CN1387213A - 用于对地漏电保护装置的检测互感器和对地漏电保护装置 - Google Patents

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Abstract

设计一种环形铁心形式的对地漏电故障电流检测互感器,其用于对AC、DC或周期性对地漏电故障电流灵敏的对地漏电保护装置。所述保护装置包括:一激磁电路(9),连接到所述检测互感器中的至少一个次级绕组(3),以便施加激磁信号(Ie),一处理电路(4),连接到该次级绕组,一电源电路(8),连接到该激磁电路和该处理电路,一检测互感器,其特征在于,包括一由以铁为主的磁性材料构成的磁路,该磁性材料具有的晶粒尺寸小于100纳米,其静态或低频磁化特性为:磁化回线(21,23)可为明显的矩形及矫顽磁场(Hc)低于每米3安。

Description

用于对地漏电保护装置的检测互感器和对地漏电保护装置
                        技术领域
本发明涉及一种环形铁心形式的用于检测对地漏电故障电流的检测互感器，其用于对AC、DC或周期性对地漏电故障电流灵敏的对地漏电保护装置。
所述保护装置包括：
一激磁(excitation)电路，连接到所述检测互感器中的至少一个次级绕组，以便施加激磁信号，
一处理电路，连接到该次级绕组，
一电源电路，连接到该激磁电路和该处理电路。
本发明还涉及一种包括这样一种互感器的对地漏电保护装置。
                         背景技术
已有的对地漏电保护装置包括环形铁心形式的用于检测AC故障电流的检测互感器。这些装置或者是由系统供电的或者它们利用辅助电压源工作。这些装置能够起动打开触头以断开该需保护的一部分电源系统的电源。
当还须检测故障电流中的DC电流或DC分量时，该保护装置包括处理电路，以测量该测量环形铁心磁化特性的偏移。按照公知的方式，利用激磁电路测量该偏移，以便将激磁信号施加到环形铁心的一个或多个绕组。要提供环形铁心激磁信号，就需要为电子电路和绕组提供电源。
专利EP 356344 B1公开了一种对AC、DC或周期性故障电流灵敏的对地漏电保护装置。这种装置包括由激磁电路交替激磁的2个次级绕组。根据由对地漏电故障电流引起的磁场的偏移和磁路的饱和，利用积分多次(integration times)测量故障信号。
专利US 4276510公开了一种用于检测对地漏电故障电流的装置，其具有一环形铁心形式的互感器。在这种装置中，处理电路能使一返回或补偿电流向回发送到环形铁心，以补偿由故障电流引起的偏移。在这种情况下，由于补偿电流与故障电流成比例，提供取决于补偿电流的测量信号以用于处理故障。
该现有技术的装置包括激磁信号频率一增加就具有呈现很大损耗的磁化特性的环形铁心。如果环形铁心的材料属于铁磁类型的，激磁频率可以高，但是对于对地漏电电流测量足够的饱和磁感应强度，矫顽磁场也高。公知的软磁性材料具有低的矫顽磁场，但是令人关注的是就频率而言其工作特性不佳。此外，这些软磁性材料具有完全环形(round)的磁化回线(cycle)并且不能检测磁饱和。另一种公知的软磁性材料具有矩形的磁滞回线，但是它们的矫顽磁场也高。另外的钴占很大比例的材料当温度发生变化时不稳定，也引起高频损耗并隐含增加对激磁电路的电源。
因而，为了对现有技术的环形铁心激磁、激磁电路要提供高的电功率。这种情况导致很难与小尺寸的模块化的保护装置相兼容的大体积的电源电路。此外，用于激磁的高电功率引起保护装置的明显发热。应用高电功率还意味着对很弱的故障电流的测量是不十分精确的。
                           发明内容
