CN1663090A

CN1663090A - 残留电流检测电路

Info

Publication number: CN1663090A
Application number: CN038148501A
Authority: CN
Inventors: 帕特里克·沃德
Original assignee: Shakira Ltd
Current assignee: Shakira Ltd
Priority date: 2002-06-24
Filing date: 2003-03-25
Publication date: 2005-08-31
Anticipated expiration: 2023-03-25
Also published as: US7068047B2; EP1518310A1; WO2004001924A1; US20050201026A1; DE60332734D1; AU2003216697A1; EP1518310B1; CN100459351C; ES2346749T3; ATE469453T1; DK1518310T3; IE20020512A1; AU2003216697B2

Abstract

一种残余电流检测电路，包括：电流变压器CT，用于检测指示残余电流的非平衡电流；以及全波整流器FWR，用于提供输出，所述输出的幅度对应于残余电流的大小。所述FWR输出被同时施加于两个通道。第一通道包括：第一比较器COMP1，用于提供第一信号，所述第一信号在所述输出的幅度超过第一电平期间持续存在。第二通道包括：电容C2，所述电容获得对应于所述输出电平的电荷；以及第二比较器COMP2，用于响应于超过第二电平的电容器电压而提供第二信号。仅当所述第一信号与所述第二信号相一致时，从所述电路提供输出。

Description

残留电流检测电路

技术领域

本发明涉及一种用在如残余电流设备(RCD)中的残余电流检测电路。

背景技术

与RCD相关的最常见的问题就是损害跳闸(nuisance tripping)，在大多数情况下，这是由于缺乏超过预定电平的持续残余电流的RCD跳闸引起的。如在这里使用的，术语“持续残余电流”是指持续流动直到通过移去电源而被中断的任意残余电流。反之，“非持续残余电流”是指在初始冲击或脉冲之后自动停止流动的任意残余电流。非持续残余电流可响应于雷击而流向大地，电抗性负载(reactive load)的开关或瞬时电流流向大地并非是由于绝缘击穿(insulation breakdown)造成的，因而也不是持续的。虽然如此，在许多情况下，这种电流将被RCD检测作为具有足够大小和持续时间的残余电流而导致RCD跳闸。

出于安全和优化保护的原因，许多RCD具有一种逆时间/电流特性(inverse time/current characteristic)，该特性使得RCD对较高振幅的残余电流更快地跳闸。然而，这种特性可以将RCD设置成响应于较高振幅而短持续时间的残余电流的流动而自动跳闸。在雷击的情况下，流向大地的合成电流(resultant current)可以具有安培级的大小，并且尽管这些电流可能仅流动几微秒的时间，但是RCD仍可能不可避免地跳闸。损害跳闸问题最近已和在荧光灯中使用电子启辉器(electronic starter)的使用混杂起来，其中，具有几毫秒持续时间的几百安培的触发电流可以导致相对较大的电容电流在类似的周期流向大地。常规的RCD对这种电流抗扰能力较低，因此有更大可能性导致损害跳闸。

RCD设计者已经尝试了各种方式以使得他们的产品对此类问题具有抗扰能力，诸如加入机械埋焊(mechanical slugging)和时间延迟电路。然而，因为对于不同大小的故障电流要求在特定时限之内跳闸，故限制了可以加入RCD中的埋焊和时间延迟的量。一般，符合RCD产品标准IEC61008的普通类型的30毫安的RCD，对于30毫安的残余电流必须在300毫秒内跳闸，而对于150毫安或更高的残余电流必须在40毫秒内跳闸。这种对较高振幅的残余电流的响应类型提供了逆时间/电流特性。过多的埋焊或时间延迟将使RCD不可能达到40毫秒的要求，因此此类改进的效果是有限的。

另外，使用电子电路以获得时间延迟常常导致在电抗元件(reactivecomponent)中的电荷的存储，这可能对由电子电路所检测到的信号的持续时间的伸展(stretching)有影响。结果，因为残余电流的大振幅，所以在电抗元件中的最终产生的累积存储效应，将导致RCD检测到比残余电流流动的实际时间长得多的时间的残余电流流动。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种用在如RCD中的改进的残余电流检测电路，在所述RCD中，上述问题被克服或得到实质性地缓解。

因此，本发明提供一种残余电流检测电流，包括：用于检测指示残余电流的非平衡电流并且提供输出的装置，所述输出的幅度对应于所述残余电流的大小，所述输出被同时施加于两个通道，其中，第一通道提供第一信号，而第二通道提供相对于第一信号被延时的第二信号，每个通道的输出被施加于电路级(circuit stage)，所述电路级仅当在其输入端的第一和第二信号一致时产生输出。

