CN219918406U - 一种可抗冲击电流的剩余电流保护器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种可抗冲击电流的剩余电流保护器，包括用于检测剩余电流的检测器、与检测器输出端连接以用于滤除剩余电流中谐波成分的低通滤波器、与低通滤波器连接以放大低通滤波器所输出的基波信号的放大器、与放大器连接以比较放大后基波信号与动作阈值的比较器、以及与比较器连接以根据比较结果动作的跳闸装置，将剩余电流信号中的谐波成分滤除，从而高效抑制或者消除当前低压电网中的高幅宽频冲击性谐波信号的影响，避免RCD误判、误动情况的发生。

Description

一种可抗冲击电流的剩余电流保护器

技术领域

本实用新型涉及一种可抗冲击电流的剩余电流保护器。

背景技术

漏电故障是低压电网中的常见故障，为防止该类故障的发生，目前主要使用总保、中保、户保三级剩余电流保护器来实现漏电保护。剩余电流保护器(Residual Currentoperated protective Device，RCD)主流技术方向是电流动作型保护，其基本保护原理是：采集剩余电流并与预设阈值进行比较，当判定剩余电流超过预设阈值则立即执行保护动作。按剩余电流保护判据大体可分为：幅值比较法、幅值突变量法、鉴相鉴幅法、相量突变量法等。

尽管RCD已在低压电网及用户侧普遍性安装，但其使用情况却不容乐观，因电网线路设备绝缘缺陷问题、接线不规范问题、雷击冲击电流问题、用户侧未安装投运RCD等原因，现有各级RCD均存在投运率低的问题。为解决该问题，现有技术主要采用如下两种方式：一是从电网线路设备方面入手，解决方法包括绝缘缺陷消除、接线规范化整改、加装浪涌保护器，二是从RCD本身入手，解决方法包括降低RCD灵敏度，增大保护电流动作阈值、增大保护动作延时，或者采用可手动、自动定期动态调整剩余电流和动作延时动作阈值的RCD。但这些方式对于由于开关分合、无功补偿、负载冲击、雷击等扰动因素而产生的特点为高幅值、宽频域以及短时的冲击性暂态剩余电流作用有限。

实用新型内容

本实用新型提出一种可抗冲击电流的剩余电流保护器，能够防止冲击性扰动造成的误动作。

本实用新型通过以下技术方案实现：

一种可抗冲击电流的剩余电流保护器，包括用于检测剩余电流的检测器、与检测器输出端连接以用于滤除剩余电流中谐波成分的低通滤波器、与低通滤波器连接以放大低通滤波器所输出的基波信号的放大器、与放大器连接以比较放大后基波信号与动作阈值的比较器、以及与比较器连接以根据比较结果动作的跳闸装置，将剩余电流信号中的谐波成分滤除，从而高效抑制或者消除当前低压电网中的高幅宽频冲击性谐波信号的影响，避免RCD误判、误动情况的发生。

进一步的，所述低通滤波器包括二阶巴特沃斯低通滤波器、三阶巴特沃斯低通滤波器或者更高阶的巴特沃斯低通滤波器。

进一步的，所述低通滤波器包括第一电阻、第二电阻、第一电容和第二电容，第一电阻一端与所述检测器输出端连接、另一端分别与第二电阻一端和第一电容一端连接，第二电阻另一端与第二电容一端连接，第一电容另一端与第二电容另一端接地，第二电阻另一端还与所述放大器输入端连接，第一电阻与第二电阻阻值相同，第一电容与第二电容容值相同。

进一步的，所述低通滤波器包括第三电阻R3、第四电阻R4、第三电容C3、第四电容C4和第一电压反馈运算放大器U1，第三电阻R3一端与检测器输出端连接、另一端分别与第四电阻R4一端和第三电容C3一端连接，第四电阻R4另一端分别与第四电容C4一端和第一电压反馈运算放大器U1正输入端连接，第三电容另一端与第一电压反馈运算放大器负输入端及其反馈端连接，第四电容另一端接地，第三电阻与第四电阻阻值相同，第三电容与第四电容容值相同。