本发明的目的是提供一种环形铁心形式的用于检测对地漏电故障电流的检测互感器，能够大为降低激磁电功率和提高对于低故障电流的灵敏度，还提供一种包括电源电路和这种互感器的对地漏电保护装置。
根据本发明的检测互感器由以铁为主的磁性材料构成，该磁性材料具有的晶粒尺寸小于100纳米，其静态或低频磁化特性为：磁化回线可为明显的矩形及矫顽磁场低于每米3安。
该静态磁化特性明显与直流特性或十分慢变化的特性一致。
最好该矩形回线是这样的，即零磁场感应强度对饱和磁感应强度的比大于0.95。
最好，在静态或低频下，该矫顽磁场低于每米1.5安。
最好，该互感器的磁路具有一矫顽磁场对零磁场感应强度比，使得对于大于1泰斯拉(Tesla)的零磁场感应强度，该矫顽磁场低于每米3安。
在一个优选实施例中，对于低于每米3安(3A/m)的磁场，在静态回线或频率低于400赫时，互感器的磁路的感应强度的变化大于2泰斯拉。
最好，对于低于每米2.5安(2.5A/m)的磁场，在静态回线或频率低于400赫时，互感器的磁路的感应强度的变化大于2.4泰斯拉。
最好，在零磁场感应强度时，在3千赫下互感器的磁路的磁场低于每米20安(20A/m)。
在一个特定实施例中，通过在磁场中的热处理得到该磁路。
最好，该磁路的材料包含50％以上的其颗粒尺寸小于100纳米的细微结晶颗粒。
最好，利用材料厚度小于30微米(μm)的带(strip)得到该磁路的材料。
最好，该互感器包括一用于固定磁性材料的支架(support)。
最好，将该磁性材料以带绕在支架上，该形成磁路的带厚度小于1毫米。
最好，利用一个由磁性材料制成的环形件(washer)形成该磁路。
在本发明的对AC、DC或周期性对地漏电故障电流灵敏的对地漏电保护装置的一个实施例中，包括：
以环形铁心形式的对地漏电故障电流检测互感器，包括至少2个次级绕组，
一激磁电路，连接到所述检测互感器中的至少一个次级绕组，以便施加激磁信号，
一处理电路，连接到该次级绕组，
一电源电路，连接到该激磁电路和该处理电路。
该电流检测互感器是按以上所述限定的互感器。
最好，该激磁电路包括用于向次级绕组施加三角波形的电流的装置，对应于所述电流的峰值和该绕组的匝数之积的激磁低于3.5安匝。
最好，该电源电路向该激磁电路和该次级绕组提供的功率小于1瓦。
                           附图说明
根据对仅作为非限定性实例提供的和在附图中所表示的本发明的特定实施例的如下介绍，将使其它优点和特点变得更加明显，其中：
图1是现有技术的对地漏电保护装置的示意图；
图2是能够包括根据本发明一个实施例的检测互感器的保护装置的方块示意图；
图3是能够包括根据本发明一个实施例的检测互感器的保护装置的详细方块图；
图4A到4D表示能够包括根据本发明一个实施例的检测互感器的保护装置的信号；
图5表示根据本发明一个实施例的对地漏电故障电流检测互感器的磁化回线；
图6表示根据本发明一个实施例的对地漏电故障电流检测互感器和现有技术的互感器的磁化回线；
图7表示根据本发明一个实施例的标准的检测互感器的磁感应强度与磁场的关系曲线；
图8表示根据本发明一个实施例的标准的对地漏电故障电流检测互感器的和现有技术的互感器的磁感应强度与磁场的关系曲线；以及
图9表示根据本发明一个实施例的包括一个支架的互感器的磁路。
                     具体实施方式