该发明的优选实施例提供一种残余电流检测电路，包括：用于检测指示残余电流的非平衡电流并且提供输出的装置，所述输出的幅度对应于残余电流的大小，所述输出被同时施加于两个通道，其中，第一通道包括用于在所述输出的幅度超过第一电平时提供第一信号的装置；并且其中第二通道包括：电容器，其获得对应于所述输出的幅度的电荷；以及用于响应于超过第二电平的所述电容器上的电压而提供第二信号的装置，所述电路还包括用于仅当所述第一和第二信号相一致时才提供输出的装置。

第一和第二电平可以相同或不同。而且，根据上下文，可以由设备的任何可识别的状态来提供信号；例如，电压电平中的变化，或者在先前存在电压的情况下而没有电压。

附图说明

下面将通过参照附图以举例的方式来描述本发明的实施例，其中：

图1是在RCD中使用的现有技术的残余电流检测电路的电路图；

图2至图6是根据本发明的残余电流检测电路的实施例。

具体实施方式

通常，通过使用围绕在电源导线(mains conductor)周围的电流变压器(CT)来检测通地泄漏(残余)电流。由CT检测到的残余电流可以是全波、或者脉动DC形式的部分波(partial wave)，其中当由整流器或半导体开关元件等控制电源时，所述脉动DC在AC电源的正半周期或负半周期期间流动较短时间。脉动DC电流可能和全波电流一样危险，并且虽然它们可能只在交替的半周期期间流动短时间，但是，对于RCD电路，检测这样的残余电流是很重要的。全波残余电流可以被认为是连续不断的，而由于在脉冲之间的相对较长的非传导时间，脉动DC残余电流可以被认为是周期循环的。

图1是示出由DC或者整流的AC电压供电的基本残余电流检测电路。在常规方式中，AC电源存在，并且而连接至负载的中性导体通过电流变压器CT，由CT检测在这些导体中的、指示接地故障电流的任何残余电流以产生和残余电流的大小成比例的输出电压。二极管D1和D2把CT输出电压箝制在正、负的界限以内，以防止电子电路被过大的电压偏移毁坏，并且电阻R1和电容C1从CT输出电压中滤波出高频部分。在限幅和滤波之后，CT输出电压被施加于放大器A1，该放大器A1的增益由电阻R2和R3设置。A1的输出被反馈给全波整流器FWR，以把AC电压转换成单极性电压。因而，对于任何残余电流，FWR的输出都是两倍于电源频率，例如在50Hz电源的情况时为100Hz的频率的一系列的正极性电压脉冲，而且具有对应于残余电流的大小的幅度。

经由二极管D3和电阻R4反馈FWR输出以对电容C2充电。电阻R5是旁漏电阻(bleed resistor)，用于防止C2无限期地保持电荷。选择这些元件的值，以便C2经由D3和R4以比经由R5放电快的速度充电，对给定的FWR输出电压，充电和放电的速度分别由R4和R5的值决定。因此，C2有效地平滑了该FWR输出，从而C2上的电压是FWR输出在实质上由时间常数C2/R5所确定的时间上的平均值。C2上的电压被反馈到输出级(未示出)来操作跳闸装置。为了设定跳闸电平或阈值，在输出级之前，可以在比较器Comp中比较C2上的电压和阈值电平Ref，以便仅当C2上的电压超过Ref时，才向输出级提供输出。该基本电路具有检测和响应AC和脉动DC残余电流的能力。

图1的基本电路的关键问题在于：电容C2响应于任何来自CT的输出而获得和存储电荷，其中所述输出包括由噪声或电流冲击引起的短持续时间的脉冲等。这种脉冲，虽然短暂并且不属于通地泄漏电流，但是可能常常具有相当大的幅度，结果，C2上的电荷将导致输出级被触发，从而引发损害跳闸。

图2示出一个改进电路，所述电路降低了与短持续时间的电流脉冲相关的损害跳闸的风险。

FWR输出电压被同时提供给两个通道。在第一通道中，FWR输出电压被直接反馈给与门的第一输入端。在第二通道中，与前面相同，FWR输出电压也被反馈给电容C2，但C2的输出现在被反馈给与门的第二输入端。与门的每一输入端具有预定的阈值，对于每一输入端，阈值可以相同或不同，以便只有在该端子上的电压超过各自阈值时，才产生到与门的输入信号。这样，只有两个输入电压相一致并且具有超过各自与门输入阈值的电平，与门才会产生输出。C2用于经由R4获得电荷的时间将引入与在第一输入端上所施加的电压相比的、在与门的第二输入端上所施加的电压中的延迟。假设产生FWR输出的残余电流是周期循环的或维持到由C2引入的延迟之后，并且超过某一电平，与门将检测分别来自FWR和C2的两个相一致的信号，从而产生输出并使RCD跳闸。如果产生FWR输出的残余电流不是周期循环的或维持到由C2引入的延迟之后，那么当来自C2的信号到达时，到与门的第一输入信号将不存在。结果，将不存在来自与门的输出，并且RCD也不会响应于短持续时间的脉冲而跳闸。如果FWR输出不是周期循环的或持续不断的，则C2将在有限的时间内经由R5放电。