进一步的，所述低通滤波器包括依次连接的模数转换器、数字信号处理器和数模转换器，模数转换器输入端与所述检测器输出端连接，模数转换器输出端与所述放大器输入端连接，数字信号处理器预设的计算公式根据二阶有源巴特沃斯低通滤波器信号传递函数公式设定。

进一步的，所述低通滤波器包括快速傅里叶变换模块。

进一步的，所述检测器为剩余电流互感器。

附图说明

下面结合附图对本实用新型做进一步详细说明。

图1为现有RLC串联电路图。

图2为现有RLC电路欠阻尼振荡示意图。

图3为现有三相四线制低压供电系统模型。

图4为图3中K1、K2、K3剩余电流波形。

图5为图3中K1、K2、K3剩余电流有效值。

图6(a)为图3中K1在45ms后的暂态剩余电流FFT分析。

图6(b)为图3中K2在45ms后的暂态剩余电流FFT分析。

图6(c)为图3中K3在45ms后的暂态剩余电流FFT分析。

图7为本实用新型的原理框图。

图8为本实用新型实施例一的低通滤波器的电路图。

图9为本实用新型实施例一的一、二阶巴特沃斯低通滤波器的幅频响应特性示意图。

图10为图3中的K1剩余电流滤波效果波形对比图。

图11为图3中的K1剩余电流滤波效果有效值对比图。

图12为本实用新型实施例二的低通滤波器的电路图。

图13为本实用新型实施例二的仿真实验图。

图14为本实用新型实施例二参照对象的仿真实验图。

图15为本实用新型实施例三的低通滤波器的原理框图。

其中，1、检测器；2、低通滤波器；21、模数转换器；22、数字信号处理器；23、模数转换器；3、放大器；4、比较器；5、跳闸装置。

具体实施方式

当前低压电网由原来的电阻主导的R型电路转变为由电阻、电感、电容共同组成的复杂RLC型电路，下面对RLC电路进行分析：

(1)RLC串联欠阻尼电路交流冲击响应稳态、暂态分析：

图1中，交流电源为u(t)＝U_msin(ωt)，U_m为交流电源幅值，ω为角频率，令其中，α为衰减系数，ω₀为固有振荡角频率，它们仅与电路参数和结构有关，与激励和初始储能无关；

当α＜ω₀，即为欠阻尼，电路处于自由振荡态，此时电压及电流都是振幅按指数规律衰减，当交流电源u为正向最大值瞬间，开关K合闸，即u(0⁺)＝U_m，则回路电流i(t)可用以下公式计算：

i(t)＝i_st(t)+i_tr(t)，其中，i_st(t)是电路的稳态响应；i_tr(t)是电路的暂态响应，它们分别可表示为：

其中，电路阻尼比为当ζ＜1时，RLC串联电路为欠阻尼振荡状态，i(t)波形如图2所示。

显然，对于RLC串联欠阻尼电路，当交流电源u为正向最大值瞬间，开关K合闸，在0⁺时间处，电容C相当于短路状态，此时电流最大，除基波电流外，还产生一个固定角频率为ω₀的高频振荡电流，其幅值一般远大于基波电流，其幅值衰减速度取决于衰减系数α。

(2)低压电网的剩余电流特征仿真分析：

通过Matlab Simulink仿真软件，建立一台0.4kV三相四线制低压供电系统模型，如图3所示，主要包含一台配电变压器、一台三相无功补偿器、一个三相负载及数个单相负载，模型中K1、K2、K3分别代表总、中、末三级漏保(即三级RCD)，其中，K3及其控制负载接入A相，KC为三相无功补偿器的控制开关，Ka、Kb为A、B相负载的支路控制开关；

各开关的初始状态为：K1、K2、K3合闸状态，KC、Ka、Kb分闸状态；

配电变压器具有内电阻与内电感，其中性点接地具有接地电阻，低压线路具有对地分布电阻、分布电感和分布电容，各单相线路及其负载设备不仅有负载阻抗，还有对地绝缘电阻与分布电容，如果负载为开关电源类型，则包含EMI共模电容；

从电路上分析，在相零、相地之间，模型中包含多个RLC电路，这些RLC电路之间相互并联或串联，因此，当分、合这些电路时，就必然导致RLC振荡，产生冲击性谐波电压与谐波电流，这些谐波电压、谐波电流的特性同其电路中的RLC元件有关，也与分合闸时的相位有关；

