CN204065213U - 零序电流互感器断线检测电路与剩余电流检测电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种零序电流互感器断线检测电路与剩余电流检测电路，解决了采样单元拾取的剩余电流波形失真的问题，其包括恒流源单元，用于提供恒定电流；放大单元，用于对输入信号进行放大；采样单元，用以将电流信号转换成电压信号；采样单元的两端分别与放大单元的正、负输入端对应连接，所述恒流源单元与采样单元并联后，接在放大单元的输入端，在恒流源单元与采样单元之间设有开关单元，还包括控制单元，用于判断检测到的剩余电流值为零则输出信号导通开关单元，从而来检测零序电流互感器的工作状态以判断是否需要报警，或者剩余电流值为非零则输出信号断开开关单元，以比对剩余电流值与标准值的大小以判断是否需要报警。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种检测电路，特别涉及一种零序电流互感器断线检测电路与剩余电流检测电路。
背景技术
剩余电流保护装置是用来对电气线路进行接地故障保护，防止接地故障电流引起的设备和电气火灾事故，也可用来对人身触电危险提供间接接触保护。而剩余电流保护装置的核心是零序电流互感器断线检测电路与剩余电流检测电路，意在监测零序电流互感器的工作状态，该检测电路是需要长期的在电网中运行的。而现有的剩余电流保护装置中，为检测零序电流互感器是否断线，会附加一定的恒定电流给采样单元，且该电流一直是加持在采样单元上的，会长期在电网中运行，这将导致性能不好的零序电流互感器受附加电流的影响，使得采样单元拾取的剩余电流波形失真，最终将导致不能准确地检测剩余电流值而引起保护装置的误动作或者无保护动作，这将会对所需要保护的设备带来重大安全隐患。
实用新型内容
为了克服采样单元拾取的剩余电流波形失真的不足，本实用新型提供一种零序电流互感器断线检测电路与剩余电流检测电路。
本实用新型所采用的技术方案是：一种零序电流互感器断线检测电路与剩余电流检测电路，其包括恒流源单元，用于提供恒定电流；放大单元，用于对输入信号进行放大；采样单元，用以将电流信号转换成电压信号；采样单元的两端分别与放大单元的正、负输入端对应连接，其特征在于：所述恒流源单元与采样单元并联后，接在放大单元的输入端，在恒流源单元与采样单元之间设有开关单元，还包括控制单元，用于判断检测到的剩余电流值为零则输出信号导通开关单元，从而来检测零序电流互感器的工作状态以判断是否需要报警，或者剩余电流值为非零则输出信号断开开关单元，以比对剩余电流值与标准值的大小以判断是否需要报警。
所述放大单元包括第一运算放大器U1B、电容C3、电阻R4/R5/R6/R7/R8/R9，第一运算放大器U1B的正输入端5通过电阻R8接地，正输入端5通过电阻R9与偏置电压输出端连接，输出端7通过电阻R6和R7作为信号输出口residual，输出端7的信号通过R6和C3组成的阻容滤波后，再经过R7限流后作为信号输出口residual与控制单元相连接，输出端7通过R4与负输入端6连接。
所述恒流源单元包括第二运算放大器U1A、电阻R1/R2、基准电压二极管U3和第一N沟道场效应管Q1，电阻R2和基准电压二极管U3串联后一端接地，一端接VCC，第二运算放大器U1A的负输入端2接电阻R2和基准电压二极管U3之间的节点上，正输入端3通过电阻R1接VCC，第一N沟道场效应管Q1的门极1与第二运算放大器U1A的输出端1连接，漏极2与正输入端3连接，源极3与开关单元连接。
所述开关单元包括第二N沟道场效应管Q2和电阻R3，第二N沟道场效应管Q2的门极1经电阻R3接信号输入口AD_CTL以控制通断，漏极2与第一N沟道场效应管Q1的源极3连接，源极3通过电阻R5接第一运算放大器U1B的负输入端6。
所述采样单元包括并联的零序电流互感器和电阻RS1，采样单元的一端通过电阻R5与第一运算放大器U1B的负输入端6相连，采样单元的另一端接地。
所述控制单元采用单片机，所述单片机与放大单元的信号输出口residual连接，与开关单元的信号输入口AD_CTL连接。
还包括用作偏置电压的电压跟随器，所述电压跟随器的输出端通过电阻R9与放大单元的正输入端连接。
所述电阻R5/R8取值相同，所述电阻R4/R9取值相同。
所述采样单元还包括与电阻RS1并联的电容C2。
所述采样单元还包括与电阻RS1并联的钳位电路，该钳位电路由一正一反的两个二极管D1/D2并联构成。