通过得到FWR输出并用它来产生两个单独的信号，RCD被赋予对由短持续时间或者非连续残余电流所引起的损害跳闸的高程度的抗干扰能力。

图2中的电路还可以如图3所示的那样被进一步改进。在这个电路中，作为第一信号的FWR输出现在被反馈给第一比较器Comp1的+ve端，其中所述比较器Comp1的-ve端连接至参考电压Ref1。FWR输出同样像前面一样被反馈给C2，来产生由C2上的电压引起的第二信号，但是该信号现在被反馈给第二比较器Comp2的-ve端，其中所述比较器Comp2的+ve端连接至参考电压Ref2。在静态下，Comp2的输出为高，从而保持开关晶体管Q1被导通，并且通过将电路的输出保持在地电平来维持在该电路的输出上的截止箝位(disabling clamp)。当C2上的电压超过Ref2时，Comp2输出变低，并断开Q1，从而消除来自输出的截止箝位。当FWR输出超过Ref1电平时，Comp1输出变高，并且每当Q1被断开时，来自Comp1的任何高输出都会经由R6反馈给输出级。

Comp1有效地把FWR输出转换成相同振幅的矩形脉冲。Ref1可以被设置成任何方便的电压，只要能保证仅超过某一阈值的残余电流所引起的FWR信号被Comp1转换成矩形波。这保证了背景噪声对RCD性能的影响最小。Comp1将有效地响应于任何超过某一阈值的残余电流的出现，而不考虑它的实际振幅，然而，Comp2将响应于残余电流，所述残余电流导致在C2上的、超过由Ref1确定的某一平均DC电平的充电。

可以通过适当地选择R2和R3的值来改变放大器的增益、或选择Ref2、或这些变量的组合，以设置RCD的期望跳闸阈值。

对于RCD，有时候希望具有确定的无响应时间，在该确定的非响应时间期间，RCD将不响应残余电流，而不管残余电流的大小。这是一个期望特性，该特性可以对雷击或者荧光灯的电子启辉器具有很高的抗干扰性，所述雷击或荧光灯的电子启辉器能引起在安培级而不是RCD通常用于冲击保护的毫安级的残余电流。图4示出提供该能力的、图3的改进电路。

在图4中，FWR输出和前面一样被施加于Comp1和C2。然而，在该情形下，Comp2连接至电流源S1，当电流源S1被Comp2的输出启动(enabled)之后，将对电容C3充电。C3上的电压被施加于第三比较器Comp3的-ve端，其中Comp3的+ve端连接至参考电压Ref3。当C2上的电压超过Ref2电平时，Comp2输出变高，使电容C3从电流源S1以预定的速度充电。当C3上的电压超过Ref3，Comp3输出变低，并且像以前一样消除输出上的截止箝位，如果在Comp1的输出端上的第一信号存在，则使RCD跳闸。C3充电所用的时间和残余电流的大小无关。如果在C3上的电压超过Ref3之前，C2上的充电降到Ref2之下，则Comp2输出将变低，并且C3将通过D4放电，从而避免RCD跳闸。因此，图4的电路具有防止RCD对有限时间内的残余电流做出响应的能力。所述电路依次为RCD提供确定的非响应时间，同时确保在该时间之后对仍然流动的持续的或周期循环的残余电流进行响应。

如前面所述，RCD跳闸的残余电流的电平被认为是该设备的跳闸阈值。在超过RCD跳闸阈值的持续不断的电流的情况下，像前述的那样，不论这个电流是刚刚到达还是远远超过该阈值，该电路都会有相似的响应时间。在许多情况下，用户希望RCD具有逆时间/电流特性。图5所示的电路通过引入更多的比较器Comp4和第二电流源S2来提供这种能力，C2上的电压被施加于比较器Comp4的+ve端，而参考电压Ref4被施加于Comp4的-ve端。