为了直观比较，将KC、Ka、Kb三只开关的合闸时间设为交流工频电压分别达到峰值相位时合闸，即合闸时刻分别为45ms、85ms、132ms，然后采集分析各RCD的剩余电流情况；

如图4和图5所示，当KC、Ka、Kb三只开关按前面所述时刻合闸时，相当于其下侧电容突然并入电线路，在u(0⁺)时刻，电容处于瞬间短路充电状态，此时瞬间电流极大，将导致系统产生较为明显的零序电压突变激励分量，这个零序电压突变激励分量沿着线路传播到系统各处，由于系统中包含多个串联或并联RLC电路，突变激励电压将导致各RLC电路单元产生谐振，额外产生RLC暂态谐振剩余电流，各RLC电路单元的暂态谐振剩余电流幅值、中心频率同各自的RLC参数，以及激励源幅值、相位有关；

多数情况下，由于低压电网中配电变压器具有较大的电感L，且线路相地之间的分布电容及EMI电气设备的共模电容C较小，配电变压器、导线的内阻很小，因此，各串联RLC电路单元满足为欠阻尼振荡状态，此时其电压及电流都是振幅按指数规律衰减，其中心自由振荡频率为/>显然，图3中各RCD采集的剩余电流冲击暂态波形均满足欠阻尼振荡状态，对K1、K2、K3在45ms后的暂态剩余电流FFT分析如图6(a)、图6(b)、图6(c)所示；

交流电流的有效值I_RMS计算方法如下式：

其中，I₀为直流电流，I₁为基波电流，I_H为谐波电流，I_H计算式为

电流总谐波失真率THD的计算式为因此，基波、谐波、THD之间的关系可表示为/>

由图6中的THD数据可看出，当开关KC在45ms后，在其后的一个基波周期内，THD数值很大，将导致采集的剩余电流有效值I_RMS远远大于I₁，I_RMS为I₁大小的几倍甚至十几倍，如果将此时I_RMS采用作为RCD的动作判据，将很容易导致RCD误动作。

总之，RCD作为保护人们免受电击伤害和预防电气系统故障引发的事故的设备，其基本原理是通过采集剩余电流，并通过剩余电流幅值大小或变化率的数值来判断是否存在漏电故障。然而剩余电流作为基本判据，如同上述模型仿真结果所示，在RLC电网系统中，由于电容的存在，一些冲击扰动将导致谐波电流短时内急剧突然增大，其谐波电流显著特征是：幅值高(单一频率谐波幅值可达基波的数倍)、覆盖频域宽(谐波频率范围从100Hz到100kHz)、持续时间短(一般小于一个工频周期)。这种突变的剩余电流并非系统对地绝缘的变化，一般不会对用电安全带来实质性影响。然而，如果使用这个包含高幅值、宽频域谐波剩余电流作为漏电判据，将导致RCD误动作，从而影响系统的正常供电。

故提出如图7和图8所示的可抗冲击电流的剩余电流保护器包括用于检测剩余电流的检测器、与检测器输出端连接以用于滤除剩余电流中谐波成分的低通滤波器、与低通滤波器连接以放大低通滤波器所输出的基波信号的放大器、与放大器连接以比较放大后基波信号与动作阈值的比较器、以及与比较器连接以根据比较结果动作的跳闸装置。其中，放大器为SCR晶闸管，检测器为剩余电流互感器。

为使用基波剩余电流作为RCD的漏电判据，在确保基波信号精度前提下，必须将剩余剩余电流互感器二次侧输出的剩余电流信号中的谐波成分尽可能地滤除，仅保留基波信号成分。通常信号滤波方法主要有模拟信号滤波器、数字信号滤波器及傅里叶变换。其中，采用模拟信号滤波器电路最简单，实现成本也最低，对于功能单一的RCD，本发明优先采用模拟滤波器实现消除谐波成分。如果在智能保护电器或仪表上，则可使用数字信号滤波器或傅里叶变换方案来实现基于剩余电流基波的漏电保护功能。

