为动物触电，其分离动物触电信号的方法确有独到之处，但是在实际应用中，采用频率鉴别分离动物触电信号方法的的剩余电流动作保护器有时还存在着非必要脱扣动作较多的情况。究其原因是交流电网的发电机、变压器供电设备的激励回路非线性及磁饱和等原因和非线性阻抗用电负荷如可控硅相控电源、变频调速装置、电子节能灯等设备的普遍使用，交流电网本身就存在着大量的非电源基频成分；剩余电流信号的拾取、放大器件也存在非线性因素，上述情况使得剩余电流信号中始终存在着非电源基频成分，有时甚至会达到很大的份量，而采用频率鉴别的方法在干挠大时无法区分是动物触电还是交流电网的干挠引起的非电源基频份量增加。

本发明目的是提供一种准确分离剩余电流中动物触电信号及电气线路、设备突变漏电与缓变漏电信号的方法及其装置，以解决现有的剩余电流动作保护器存在的非必要脱扣动作较多的缺陷。

为了实现上述目的，本人对动物乃至自身人体进行了大量的试验，绘出典型的220V正弦交流电压流经动物及人体时角频率ωt与电流i关系曲线图(见附图1)，经本人试验绘出典型的交流电气线路突然碰地及闭合对地漏电用电设备时剩余电流的角频率ωt与电流i关系曲线图(见附图2)，同时根据1984年《电子科学技术-电流型低压触电保护器专刊》等文献绘出交流电气线路对地漏电的时间T与电流I关系曲线图(见附图3)，及附图3第16小时的几个周波剩余电流角频率ωt与电流i关系曲线图(见附图4)。从附图1中可看出，在发生动物触电事故时，流经动物的电流呈钟形波，且在很短时间内电流振幅呈逐渐上升，即在发生人体触电事故时，人体阻抗有随交流电一个周波内电压的变化而呈现非线性现象，在连续几个周波的电流作用下人体阻抗还有一个逐渐下降直至稳定的过程；从附图2中可看出，在交流电气线路碰地或开启对地漏电的用电设备引起剩余电流变化是一个振幅突然上升然后幅度基本恒定的正弦波曲线；从附图4中可看出，虽然在第16小时交流电气线路对地漏电引起剩余电流幅度有较大增加，但在几个周波时间内剩余电流振幅仍是缓慢变化的正弦波曲线。

根据正弦交流电流经动物特别是流经人体与电气线路、设备对地漏电的不同特点，本发明提出一种简洁的剩余电流中分离动物触电信号的方法：抽样交流电网的剩余电流，比较正弦交流电角频率相同时刻的剩余电流值，根据变化增加的剩余电流的波形及变化增加的剩余电流的振幅变化，即可判别交流电网中发生动物触电或电气线路、设备对地漏电，以达到分离目的。

分离剩余电流中动物触电信号装置由零序电流互感器，剩余电流放大电路，A/D转换电路，分析判断电路，电源电路构成，分析判断电路由微处理器构成。分离剩余电流中动物触电信号过程为A/D转换电路将剩余电流或剩余电流变化量转换成数字量并送分析判断电路，分析判断电路分析剩余电流变化并作出判断，其特征在于鉴别剩余电流特定波形及剩余电流变化量，并采取下列步骤：

(1)抽样剩余电流值。

(2)逐个周波比较正弦交流电角频率相同时刻的剩余电流值。

(3)计算剩余电流变化量。

(4)当变化增加的剩余电流半个周波呈钟形波或变化增加的剩余电流

   振幅在3个周波内逐个周波上升且达额定值时，判断变化增加的

   剩余电流为动物触电电流。

(5)当动物触电电流的振幅与持续时间达到予置值时输出动物触电信

   号。

根据连续电信号数字化的理论：在连续时间信号为f(t)，其最高截止频率为fm时，用时间间隔为 $\mathrm{Ts}\≤\frac{1}{2\mathrm{fm}}$ 的开关信号对f(t)进行抽样，则f(t)就可被这抽样后的离散信号fs(t)=f(nTs)来表示的奈奎斯特抽样定理可知，50Hz的正弦交流电只须每秒钟抽样≥100次即可数字化描述该电流，又因为三相交流电每相相位差120°，所以本发明对剩余电流的最低抽样频率为正弦交流电每个周波6次。当然随着抽样频率的提高，可以更加精确地描述剩余电流波形，从而减少剩余电流动作保护器在实际运行中的保护不灵敏区域范围。