图1中所示的对地漏电保护装置包括对地漏电故障电流检测互感器1，该互感器包括：以环形铁心形式的磁路2和一连接到处理电路4的次级绕组3。互感器1环绕电源系统中或作为需保护的电源系统一部分的导体5。处理电路4接收来自互感器1的测量信号和命令断开一跳闸继电器6，以便使在与导体5串联配置的电触头断开。当保护装置不由系统供电时，配置在电源线和电路4之间的电源电路8提供用于测量和处理一代表对地漏电故障电流的信号If所需的功率。
如果对地漏电故障电流是脉冲DC电流或代表DC分量，将一激磁电路用于对电流互感器的绕组进行激磁。在图2的示意图中，激磁电路9连接到次级绕组3，以便提供激磁信号Ie。激磁电路9还连接到电源电路8，以便接收该对绕组激磁所需的功率。根据磁路的类型，对于小尺寸的模块型装置来说，这一功率可能高及使保护装置体积大。
按照根据本发明一个实施例的互感器1的磁路2的特定特征，激磁电路可以在远高于需保护的电源系统的通常为额定频率的高频下提供十分低的激磁功率。此外，根据本发明的互感器能够十分高精度地检测和检测很低数值例如几毫安的AC和DC电流。最好，该互感器的磁路具有按照低矫顽磁场的、低频损耗和良好温度稳定性的矩形回线。
图3的方块示意图表示的对地漏电保护装置包括：向激磁电路9供电的电源电路8，以便向检测互感器1中的绕组3提供激磁信号Ie。由于互感器1的磁路2具有特定的磁化特性，由激磁电路提供的电功率较低并且电源电路可以缩小。最好，激磁电路9向绕组3施加具有三角波形的激磁信号。最好，例如为了对30毫安的对地漏电电流提供保护，绕组3的峰值激磁电流低于3.5安匝的峰值，对于50匝的绕组，峰值电流小于70毫安。对于其它保护数值，磁路和激磁的数值特征可以是不同的。为激磁所提供的功率则可以小于1瓦。
在处理电路4中，饱和检测模块10检测和处理代表磁路的上冲(overshoot)饱和的信号峰值。模块10确定峰值之间的时间间隔并例如提供矩形信号，该信号的时间周期取决于当沿第一方向然后沿第二相反方向磁路峰值或饱和拐点发生上冲时的瞬时。由模块10提供的信号施加到积分模块11的输入端。在积分模块11的输出端，一滤波模块接收积分信号并将滤波信号提供到比较模块13。然后将滤波信号与一基准阈值相比较。如果产生所述阈值的上冲，则模块13命令操作跳闸继电器6。
图4A到4D表示能够包括根据本发明一个实施例的检测互感器的保护装置的信号。图4A表示在时间t1发生对地漏电故障电流Id的曲线。图4B表示的曲线15代表由于激磁电流Ie和对地漏电故障电流Id在磁路中产生的磁场H。限值16和17代表磁路的上冲或饱和拐点。最好三角波形的频率远高于需保护的电源系统的频率，例如激磁频率为300赫到几千赫。在图4C中，曲线18是代表饱和磁感应强度上冲的峰值。可以由模块10检测和处理这些峰值。图4D表示由峰值18触发的矩形信号。为了在这些频率下正常工作，磁化回线为明显的矩形，以呈现磁状态的突然变化，以及零感应强度磁场最好十分弱。
如果在时间t1之前没有故障电流出现，按照规则的间隔饱和阈值被突超。因此，峰值18也按照规则的间隔出现，矩形信号具有其中正和负部分具有明显的相等的持续时间的周期。从时间t1起，以曲线14代表的故障电流Id偏移由绕组3上的三角波形激磁电流产生的磁场。该偏移反映饱和磁感应强度上冲及因而脉冲在时间上是交错的。该脉冲偏移产生具有正和负部分不相等的持续时间的矩形信号，这取决于对地漏电故障电流的数值。这些不相等的持续时间由在时间t1之后的曲线19中的部分20代表。
为了能够降低电源的功率，该磁路例如由具有稳态特性的纳米级结晶或非晶磁性材料构成，因此磁化回线为具有小于每米3安的矫顽磁场明显的矩形。
图5表示根据本发明一个实施例的对地漏电故障电流检测互感器的磁化回线。稳态或低频回线21是这样的，即能够将磁感应强度降低到0泰斯拉的矫顽磁场Hc小于每米3安，最好小于每米1.5安。该磁路的零磁场感应强度Bh0和饱和磁场感应强度Bsat最好大于1泰斯拉。