在一次回路，剩余电流频谱分布中，包含直流、工频电流和谐波电流信号成分，工频电流信号的频率为50/60Hz；在二次回路，由于剩余剩余电流互感器的直流隔离作用，且低于工频的交流信号占比几乎可忽略，因此滤波器设计中不必考虑低于工频信号的滤除，可以使用低通滤波器(Low-pass filter)实现高于工频的谐波信号的滤除。低通滤波器是容许低于截止频率的信号通过，但高于截止频率的信号不能通过的电子滤波装置。最常见的低通滤波器是巴特沃斯滤波器(Butterworth low-pass filter)和切比雪夫滤波器(Chebysh low-pass filter),巴特沃斯低通滤波器的特点是通频带内的频率响应曲线最大限度平坦，没有起伏，而在阻频带则逐渐下降为零。因此，本实施例选择的低通滤波器为二阶巴特沃斯低通滤波器，也可以是三阶巴特沃斯低通滤波器或者更高阶的巴特沃斯低通滤波器。

巴特沃斯n阶低通滤波器的频率响应表达式为其中，ω_c为滤波器的截止角频率，表示滤波器在该频率上的响应衰减为原始信号的0.707倍，其截止角频率与截止频率关系为：ω_c＝2πf_c。

下面针对一、二阶巴特沃斯低通滤波器进行分析，为便于直观对比分析，将公式中的截止角频率进行归一化处理，即令，则巴特沃斯一阶低通滤波器幅频关系为巴特沃斯二阶低通滤波器幅频关系为/>从而可绘制出如图9所示的一、二阶巴特沃斯低通滤波器的幅频响应特性示意图。从图9可知，在通频带内(0.1到1角频率区间)，二阶低通滤波器在近低频侧的幅度衰减率明显小于一阶低通滤波器；在阻频带，一阶低通滤波器的10倍频衰减率为-10dB，即频率每增加10倍，幅值降为原值的10％；二阶低通滤波器的10倍频衰减率为-20dB，即频率每增加10倍，幅值降为原值的1％。二阶低通滤波器在通带平坦性与阻带衰减率上显著优于一阶低通滤波器。因此，为达到良好的滤波效果，应优先采用二阶及以上巴特沃斯低通滤波器实现滤除剩余电流的谐波成分。

以图3的低压供电系统模型为例，对K1所采集剩余电流分别使用一阶、二阶巴特沃斯低通滤波器进行滤波仿真对比，其波形图如10所示，其有效值如图11所示。通过对K1剩余电流fft分析可知，其幅值最大谐波频率为1350Hz，其它谐波以1350Hz为中心，呈类似正态分布在两侧。剩余电流经过一阶巴特沃斯低通滤波器滤波后，仍然无法完全清除高频次谐波，剩余电流经过二阶巴特沃斯低通滤波器滤波后，其波形光滑程度很高，已基本去除了高次谐波信号，仅保留剩余电流波形的基波部分。图8是未滤波、一阶滤波、二阶滤波后的剩余电流换为有效值的图形，由该图可看出，经一阶滤波后的剩余电流有效值仍然受到冲击性谐波的影响，而经二阶滤波后，剩余电流有效值已基本不受冲击性谐波电流的影响。

基于上述仿真实验可证明，使用二阶巴特沃斯低通滤波器滤波已足以很好地过滤冲击性剩余电流的高频成分，精确地测量和还原包含高幅宽频冲击性谐波成分的剩余电流中的基波剩余电流。需要说明的是，更高阶次的低通滤波器滤波，具有更陡峭的阻带特性，更小的通带截止频率，更小的通带-阻带过渡频率区间，在有特殊需求的场合，在对精度、成本因素不敏感的情况下，也可以采用三阶、四阶及以上的低通滤波器滤波。

可抗冲击电流的剩余电流保护器将检测器采集到的包含谐波成分的剩余电流信号经过低通滤波器处理，只保留剩余电流信号中的基波信号，再将该基波信号经放大器放大后，通过比较器与预设的阈值进行比较，以判断是否发生漏电故障，若是，则跳闸装置动作。本实施例采用的二阶巴特沃斯低通滤波器是权衡基波信号保真度、谐波信号抑制效果、成本等因素后的优选方案。