根据人体在正弦交流电流作用下基本呈电阻性的情况，在正弦交流电每个周波对剩余电流抽样6次时最佳抽样时间为剩余电流相对正弦交流电角频率30°、90°、150°、210°、270°、330°时刻。

分离剩余电流中动物触电信号的装置在增加脱扣执行机构后，即组合成剩余电流动作保护器。具有分离动物触电信号装置的剩余电流动作保护器，可以设置一个按允许流经人体的安全电流取值的动物触电额定动作电流和设置一个按允许电气线路、设备漏电的安全电流取值的缓变额定动作电流，还可设置一个介于动物触电与缓变漏电额定动作电流值之间，范围在50-100毫安之内的突变额定动作电流，仍设置突变额定动作电流主要作用是如果人体处在潮湿环境中甚致水中发生触电，流经人体的电流在极短时间内上升到较大的数值且恒定，此时变化的剩余电流“呈钟形波，电流振幅在很短时间内逐建上升”的动物触电特征不甚明显，但此时人体阻抗约在500-1000欧姆左右，在交流电压为220伏特时流经人体电流必然达到突变额定动作电流值，剩余电流动作保护器也能迅速脱扣。

本发明分离剩余电流中动物触电信号方法是比较正弦交流电角频率相同时刻的剩余电流值，对不变化或变化下降的剩余电流不响应，所以有较强的抗干挠能力；对电气线路、设备漏电只在漏电流突然上升且达到较大的突变额定动作电流值时或缓慢上升的漏电达到缓变漏电额定动作电流值时启动脱扣机构，所以能明显减少电气线路、设备漏电引起剩余电流动作保护器的非必要脱扣动作，从而能较大程度提高交流电网剩余电流保护器的投运率；又因为对动物触电额定动作电流值可以设定的较灵敏，所以还具有安全系数高的特点。

本发明的附图说明如下：

附图1是典型的220伏特正弦交流电压流经动物及人体的角频率

     ωt与电流i关系曲线图。

附图2是交流电气线路碰地及用电设备对地漏电时剩余电流的角

     频率ωt与电流i关系曲线图。

附图3是交流电气线路对地漏电的时间T与电流I关系曲线图。

附图4是附图3的第16小时交流电气线路对地漏电的角频率ωt

     与电流i关系曲线图。

附图5、6为本发明的两种分离装置电路结构框图。

附图7是附图5结构框图的电原理图。

附图8是附图6结构框图的电原理图。

附图9是附图5的分析判断电路6对动物触电信号判断、处理程

     序的流程图。

附图10是附图5的分析判断电路6对突然增加的漏电信号判断、

      处理程序的流程图。

附图11是附图5的分析判断电路6对缓慢增加的漏电信号判断、

      处理程序的流程图。

附图12是附图6的分析判断电路6对动物触电信号判断、处理程

      序的流程图。

附图13是附图6的分析判断电路6对突然增加的漏电信号判断、

      处理程序的流程图。

附图14是附图6的分析判断电路6对缓慢增加的漏电信号判断、

      处理程序的流程图。

本发明将结合附图与实施例予以详述。

实施例1：

为了减少分析判断电路的数据处理量与存储器容量，降低分离剩余电流中动物触电信号装置的成本，本实施例具有剩余电流突变量预分离电路和采用简单的A/D转换电路转换剩余电流突变量，其电路结构见附图5。

本实施例由零序电流互感器1，剩余电流放大电路2，剩余电流突变量分离电路3，剩余电流突变量A/D转换电路4，缓变剩余电流检测电路5，分析判断电路6，电源电路7构成，分析判断电路6由微处理器构成，分离剩余电流中动物触电信号的装置在增加脱扣执行机构8后，即组合成剩余电流动作保护器，其之间连接关系为：三相交流电源接O、A、B、C端子，三相四线导线同方向穿过零序电流互感器1后经脱扣执行机构8到负载侧O’、A’、B’、C’端子，零序电流互感器1的二次侧接剩余电流放大电路2的输入端，剩余电流放大电路2的输出端接剩余电流突变量分离电路3的输入端，剩余电流突变量分离电路3的输出接剩余电流突变量A/D转换电路4的输入端，剩余电流突变量A/D转换电路4的输出端接分析判断电路6的输入端，分析判断电路6输出端接脱扣执行机构8的控制输入端以控制三相交流电源的输出，缓变剩余电流检测电路5的输入端接剩余电流放大电路2的输出端，缓变剩余电流检测电路5的输出端接分析判断电路6的另一输入端，电源电路7提供各个电路的工作电源和提供分析判断电路6所需的交流电源时基信号，其特征在于剩余电流突变量分离电路3中剩余电流记忆与突变量分离的电容为同一电容，剩余电流突变量A/D转换电路4由双极性电压输出的D/A转换电路与与电平比较电路构成，双极性D/A转换电路由运算放大器和运算放大器的同相端与反相端均接有的电阻网络构成，分析判断电路6控制剩余电流突变量分离电路3抽样剩余电流并比较正弦交流电角频率相同时刻的剩余电流值和计算剩余电流变化量，还对如下动作进行选择：