本实用新型的有益效果是：该零序电流互感器断线检测电路与剩余电流检测电路采用开关单元控制恒流源单元的接通或断开，采用控制单元判断检测到的剩余电流值为零则输出信号导通开关单元，从而来检测零序电流互感器的工作状态以判断是否需要报警，或者剩余电流值为非零则输出信号断开开关单元，以比对剩余电流值与标准值的大小以判断是否需要报警，如此不需要实时给零序电流互感器通恒定电流，避免了恒定电流对零序电流互感器的影响，使其出现剩余电流波形失真的问题，可以准确地检测出剩余电流值，因而该电路不对零序电流互感器提出特别的要求，具有广泛的实用性。
附图说明
图1是本实用新型的电路框图。
图2是本实用新型的恒流源单元通过开关单元与采样单元连接，接在放大单元的负输入端的电路连接图。
图3是本实用新型的恒流源单元通过开关单元与采样单元连接，接在放大单元的正输入端的电路连接图。
图4是本实用新型的恒流源单元通过开关单元与采样单元连接，接在放大单元的正输入端的电路连接图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型实施例作进一步说明：
如图1、图2所示，一种零序电流互感器断线检测电路与剩余电流检测电路，其包括其包括恒流源单元，用于提供恒定电流；放大单元，用于对输入电压进行放大；采样单元，用以将电流信号转换成电压信号；采样单元的两端分别与放大单元的正、负输入端对应连接，所述恒流源单元与采样单元并联后，接在放大单元的输入端，在恒流源单元与采样单元之间设有开关单元，还包括控制单元，用于判断检测到的剩余电流值为零则输出信号导通开关单元，从而来检测零序电流互感器的工作状态以判断是否需要报警，或者剩余电流值为非零则输出信号断开开关单元，以比对剩余电流值与标准值的大小以判断是否需要报警。用开关单元的通断来控制恒流源单元接入电路或从电路中断开，导通以检测零序电流互感器是否连接正常，断开以检测剩余电流值的大小，所述采样单元将恒流源信号与剩余电流信号相叠加后的电流信号转换成电压信号，本实用新型所给出的电路不需要实时给零序电流互感器通恒定电流，避免了恒定电流对零序电流互感器的影响，使其出现剩余电流波形失真的问题，因而不对零序电流互感器提出特别的要求，具有广泛的实用性。
所述控制单元采用Microchip公司的PIC18F系列单片机，其工作电压由5V电压信号经过π型滤波后所得，当然，选用其他系列但能实现本实用新型的技术方案的单片机都是可以的，采用单片机可以准确地检测出剩余电流值，并判断剩余电流值是否正常。
警报电路包括分别与单片机连接的继电器脱扣单元、声音报警单元和灯光报警单元，若检测零序电流互感器未连接或者剩余电流值超过1000mA,则会通过单片机使得继电器脱扣单元、声音报警单元和灯光报警单元分别动作，以做出报警。
所述控制单元也可以采用比较器，其工作电压为5V电压信号。在第一比较器中预设一个电压值为0的第一标准信号，用来判断零序电流互感器是否连接正常，在第二比较器中预设一个电压值与保护装置的剩余电流标准值对应的第二标准信号，用第二比较器将采用电路采集到的电压信号与第二标准信号进行比较，从而判断剩余电流值是否正常。
所述放大单元包括第一运算放大器U1B、电容C3、电阻R4/R5/R6/R7/R8/R9，第一运算放大器U1B的正输入端5通过电阻R8接地，正输入端5通过电阻R9与偏置电压输出端连接，输出端7通过电阻R6和R7作为信号输出口residual，输出端7的信号通过R6和C3组成的阻容滤波后，再经过R7限流后作为信号输出口residual与控制单元相连接，输出端7通过R4与负输入端6连接；所述采样单元包括并联的零序电流互感器和电阻RS1，采样单元的一端通过电阻R5与第一运算放大器U1B的负输入端6相连，采样单元的另一端接地，采样单元通过电阻RS1或者零序电流互感器的内阻与电阻RS1并联后的电阻，将恒流源信号和剩余电流信号想叠加后的电流信号转换成电压信号，再经第一运算放大器U1B放大后，提供给单片机，以进行判断零序电流互感器的工作状态和剩余电流值。
所述恒流源单元包括第二运算放大器U1A、电阻R1/R2、基准电压二极管U3和第一N沟道场效应管Q1，电阻R2和基准电压二极管U3串联后一端接地，一端接VCC，第二运算放大器U1A的负输入端2接电阻R2和基准电压二极管U3之间的节点上，正输入端3通过电阻R1接VCC，第一N沟道场效应管Q1的门极1与第二运算放大器U1A的输出端1连接，漏极2与正输入端3连接，源极3与开关单元连接，从第一N沟道场效应管Q1的源极3输出电流Is。