本实施例的低通滤波器包括第一电阻R1、第二电阻R2、第一电容C1和第二电容C2，第一电阻R1一端与所述检测器输出端连接、另一端分别与第二电阻R2一端和第一电容C1一端连接，第二电阻R2另一端与第二电容C2一端连接，第一电容C1另一端与第二电容C2另一端接地，第二电阻R2另一端还与所述放大器输入端连接，第一电阻R1与第二电阻R2阻值相同，第一电容与第二电容容值相同。该低通滤波器的通带截止频率f_c计算公式为使用该低通滤波器的RCD较适合用作中保、末保。

实施例二：

如图12所示，本实施例与实施例一的不同之处在于低通滤波器的电路不同。本实施例的低通滤波器包括第三电阻R3、第四电阻R4、第三电容C3、第四电容C4和第一电压反馈运算放大器U1，第三电阻R3一端与检测器输出端连接、另一端分别与第四电阻R4一端和第三电容C3一端连接，第四电阻R4另一端分别与第四电容C4一端和第一电压反馈运算放大器U1正输入端连接，第三电容C3另一端与第一电压反馈运算放大器U1负输入端及其反馈端连接，第四电容C4另一端接地，第三电阻R3与第四电阻R4阻值相同，第三电容C3与第四电容C4容值相同。该低通滤波器的通带截止频率f_c计算公式为使用该低通滤波器的RCD可用作总保、中保和末保。

为验证本实施例所述RCD的抗高幅值、宽频域冲击功能，采用Multisim软件对本实施例进行仿真实验，仿真实验图如图13所示。因现有的部分RCD也具备简单的信号滤波功能，故选择使用一阶低通滤波器的RCD作为参照，如图14所示。

参照RCD与本实施例RCD的额定动作剩余电流阈值均为100mA，具体参数如表1所示：

表1

稳态剩余电流源I₂用于仿真RCD正常运行时的输入工频剩余电流，从100mA开始，每次减少10％进行多次实验；暂态剩余电流源I₁用于仿真RCD受到暂态冲击性谐波剩余电流，谐波频率为1000Hz，初始值为额定动作剩余电流阈值的5倍，0.04s后衰减到初始幅值的1％。

实验过程如下：在参照RCD与本实施例RCD分别加载相同的稳态剩余电流I₂和暂态剩余电流I₁，初始I₂数值为100mA，每次实验减少10％进行多次实验。每次实验时，暂态剩余电流I₁初始值均为500mA，0.04s后衰减到5mA。加载I₂与I₁后，观察晶闸管D5是否导通，如导通，则电流探针XCP1将在示波器XSC2上输出电压信号，电流探针XCP1在示波器XSC2显示电压值可换算为电流值，换算比为1mA/V。

通过多次重复实验，对于本实施例RCD，稳态剩余电流I₂由100mA减少为90mA及以下，无论是否加载暂态剩余电流I₁，晶闸管D5均不再导通。这表明当本实施例RCD在通过大小为0.9倍动作阈值的剩余电流时，即使有5倍的高频冲击电流，因总剩余电流未达到预设动作阈值，仍不会误动作。对于参照RCD，稳态剩余电流I₂由100mA减少为10mA后，但只要加载暂态剩余电流I₁，晶闸管D5均在I₁通过瞬间导通。这表明当参照RCD在即使在通过的剩余电流降低到动作阈值的0.1倍时，当发生5倍的高频冲击剩余电流，参照RCD仍然出现误动作。综上，采用本实施例的低通滤波器的RCD可以显著抑制当前低压电网中的高幅宽频冲击性谐波信号的影响，达到明显减少RCD误动作的目的。

实施例三：

如图15所示，本实施例与实施例一的不同之处在于低通滤波器不同。本实施例的低通滤波器包括依次连接的模数转换器、数字信号处理器和数模转换器，模数转换器输入端与所述检测器输出端连接，模数转换器输出端与所述放大器输入端连接，数字信号处理器预设的计算公式根据二阶有源巴特沃斯低通滤波器信号传递函数公式设定。模数转换器负责将来自剩余剩余电流互感器二次侧的剩余电流模拟信号转换为离散的数字信号，将数字信号通过接口传递给数字信号处理器，数字信号处理器根据预设的计算公式及参数进行数字运算，滤除谐波信号，再将滤波后的数字信号传递给数模转换器，数模转换器将接收到的滤波后数字信号转换为剩余电流基波模拟信号，并将信号输出到RCD的放大器输入端。