(1)当变化增加的剩余电流在半个周波呈钟形波或变化增加的剩余

   电流振幅在3个周波内逐个周波上升且达额定值时，判断变化

   增加的剩余电流为动物触电电流。

(2)在动物触电电流的振幅与持续时间达到予置值时输出动物触电

   信号。

(3)在变化增加的剩余电流无动物触电电流特征时判断为电气线

   路、设备漏电。

(4)在突然变化增加的漏电电流的振幅与持续时间达到予置突变额

   定动作值时输出突变脱扣执行信号。

(5)在缓慢变化增加的漏电电流的振幅与持续时间达到予置缓变额

   定动作值时输出缓变脱扣执行信号。

附图7是本实施例的电原理图，其工作原理详述如下：

零序电流互感器1输出的剩余电流经信号放大电路2放大，剩余电流突变量分离电路3的一选多路模拟开关IC3在分析判断电路6的微处理器IC7控制下，在剩余电流相对正弦交流电角频率30°、90°、150°、210°、270°、330°时刻依次将剩余电流放大电路2输出与剩余电流突变量分离电路3的电容C1-C6接通，C1-C6与电阻R6构成微分电路，以分离剩余电流的突变量，C1-C6同时还记忆剩余电流在正弦交流电角频率30°、90°、150°、210°、270°、330°时刻的值。剩余电流的突变量A/D转换电路4对分离出的剩余电流突变量进行模数转换，微处理器IC7对A/D转换电路4送来的数据进行存储和运算，并与前个周波正弦交流电角频率相同时刻剩余电流值进行比较与计算剩余电流变化量，在剩余电流发生变化，变化增加的剩余电流在半个周波呈钟形波或变化增加的剩余电流振幅在3个周波内逐个周波上升且达额定值时，微处理器IC7输出动物触电信号通知脱扣执行机构8切断交流电源输出。微处理器IC7不仅对剩余电流中动物触电信号进行判断，还对剩余电流中突然增加的电气线路、设备漏电和对缓慢增加的电气线路、设备漏电也进行判断与处理。电源电路7提供各个电路的直流工作电源和提供分析判断电路6所需的交流电源时基信号。

剩余电流突变量分离电路3由一选多路的模拟开关IC3、剩余电流记忆与突变量分离电容C1-C6与电阻R6构成，剩余电流记忆与突变量分离的电容为同一电容，剩余电流突变量A/D转换电路4由双极性电压输出D/A转换电路与电平比较电路IC5构成双极性A/D转换电路。双极性电压输出D/A转换电路由运算放大器IC6与IC6同相端与反相端均接有的电阻网络R12-R19构成，以在微处理器IC7的控制下输出+、-极性的电压。当然，本发明装置的剩余电流突变量A/D转换电路4也可已由其他类型的模/数变换电路构成。运算放大器IC4与其反相端的电阻R8-R9构成缓变剩余电流检测电路，在剩余电流达到或超过缓变剩余电流动作额定值时输出信号到分析判断电路6。

本实施例的分析判断电路6对动物触电信号判断、处理程序的流程见附图9，对突然增加的电气线路设备漏电信号判断、处理程序的流程见附图10，对缓慢增加的电气线路设备漏电信号判断、处理程序的流程见附图11。