所述开关单元包括第二N沟道场效应管Q2和电阻R3，第二N沟道场效应管Q2的门极1经电阻R3接信号输入口AD_CTL以控制通断，该信号输入口AD_CTL接单片机的普通IO口，漏极2与第一N沟道场效应管Q2的源极3连接，源极3通过电阻R5接第一运算放大器U1B的负输入端6，通过单片机适时输出高电平信号给门极1，以控制第二N沟道场效应管Q2的通断，使得开关单元控制恒流源单元是否接入采样单元，以实现电路检测零序电流互感器的工作状态和检测剩余电流值两者功能的切换。
还包括用作偏置电压的电压跟随器，所述电压跟随器包括第三运算放大器U1C和电阻R10/R11，R10和R11串联后一端接地，一端接VCC，第三运算放大器U1C的正输入端10接在电阻R10和R11之间的节点上，负输入端9与输出端8连接，输出端8即偏置电压输出端，输出端8通过电阻R9与第一运算放大器U1B的正输入端5连接，第三运算放大器U1C的输出端8输出电压为Vref=1/2·VCC，此输出电压再经电阻R8和R9分压后，给第一运算放大器U1B的正输入端5一个偏置电压，将剩余电流信号的正弦波整体上移，使之全部在正电压范围内，以解决由于剩余电流信号是正弦波，负电压不能被大部分单片机所识别的问题，此偏置电压需根据单片机工作电压或AD参考电压的不同而不同。
所述采样单元还包括与电阻RS1并联的电容C2；所述第二运算放大器U1A的4脚接VCC，11脚接地，并在4脚和11脚之间接电容C1，电容C1是去耦电容，具有退耦作用，电容C2是旁路电容，具有滤波作用。
所述采样单元还包括与电阻RS1并联的钳位电路，该钳位电路由一正一反的两个二极管D1/D2并联构成，一次只能有一个二极管导通，而另一个处于截止状态，那么它的正反向压降就会被钳制在二极管正向导通压降的0.5-0.7以下，从而起到保护电路的目的。
原理分析：
假设零序电流互感器的内阻为R = 100Ω，RS1=100Ω，R1=1kΩ，VCC=5V，基准电压二极管U3的稳定电压为2.5V，则恒流源电流为Is = (VCC-2.5)/R1 = 2.5mA。
取R5=R8=10kΩ，R4=R9=100kΩ，R10=R11=1kΩ，则电压跟随器的输出电压为Vref = 2.5V。
1、 若单片机检测到的剩余电流值Iresi = 0mA，此时AD_CTL为高电平，第二N沟道场效应管Q2保持通态。
a) 若零序电流互感器连接正常，R // RS1 = 50Ω, R5与C2连接点的电压为Vin=（R // RS1）*Is= 50*2.5 = 125mV，第一运算放大器U1B的输出端7的电压为Vout1= Vref – Vin*(R4/R5) = 2.5V-1.25V = 1.25V，此时单片机能够检测到零序电流互感器连接正常。
b) 若零序电流互感器未连接，Vin = RS1*2.5 = 250mV，Vout2 = Vref – Vin*(R4/R5) = 2.5V-2.5V = 0V。
c) 分析前面两种情况，他们的输出电压Vout1和Vout2有明显的区别，即单片机可根据此类差别辨别零序电流互感器是否连接正常，即完成了断线检测功能。
d) 若单片机检测到互感器连接正常，AD_CTL为低电平，开始检测剩余电流值，若剩余电流值大于0mA，则继续检测剩余电流值，若剩余电流值为0mA，AD_CTL为高电平，第二N沟道场效应管Q2保持通态，开始检测零序电流互感器是否连接。
2、 若单片机检测到的剩余电流值Iresi > 0mA，此时AD_CTL为低电平，第二N沟道场效应管Q2处于断开状态，假设剩余电流值为1A，线圈匝数比为2000：1，则电路的输入电流为0.5mA，Vin = 0.5*50=25mV，经过放大后Vout = Vref – Vin*(R4/R5) = 2.5V-0.25V =2.25V。再经过单片机AD采集后处理，即可得到真实的剩余电流值，将该剩余电流值与保护装置的剩余电流设定值比对，若超出设定值，应被判断为漏电故障，保护装置应发出报警声或者给出脱扣信号。
相对的，本实用新型所涉及的电路，如果将经采样单元变换后的电压信号与第一运算放大器U1B的正输入端5连接，第一运算放大器U1B的负输入端6有两种接法：
第一种
如图3所示，将电压跟随器与第一运算放大器U1B的负输入端6连接，如此连接，恒流源信号的参考点是仍然是地，而采样单元的参考点变成了电压跟随器的输出电压Vref，这将导致电流不能形成回路，出现电路错误。