数字信号处理器预设计算公式可根据二阶有源巴特沃斯低通滤波器信号传递函数公式，输入预设的参数到数字信号处理器进行设定。使用该低通滤波器的RCD可用作总保、中保。

实施例四：

本实施例与实施例一的不同之处在于低通滤波器不同。本实施例的低通滤波器包括依次连接的模数转换器和快速傅里叶变换模块，快速傅里叶变换模块由数字信号处理器或者CPU实现，模数转换器负责将来自剩余剩余电流互感器二次侧的剩余电流模拟信号转换为离散的数字信号，将数字信号通过接口传递给CPU，在完成一个基波周期的剩余电流数字化采用后，CPU根据预设的计算公式及参数进行快速傅里叶变换运算，分别计算出1次至n次谐波电流信号的幅值及相位角，其中，1次谐波电流即为分离出的剩余电流基波电流数据，在CPU内部，将基波电流数据同RCD的漏电保护动作阈值进行比较后，如果基波电流数据大于动作阈值，则输出跳闸控制信号到RCD的跳闸控制回路，直接执行跳闸动作，即可完成漏电保护动作。使用该低通滤波器的RCD可用作总保、中保，也可通过扩充低压电网中涉及剩余电流采集的其它智能终端装置(如配变终端、台区智能总开关、漏电报警器、火灾报警器等)来实现基波RCD功能。

以上所述，仅为本实用新型的较佳实施例而已，故不能以此限定本实用新型实施的范围，即依本实用新型申请专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本实用新型专利涵盖的范围内。

Claims (7)

1.一种可抗冲击电流的剩余电流保护器，其特征在于：包括用于检测剩余电流的检测器、与检测器输出端连接以用于滤除剩余电流中谐波成分的低通滤波器、与低通滤波器连接以放大低通滤波器所输出的基波信号的放大器、与放大器连接以比较放大后基波信号与动作阈值的比较器、以及与比较器连接以根据比较结果动作的跳闸装置。

2.根据权利要求1所述的一种可抗冲击电流的剩余电流保护器，其特征在于：所述低通滤波器包括二阶巴特沃斯低通滤波器、三阶巴特沃斯低通滤波器或者更高阶的巴特沃斯低通滤波器。

3.根据权利要求1所述的一种可抗冲击电流的剩余电流保护器，其特征在于：所述低通滤波器包括第一电阻、第二电阻、第一电容和第二电容，第一电阻一端与所述检测器输出端连接、另一端分别与第二电阻一端和第一电容一端连接，第二电阻另一端与第二电容一端连接，第一电容另一端与第二电容另一端接地，第二电阻另一端还与所述放大器输入端连接，第一电阻与第二电阻阻值相同，第一电容与第二电容容值相同。

4.根据权利要求1所述的一种可抗冲击电流的剩余电流保护器，其特征在于：所述低通滤波器包括第三电阻R3、第四电阻R4、第三电容C3、第四电容C4和第一电压反馈运算放大器U1，第三电阻R3一端与检测器输出端连接、另一端分别与第四电阻R4一端和第三电容C3一端连接，第四电阻R4另一端分别与第四电容C4一端和第一电压反馈运算放大器U1正输入端连接，第三电容另一端与第一电压反馈运算放大器负输入端及其反馈端连接，第四电容另一端接地，第三电阻与第四电阻阻值相同，第三电容与第四电容容值相同。

5.根据权利要求1所述的一种可抗冲击电流的剩余电流保护器，其特征在于：所述低通滤波器包括依次连接的模数转换器、数字信号处理器和数模转换器，模数转换器输入端与所述检测器输出端连接，模数转换器输出端与所述放大器输入端连接，数字信号处理器预设的计算公式根据二阶有源巴特沃斯低通滤波器信号传递函数公式设定。

6.根据权利要求1所述的一种可抗冲击电流的剩余电流保护器，其特征在于：所述低通滤波器包括快速傅里叶变换模块。

7.根据权利要求1至6任一所述的一种可抗冲击电流的剩余电流保护器，其特征在于：所述检测器为剩余电流互感器。