实施例2：

本实施例的结构框图与电原理图见附图6、附图8，其电路结构与工作原理详述如下：

本实施例装置由零序电流互感器1，剩余电流放大电路2,A/D转换电路9，分析判断电路6，电源电路7构成，A/D转换电路9由模拟/数字变换电路构成，分析判断电路6由微处理器构成，分离剩余电流中动物触电信号的装置在增加脱扣执行机构8后，即组合成剩余电流动作保护器，其之间连接关系为：三相交流电源接O、A、B、C端子，三相四线导线同方向穿过零序电流互感器1后经脱扣执行机构8到负载侧O’、A’、B’、C’端子，零序电流互感器1的二次侧接剩余电流放大电路2的输入端，剩余电流放大电路2的输出端接A/D转换电路9的输入端，A/D转换电路9的输出端接分析判断电路6的输入端，分析判断电路6输出端接脱扣执行机构8的控制输入端以控制三相交流电源的输出，电源电路7提供各个电路的工作电源和提供分析判断电路6所需的交流电源时基信号。

本实施例与实施例1不同部分是取消了剩余电流突变量分离电路3与剩余电流突变量A/D转换电路4和缓变剩余电流检测电路5，增加了剩余电流A/D转换电路9。由于抽样前不预分离剩余电流突变量，剩余电流A/D转换电路9须转换全量程的剩余电流，因而需采用位数较多的A/D转换电路，且分析判断电路6的数据处理量与存储器容量需较大。但本实施例可以提高抽样频率，以更精确地描述剩余电流波形，从而进一步减少剩余电流动作保护器在实际运行中的保护不灵敏区域范围。本实施例采用软件完成某些硬件任务，简化了电路结构与减少了硬件数量。

本实施例的分析判断电路6控制抽样剩余电流并逐个周波比较正弦交流电角频率相同时刻的剩余电流值和计算剩余电流变化量，还对如下动作进行选择：

(1)当变化增加的剩余电流在半个周波呈钟形波或变化增加的剩余

   电流振幅在3个周波内逐个周波上升且达额定值时，判断变化

   增加的剩余电流为动物触电电流；

(2)在动物触电电流的振幅与持续时间达到予置值时输出动物触电

   信号；

(3)在变化增加的剩余电流无动物触电电流特征时判断为电气线

   路、设备漏电；

(4)在突然变化增加的漏电电流的振幅与持续时间达到予置突变额

   定动作值时输出突变脱扣执行信号；

(5)在缓慢变化增加的漏电电流的振幅与持续时间达到予置缓变额

   定动作值时输出缓变脱扣执行信号。

本实施例分析判断电路6对动物触电信号判断、处理程序的流程见附图12，对突然增加的电气线路设备漏电信号判断、处理程序的流程见附图13，对缓慢增加的电气线路设备漏电信号判断、处理程序的流程见附图14。需指出的是分析判断电路6如果使用带A/D转换电路的微处理器，附图6、附图8中A/D转换电路9可取消。

应用本发明装置的剩余电流动作保护器的动物触电额定动作电流取值范围在15-40毫安之间，突变额定动作电流取值范围在50-100毫安之间，缓变额定动作电流取值范围在200-500毫安之间，上述电流数值可根据剩余电流动作保护器的应用场合与保护对象进行调整。

本发明以鉴别特定波形及变化量的方法分离剩余电流中动物触电信号与电气线路、设备突变漏电与缓变漏电信号，用一整套完整的方法和相关的装置并采用了微处理器，可以方便地组合成多路处理系统与增加交流电量显示、装置的工作状态指示等功能。本发明装置与现有技术相比，具有安全保护范围大，非必要脱扣动作少的优点，提高了供电质量与减少了供电管理者的无效工作量，同时也进一步提高了剩余电流动作保护器投运率。

Claims (5)

1．一种分离动物触电信号的方法，分离过程为A/D转换电路将剩余电流或剩余电流变化量转换成数字量并送分析判断电路，分析判断电路分析剩余电流的变化并作出判断，其特征在于鉴别剩余电流特定波形及剩余电流变化量，并采取下列步骤：

(1)抽样剩余电流值；

(2)逐个周波比较正弦交流电角频率相同时刻的剩余电流值；

(3)计算剩余电流变化量；

(4)当变化增加的剩余电流半个周波呈钟形波或变化增加的剩余电流振幅在3个周波内逐个周波上升且达额定值时，判断变化增加的剩余电流为动物触电电流；

(5)当动物触电电流的振幅与持续时间达到予置值时输出动物触电信号。

2．根据权利要求1．所述的分离动物触电信号的方法，其特征在于所说的抽样剩余电流值的最低抽样频率为正弦交流电每个周波6次，每个周波抽样6次时最佳抽样时间为剩余电流相对正弦交流电角频率30°、90°、150°、210°、270°、330°时刻。

3．一种分离动物触电信号的装置，由零序电流互感器1，剩余电流放大电路2，剩余电流突变量分离电路3，剩余电流突变量A/D转换电路4，缓变剩余电流检测电路5，分析判断电路6，电源电路7构成，分析判断电路6由微处理器构成，分离剩余电流中动物触电信号的装置在增加脱扣执行机构8后，即组合成剩余电流动作保护器，其之间连接关系为：三相交流电源接O、A、B、C端子，三相四线导线同方向穿过零序电流互感器1后经脱扣执行机构8到负载侧O’、A’、B’、C’端子，零序电流互感器1的二次侧接剩余电流放大电路2的输入端，剩余电流放大电路2的输出端接剩余电流突变量分离电路3的输入端，剩余电流突变量分离电路3的输出接剩余电流突变量A/D转换电路4的输入端，剩余电流突变量A/D转换电路4的输出端接分析判断电路6的输入端，分析判断电路6输出端接脱扣执行机构8的控制输入端以控制三相交流电源的输出，缓变剩余电流检测电路5的输入端接剩余电流放大电路2的输出端，缓变剩余电流检测电路5的输出端接分析判断电路6的另一输入端，电源电路7提供各个电路的工作电源和提供分析判断电路6所需的交流电源时基信号，其特征在于剩余电流突变量分离电路3中剩余电流记忆与突变量分离的电容为同一电容，剩余电流突变量A/D转换电路4由双极性电压输出的D/A转换电路与与电平比较电路构成，双极性D/A转换电路由运算放大器和运算放大器的同相端与反相端均接有的电阻网络构成，分析判断电路6控制剩余电流突变量分离电路3抽样剩余电流并比较正弦交流电角频率相同时刻的剩余电流值和计算剩余电流变化量，还对如下动作进行选择：

(1)当变化增加的剩余电流在半个周波呈钟形波或变化增加的剩余

   电流振幅在3个周波内逐个周波上升且达额定值时，判断变化

   增加的剩余电流为动物触电电流；

(2)在动物触电电流的振幅与持续时间达到予置值时输出动物触电

   信号；

(3)在变化增加的剩余电流无动物触电电流特征时判断为电气线

   路、设备漏电；

(4)在突然变化增加的漏电电流的振幅与持续时间达到予置突变额

   定动作值时输出突变脱扣执行信号；

(5)在缓慢变化增加的漏电电流的振幅与持续时间达到予置缓变额

   定动作值时输出缓变脱扣执行信号。

4．根据权利要求3．所述的装置，其特征在于所说的剩余电流突变量分离电路3由一选多路的模拟开关、剩余电流记忆与突变量分离电容和电阻构成。

5．一种分离动物触电信号的装置，由零序电流互感器1，剩余电流放大电路2,A/D转换电路9，分析判断电路6，电源电路7构成，A/D转换电路9由模拟/数字变换电路构成，分析判断电路6由微处理器构成，分离剩余电流中动物触电信号的装置在增加脱扣执行机构8后，即组合成剩余电流动作保护器，其之间连接关系为：三相交流电源接0、A、B、C端子，三相四线导线同方向穿过零序电流互感器1后经脱扣执行机构8到负载侧O’、A’、B’、C’端子，零序电流互感器1的二次侧接剩余电流放大电路2的输入端，剩余电流放大电路2的输出端接A/D转换电路9的输入端，A/D转换电路9的输出端接分析判断电路6的输入端，分析判断电路6输出端接脱扣执行机构8的控制输入端以控制三相交流电源的输出，电源电路7提供各个电路的工作电源和提供分析判断电路6所需的交流电源时基信号，其特征在于分析判断电路6控制抽样剩余电流并逐个周波比较正弦交流电角频率相同时刻的剩余电流值和计算剩余电流变化量，还对如下动作进行选择：

(1)当变化增加的剩余电流在半个周波呈钟形波或变化增加的剩余

   电流振幅在3个周波内逐个周波上升且达额定值时，判断变化

   增加的剩余电流为动物触电电流；

(2)在动物触电电流的振幅与持续时间达到予置值时输出动物触电

   信号；

(3)在变化增加的剩余电流无动物触电电流特征时判断为电气线

   路、设备漏电；

(4)在突然变化增加的漏电电流的振幅与持续时间达到予置突变额

   定动作值时输出突变脱扣执行信号；

(5)在缓慢变化增加的漏电电流的振幅与持续时间达到予置缓变额

   定动作值时输出缓变脱扣执行信号。

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