该矩形回线最好具有明确的拐点。该回线的矩形特征最好可以是这样的，即对于50赫的频率，剩磁磁场感应强度或零磁场感应强度对饱和磁场感应强度Bsat的比大于95％。对于300赫下的回线，零感应强度磁场小于11安/米(A/m)，零磁场感应强度大于1.2泰斯拉。
最好与磁场变化与磁感应强度变化的比(ΔB/ΔH)相对应的大于200％。利用按照序号ASTM A598的美国国家标准化的CCFR“恒流通量重新设置(Cons tant Current Flux Reset)”方法确定这一增益。
图6表示在根据本发明一个实施例的检测互感器的回线23和现有技术的测量环形铁心的磁化回线24及回线25之间的一些在稳态或在准稳态下的可比较的回线。回线23为矩形形状，具有小于每米3安的低矫顽磁场和零磁场感应强度大于1泰斯拉，降低了磁路的激磁能量。回线24呈现矩形回线但具有约每米10安的高矫顽磁场。在这种情况下，需要高的激磁能量来测量对地漏电故障电流。在回线25中，矫顽磁场稍微降低但是周期呈环形的形状使得不能将激磁原理正确地应用于测量故障电流。回线23对应于用于测量低频的由系统供电的AC电流的磁性材料。回线25不易应用于激磁装置。
图7中的曲线代表用于本发明一个优选实施例的对地漏电保护装置的检测互感器的磁感应强度变化，是在300赫下按照CCFR法确定的。在这一图中，对于小于每米3安的磁场，该曲线中的部分27具有的磁感应强度变化大于2泰斯拉。例如在曲线中大于每米2.4安的磁场的一点，最好磁感应强度变化大于2.5泰斯拉。
根据本发明的一个实施例的磁路具有十分高的频率响应。例如，在3000赫下互感器的磁路在零感应强度时产生低于每米20安的磁场。
在图8中，比较用的曲线能够说明现有技术的磁路和根据本发明一个实施例的磁路之间的差别。曲线28和29分别表示在50和400赫下用于互感器的材料的磁感应强度变化与磁场的相互关系，该互感器具有的回线按照图6中的曲线24所示。大的磁感应强度变化代表明显的矩形回线，但是针对很高的磁场数值的。这种材料具有很高的矫顽磁场或零感应强度磁场，这隐含消耗十分高的激磁能量。曲线30和31分别表示在50和400赫下的用于互感器的材料的磁感应强度变化，该互感器具有回线按照图6中的曲线25所示。该磁场较弱，但是小的磁感应强度变化使得不能容易和精确地利用一激磁装置检测对地漏电电流。曲线32和33分别表示在50和400赫下的磁感应强度变化与根据本发明一个实施例的互感器磁路的磁场的相互关系。这一互感器综合了矩形回线和低矫顽磁场或零感应强度磁场的特征。
根据本发明一个实施例的磁路的材料可以为纳米级结晶或非晶类型。最好，该材料也可以为以铁为主的软磁合金，其结构是按照颗粒尺寸小于100纳米的结晶颗粒占50％以上形成的。最好通过在磁场中对由在几百摄氏度下辊压的带形成的环形铁心进行热处理得到该检测互感器的磁路。
为了降低由于Foucault电流引起的频率损耗，利用厚度小于30微米的磁性材料带实现磁路。
图9表示一电流检测互感器，其包括用于固定磁性材料的支架40。例如，将带状磁性材料绕在支架40上，辊压形成磁路2的带，使其厚度41小于1毫米。最好，所绕的磁路的厚度为0.5毫米。支架40最好由非磁性材料制成。这样即使该磁性材料的数量很小，提供的磁路也具有良好的机械强度。
最好该磁路也可以利用一个或多个由以上所述的磁性材料构成的环形件实现。特别是这些环形件可以通过冲模或通冲剪实现。
以上所述的装置是该实施例的一个实例。其它的装置设计布局也可适合实施本发明。
以上所述检测互感器的实施例是优选实施例。然而，其它实现该互感器的方法也可能是适合的。

Claims (16)

1.一种环形铁心形式的用于检测对地漏电故障电流的检测互感器，其用于对AC、DC或周期性对地漏电故障电流灵敏的对地漏电保护装置，
所述保护装置包括：
一激磁电路(9)，连接到所述检测互感器中的至少一个次级绕组(3)，以便施加激磁信号(Ie)，
一处理电路(4)，连接到该次级绕组，
一电源电路(8)，连接到该激磁电路和该处理电路，
一检测互感器，其特征在于，包括一由以铁为主的磁性材料构成的磁路，该磁性材料具有的晶粒尺寸小于100纳米，其静态或低频磁化特性为：磁化回线(21，23)可为明显的矩形及矫顽磁场(Hc)低于每米3安。
2.根据权利要求1所述的电流检测互感器，其特征在于，磁化回线(21，23)是这样的，即零磁场感应强度(Bh0)对饱和磁感应强度(Bsat)的比大于0.95。
3.根据权利要求1或2所述的电流检测互感器，其特征在于，在静态或低频下，该矫顽磁场(Hc)低于每米1.5安。
4.根据权利要求1到3中之一所述的电流检测互感器，其特征在于，该互感器的磁路具有的矫顽磁场与零磁场感应强度比，使得对于大于1泰斯拉的零磁场感(Bh0)，矫顽磁场(Hc)低于每米3安。
5.根据权利要求1到4中之一所述的电流检测互感器，其特征在于，对于低于每米3安(3A/m)的磁场，在静态回线或频率低于400赫时，互感器的磁路的感应强度的变化大于2泰斯拉。
6.根据权利要求5所述的电流检测互感器，其特征在于，对于低于每米2.5安(2.5A/m)的磁场，在静态回线或频率低于400赫时，互感器的磁路的感应强度的变化大于2.4泰斯拉。
7.根据权利要求1到6中之一所述的电流检测互感器，其特征在于，在零磁场感应强度时，在3千赫下该互感器的磁路的磁场低于每米20安(20A/m)。
8.根据权利要求1到7中之一所述的电流检测互感器，其特征在于，通过在磁场中的热处理得到该磁路。
9.根据权利要求1到8中之一所述的电流检测互感器，其特征在于，该磁路的材料包含50％以上的其颗粒尺寸小于100纳米的细微结晶颗粒。
10.根据权利要求1到9中之一所述的电流检测互感器，其特征在于，利用材料厚度小于30微米的带得到该磁路的材料。
11.根据权利要求1到10中之一所述的电流检测互感器，其特征在于，该互感器包括一用于固定磁性材料的支架(40)。
12.根据权利要求1到11中之一所述的电流检测互感器，其特征在于，将该磁性材料以带绕在支架(40)上，该形成磁路(2)的带厚度(41)小于1毫米。
13.根据权利要求1到12中之一所述的电流检测互感器，其特征在于，利用至少一个由磁性材料制成的环形件形成该磁路。
14.一种对AC、DC或周期性对地漏电故障电流灵敏的对地漏电保护装置，包括：
以环形铁心形式的对地漏电故障电流检测互感器(1)，包括至少2个次级绕组(3)，
一激磁电路(9)，连接到所述检测互感器中的至少一个次级绕组，以便施加激磁信号，
一处理电路(4)，连接到该次级绕组，和
一电源电路(8)，连接到该激磁电路和该处理电路，其特征在于，该电流检测互感器是根据权利要求1到11中之一所述的互感器。
15.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，该激磁电路(9)包括用于向次级绕组施加三角波形的电流的装置，对应于所述电流的峰值和该绕组的匝数的积的激磁低于3.5安匝。
16.根据权利要求14或15所述的装置，其特征在于，该电源电路向该激磁电路和该次级绕组提供的功率小于1瓦。
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