参考电压Ref4比Ref2高。当来自C2的电压超过Ref2时，Comp2允许C3从电流源S1以预定速度获得电荷。如果跨越C2的电压高于Ref4，则Comp4输出将触发第二电流源S2和使得C3以更快的速度获得其电荷，结果，RCD将更快地响应较高电平的残余电流。可以通过例如使用附加的电流源，或通过使用来自多个电流源的不同的充电电流，或通过改变Ref4电压、或使用上述的多个方法之一作为控制方式来优化逆时间/电流响应。适当地选择元件的值可以在各种残余电流电平上提供合适的响应时间，同时维持电路对损害跳闸的基本的高抗干扰性。

图6提供了这样的控制装置的一个例子。在图6中，附加电路已被包含以提供对从电流源S1和S2流出的电流的电平的调整和控制。控制是通过偏流电阻器Rbias来实现的，偏流电阻器的值可以设定电流源的精确电平。Rbias的值的变化可以增大或者减小从S1和S2流到C3的电流量，从而控制其充电速度和电路对不同大小的残余电流的响应时间。

损害跳闸的问题也可能由传导的或传播的频率成分引起，其中所述频率成分从基电源频率的谐波到千兆赫范围的无线频率。可以将适当的抑制技术应用到基本电路以增强对损害跳闸的抵抗能力，从而响应于这样的干扰而不从在此描述的基本电路转移。

本发明不仅限于此处描述的实施例，在不脱离本发明的范围情况下，可以对这些实施例进行修改和变化。

Claims

1、一种残余电流检测电路，包括用于检测指示残余电流的非平衡电流并且提供输出的装置，其中所述输出的幅度对应于所述残余电流的大小，所述输出被同时施加于两个通道，其中第一通道提供第一信号，而第二通道提供第二信号，所述第二信号相对于所述第一信号被延时，每一通道的输出被施加于电路级，所述电路级仅当在其输入端上的第一和第二信号一致时才产生输出。

2、一种残余电流检测电路，包括用于检测指示残余电流的非平衡电流并且提供输出的装置，其中所述输出的幅度对应于所述残余电流的大小，所述输出被同时施加于两个通道，其中第一通道包括用于在所述输出的幅度超过第一电平时提供第一信号的装置，并且其中第二通道包括：电容器，用于获得对应于所述输出的幅度的电荷；用于响应于超过第二电平的在所述电容器上的电压而提供第二信号的装置，所述电路还包括用于仅当所述第一信号和所述第二信号相一致时提供输出信号的装置。

3、如权利要求2所述的残余电流检测电路，其中，所述检测和提供装置的输出是电压；其中，所述第一通道将输出电压连接到一个与门的第一输入端；所述第一输入端具有定义所述第一电平的第一阈值，借此当所述输出电压超过所述第一阈值时在所述与门上产生所述第一信号，并且其中，所述第二通道将所述电容器电压连接至所述与门的第二输入端，所述第二输入端具有定义第二电平的第二阈值，借此，当所述电容器电压超过所述第二阈值时，产生所述第二信号，一旦所述第一和第二信号相一致，则产生所述输出信号。

4、如权利要求2所述的残余电流检测电路，其中，所述检测和提供装置的输出是电压，其中，所述第一通道包括：第一比较器，用于将所述输出电压与第一参考电压相比较，并且当所述输出电压超过所述第一参考电压时，提供所述第一信号作为输出；并且其中，所述第二通道包括：第二比较器，用于将所述电容器电压与第二参考电压相比较，并且当所述电容器电压超过所述第二参考电压时，提供输出信号，所述第二信号既可以由所述第二比较器输出信号构成，也可以由所述第二比较器输出信号得到。

5、如权利要求4所述的残余电流检测电路，其中，所述第二通道还包括：电流源，用于当出现第二比较器输出信号时，对第二电容器充电；和第三比较器，用于将所述第二电容器电压与第三参考电压相比较，并且当所述第二电容器电压超过所述第三参考电压时，产生输出信号。

6、如权利要求5所述的残余电流检测电路，其中，所述第二通道包括：第四比较器，用于将所述电容器电压与高于所述第二参考电压的第四参考电压相比较，并且当所述电容器电压超过所述第四参考电压时，提供输出信号，其中，所述第二通道还包括第二电流源，用于当第四比较器输出信号出现时，帮助所述第一电流源对所述第二电容器充电。

7、如权利要求5或6所述的残余电流检测电路，还包括：用于调整由所述电流源所提供的电流的大小的装置。

8、如权利要求5至7中的任一项所述的残余电流检测电路，其中，所述第三比较器输出电压构成所述第二信号。

9、如权利要求4至8中的任一项所述的残余电流检测电路，其中用于仅当所述第一信号与所述第二信号相一致时提供输出信号的装置包括：切换设备，用于除第二信号出现期间之外，向所述第一比较器的输出施加截止箝位。