第二种
如图4所示，不接入电压跟随器，第一运算放大器U1B的负输入端6通过电阻R57接地，通过电阻R54接输出端，如此连接，将经采样单元变换后的电压信号作为第一运算放大器U1B的偏置电压，但是这个偏置电压就需要一直处于接入状态，否则就只能检测半波，而一直处于接入状态，这样长期运行的话，恒定电流就会对零序电流互感器产生影响，使其出现剩余电流波形失真的问题，不能准确地检测出剩余电流值，除非保证所用零序电流互感器性能特别好，但是选用性能好的零序电流互感器会影响生产成本以及制约该电路的实际应用。
以上结合附图所描述的实施例仅是本实用新型的优选实施方式，而并非对本实用新型的保护范围的限定，任何基于本实用新型精神所做的改进都理应在本实用新型保护范围之内。
Claims (10)
1.一种零序电流互感器断线检测电路与剩余电流检测电路，其包括恒流源单元，用于提供恒定电流；放大单元，用于对输入信号进行放大；采样单元，用以将电流信号转换成电压信号；采样单元的两端分别与放大单元的正、负输入端对应连接，其特征在于：所述恒流源单元与采样单元并联后，接在放大单元的输入端，在恒流源单元与采样单元之间设有开关单元，还包括控制单元，用于判断检测到的剩余电流值为零则输出信号导通开关单元，从而来检测零序电流互感器的工作状态以判断是否需要报警，或者剩余电流值为非零则输出信号断开开关单元，以比对剩余电流值与标准值的大小以判断是否需要报警。
2.根据权利要求1所述的零序电流互感器断线检测电路与剩余电流检测电路，其特征在于：所述放大单元包括第一运算放大器U1B、电容C3、电阻R4/R5/R6/R7/R8/R9，第一运算放大器U1B的正输入端5通过电阻R8接地，正输入端5通过电阻R9与偏置电压输出端连接，输出端7通过电阻R6和R7作为信号输出口residual，输出端7的信号通过R6和C3组成的阻容滤波后，再经过R7限流后作为信号输出口residual与控制单元相连接，输出端7通过R4与负输入端6连接。
3.根据权利要求1所述的零序电流互感器断线检测电路与剩余电流检测电路，其特征在于：所述恒流源单元包括第二运算放大器U1A、电阻R1/R2、基准电压二极管U3和第一N沟道场效应管Q1，电阻R2和基准电压二极管U3串联后一端接地，一端接VCC，第二运算放大器U1A的负输入端2接电阻R2和基准电压二极管U3之间的节点上，正输入端3通过电阻R1接VCC，第一N沟道场效应管Q1的门极1与第二运算放大器U1A的输出端1连接，漏极2与正输入端3连接，源极3与开关单元连接。
4.根据权利要求1所述的零序电流互感器断线检测电路与剩余电流检测电路，其特征在于：所述开关单元包括第二N沟道场效应管Q2和电阻R3，第二N沟道场效应管Q2的门极1经电阻R3接信号输入口AD_CTL以控制通断，漏极2与第一N沟道场效应管Q1的源极3连接，源极3通过电阻R5接第一运算放大器U1B的负输入端6。
5.根据权利要求1所述的零序电流互感器断线检测电路与剩余电流检测电路，其特征在于：所述采样单元包括并联的零序电流互感器和电阻RS1，采样单元的一端通过电阻R5与第一运算放大器U1B的负输入端6相连，采样单元的另一端接地。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的零序电流互感器断线检测电路与剩余电流检测电路，其特征在于：所述控制单元采用单片机，所述单片机与放大单元的信号输出口residual连接，与开关单元的信号输入口AD_CTL连接。
7.根据权利要求6所述的零序电流互感器断线检测电路与剩余电流检测电路，其特征在于：还包括用作偏置电压的电压跟随器，所述电压跟随器的输出端通过电阻R9与放大单元的正输入端连接。
8.根据权利要求2所述的零序电流互感器断线检测电路与剩余电流检测电路，其特征在于：所述电阻R5/R8取值相同，所述电阻R4/R9取值相同。
9.根据权利要求1-5中任一项所述的零序电流互感器断线检测电路与剩余电流检测电路，其特征在于：所述采样单元还包括与电阻RS1并联的电容C2。
10.根据权利要求1-5中任一项所述的零序电流互感器断线检测电路与剩余电流检测电路，其特征在于：所述采样单元还包括与电阻RS1并联的钳位电路，该钳位电路由一正一反的两个二极管D1/D2并联构成。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |