零序電流互感器斷線檢測電路與剩餘電流檢測電路的製作方法
2023-06-05 03:51:06
零序電流互感器斷線檢測電路與剩餘電流檢測電路的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種零序電流互感器斷線檢測電路與剩餘電流檢測電路，解決了採樣單元拾取的剩餘電流波形失真的問題，其包括恆流源單元，用於提供恆定電流；放大單元，用於對輸入信號進行放大；採樣單元，用以將電流信號轉換成電壓信號；採樣單元的兩端分別與放大單元的正、負輸入端對應連接，所述恆流源單元與採樣單元並聯後，接在放大單元的輸入端，在恆流源單元與採樣單元之間設有開關單元，還包括控制單元，用於判斷檢測到的剩餘電流值為零則輸出信號導通開關單元，從而來檢測零序電流互感器的工作狀態以判斷是否需要報警，或者剩餘電流值為非零則輸出信號斷開開關單元，以比對剩餘電流值與標準值的大小以判斷是否需要報警。
【專利說明】零序電流互感器斷線檢測電路與剩餘電流檢測電路
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及一種檢測電路，特別涉及一種零序電流互感器斷線檢測電路與剩餘電流檢測電路。
【背景技術】
[0002]剩餘電流保護裝置是用來對電氣線路進行接地故障保護，防止接地故障電流引起的設備和電氣火災事故，也可用來對人身觸電危險提供間接接觸保護。而剩餘電流保護裝置的核心是零序電流互感器斷線檢測電路與剩餘電流檢測電路，意在監測零序電流互感器的工作狀態，該檢測電路是需要長期的在電網中運行的。而現有的剩餘電流保護裝置中，為檢測零序電流互感器是否斷線，會附加一定的恆定電流給採樣單元，且該電流一直是加持在採樣單元上的，會長期在電網中運行，這將導致性能不好的零序電流互感器受附加電流的影響，使得採樣單元拾取的剩餘電流波形失真，最終將導致不能準確地檢測剩餘電流值而引起保護裝置的誤動作或者無保護動作，這將會對所需要保護的設備帶來重大安全隱串
■/Q1、O
【發明內容】
[0003]為了克服採樣單元拾取的剩餘電流波形失真的不足，本發明提供一種零序電流互感器斷線檢測電路與剩餘電流檢測電路。
[0004]本發明所採用的技術方案是:一種零序電流互感器斷線檢測電路與剩餘電流檢測電路，其包括恆流源單元，用於提供恆定電流；放大單元，用於對輸入信號進行放大；採樣單元，用以將電流信號轉換成電壓信號；採樣單元的兩端分別與放大單元的正、負輸入端對應連接，其特徵在於:所述恆流源單元與採樣單元並聯後，接在放大單元的輸入端，在恆流源單元與採樣單元之間設有開關單元，還包括控制單元，用於判斷檢測到的剩餘電流值為零則輸出信號導通開關單元，從而來檢測零序電流互感器的工作狀態以判斷是否需要報警，或者剩餘電流值為非零則輸出信號斷開開關單元，以比對剩餘電流值與標準值的大小以判斷是否需要報警。
[0005]所述放大單元包括第一運算放大器U1B、電容C3、電阻R4/R5/R6/R7/R8/R9，第一運算放大器UlB的正輸入端5通過電阻R8接地，正輸入端5通過電阻R9與偏置電壓輸出端連接，輸出端7通過電阻R6和R7作為信號輸出口 residual，輸出端7的信號通過R6和C3組成的阻容濾波後，再經過R7限流後作為信號輸出口 residual與控制單元相連接，輸出端7通過R4與負輸入端6連接。
[0006]所述恆流源單元包括第二運算放大器U1A、電阻R1/R2、基準電壓二極體U3和第一N溝道場效應管Q1，電阻R2和基準電壓二極體U3串聯後一端接地，一端接VCC，第二運算放大器UlA的負輸入端2接電阻R2和基準電壓二極體U3之間的節點上，正輸入端3通過電阻Rl接VCC，第一 N溝道場效應管Ql的門極I與第二運算放大器UlA的輸出端I連接，漏極2與正輸入端3連接，源極3與開關單元連接。
[0007]所述開關單元包括第二 N溝道場效應管Q2和電阻R3，第二 N溝道場效應管Q2的門極I經電阻R3接信號輸入口 AD_CTL以控制通斷，漏極2與第一 N溝道場效應管Ql的源極3連接，源極3通過電阻R5接第一運算放大器UlB的負輸入端6。
[0008]所述採樣單元包括並聯的零序電流互感器和電阻RS1，採樣單元的一端通過電阻R5與第一運算放大器UlB的負輸入端6相連,米樣單兀的另一端接地。
[0009]所述控制單元採用單片機,所述單片機與放大單元的信號輸出口 residual連接，與開關單元的信號輸入口 AD_CTL連接。
[0010]還包括用作偏置電壓的電壓跟隨器，所述電壓跟隨器的輸出端通過電阻R9與放大單元的正輸入端連接。
[0011]所述電阻R5/R8取值相同，所述電阻R4/R9取值相同。
[0012]所述採樣單元還包括與電阻RSl並聯的電容C2。
[0013]所述採樣單元還包括與電阻RSl並聯的鉗位電路，該鉗位電路由一正一反的兩個二極體D1/D2並聯構成。
[0014]本發明的有益效果是:該零序電流互感器斷線檢測電路與剩餘電流檢測電路採用開關單元控制恆流源單元的接通或斷開，採用控制單元判斷檢測到的剩餘電流值為零則輸出信號導通開關單元，從而來檢測零序電流互感器的工作狀態以判斷是否需要報警，或者剩餘電流值為非零則輸出信號斷開開關單元，以比對剩餘電流值與標準值的大小以判斷是否需要報警，如此不需要實時給零序電流互感器通恆定電流，避免了恆定電流對零序電流互感器的影響，使其出現剩餘電流波形失真的問題，可以準確地檢測出剩餘電流值，因而該電路不對零序電流互感器提出特別的要求，具有廣泛的實用性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1是本發明的電路框圖。
[0016]圖2是本發明的恆流源單元通過開關單元與採樣單元連接，接在放大單元的負輸入端的電路連接圖。
[0017]圖3是本發明的恆流源單元通過開關單元與採樣單元連接，接在放大單元的正輸入端的電路連接圖。
[0018]圖4是本發明的恆流源單元通過開關單元與採樣單元連接，接在放大單元的正輸入端的電路連接圖。
【具體實施方式】
[0019]下面結合附圖對本發明實施例作進一步說明:
如圖1、圖2所示，，一種零序電流互感器斷線檢測電路與剩餘電流檢測電路，其包括其包括恆流源單元，用於提供恆定電流；放大單元，用於對輸入電壓進行放大；採樣單元，用以將電流信號轉換成電壓信號；採樣單元的兩端分別與放大單元的正、負輸入端對應連接，所述恆流源單元與採樣單元並聯後，接在放大單元的輸入端，在恆流源單元與採樣單元之間設有開關單元，還包括控制單元，用於判斷檢測到的剩餘電流值為零則輸出信號導通開關單元，從而來檢測零序電流互感器的工作狀態以判斷是否需要報警，或者剩餘電流值為非零則輸出信號斷開開關單元，以比對剩餘電流值與標準值的大小以判斷是否需要報警。用開關單元的通斷來控制恆流源單元接入電路或從電路中斷開，導通以檢測零序電流互感器是否連接正常，斷開以檢測剩餘電流值的大小，所述採樣單元將恆流源信號與剩餘電流信號相疊加後的電流信號轉換成電壓信號，本發明所給出的電路不需要實時給零序電流互感器通恆定電流，避免了恆定電流對零序電流互感器的影響，使其出現剩餘電流波形失真的問題，因而不對零序電流互感器提出特別的要求，具有廣泛的實用性。
[0020]所述控制單元採用Microchip公司的PIC18F系列單片機,其工作電壓由5V電壓信號經過η型濾波後所得，當然，選用其他系列但能實現本發明的技術方案的單片機都是可以的，採用單片機可以準確地檢測出剩餘電流值，並判斷剩餘電流值是否正常。
[0021 ] 警報電路包括分別與單片機連接的繼電器脫扣單元、聲音報警單元和燈光報警單元，若檢測零序電流互感器未連接或者剩餘電流值超過1000mA,則會通過單片機使得繼電器脫扣單元、聲音報警單元和燈光報警單元分別動作，以做出報警。
[0022]所述控制單元也可以採用比較器，其工作電壓為5V電壓信號。在第一比較器中預設一個電壓值為O的第一標準信號，用來判斷零序電流互感器是否連接正常，在第二比較器中預設一個電壓值與保護裝置的剩餘電流標準值對應的第二標準信號，用第二比較器將採用電路採集到的電壓信號與第二標準信號進行比較，從而判斷剩餘電流值是否正常。
[0023]所述放大單元包括第一運算放大器U1B、電容C3、電阻R4/R5/R6/R7/R8/R9，第一運算放大器UlB的正輸入端5通過電阻R8接地，正輸入端5通過電阻R9與偏置電壓輸出端連接，輸出端7通過電阻R6和R7作為信號輸出口 residual，輸出端7的信號通過R6和C3組成的阻容濾波後，再經過R7限流後作為信號輸出口 residual與控制單元相連接，輸出端7通過R4與負輸入端6連接；所述採樣單元包括並聯的零序電流互感器和電阻RS1，採樣單元的一端通過電阻R5與第一運算放大器UlB的負輸入端6相連，採樣單元的另一端接地，採樣單元通過電阻RSl或者零序電流互感器的內阻與電阻RSl並聯後的電阻，將恆流源信號和剩餘電流信號想疊加後的電流信號轉換成電壓信號，再經第一運算放大器UlB放大後，提供給單片機，以進行判斷零序電流互感器的工作狀態和剩餘電流值。
[0024]所述恆流源單元包括第二運算放大器U1A、電阻R1/R2、基準電壓二極體U3和第一N溝道場效應管Q1，電阻R2和基準電壓二極體U3串聯後一端接地，一端接VCC，第二運算放大器UlA的負輸入端2接電阻R2和基準電壓二極體U3之間的節點上，正輸入端3通過電阻Rl接VCC，第一 N溝道場效應管Ql的門極I與第二運算放大器UlA的輸出端I連接，漏極2與正輸入端3連接，源極3與開關單元連接，從第一 N溝道場效應管Ql的源極3輸出電流Is。
[0025]所述開關單元包括第二 N溝道場效應管Q2和電阻R3，第二 N溝道場效應管Q2的門極I經電阻R3接信號輸入口 AD_CTL以控制通斷，該信號輸入口 AD_CTL接單片機的普通1 口，漏極2與第一 N溝道場效應管Q2的源極3連接，源極3通過電阻R5接第一運算放大器UlB的負輸入端6，通過單片機適時輸出高電平信號給門極1，以控制第二 N溝道場效應管Q2的通斷，使得開關單元控制恆流源單元是否接入採樣單元，以實現電路檢測零序電流互感器的工作狀態和檢測剩餘電流值兩者功能的切換。
[0026]還包括用作偏置電壓的電壓跟隨器，所述電壓跟隨器包括第三運算放大器UlC和電阻町0/1?11，1?10和1?11串聯後一端接地，一端接VCC，第三運算放大器UlC的正輸入端10接在電阻RlO和Rll之間的節點上，負輸入端9與輸出端8連接，輸出端8即偏置電壓輸出端，輸出端8通過電阻R9與第一運算放大器UlB的正輸入端5連接，第三運算放大器UlC的輸出端8輸出電壓為Vref=l/2.VCC,此輸出電壓再經電阻R8和R9分壓後，給第一運算放大器UlB的正輸入端5 —個偏置電壓，將剩餘電流信號的正弦波整體上移，使之全部在正電壓範圍內，以解決由於剩餘電流信號是正弦波，負電壓不能被大部分單片機所識別的問題，此偏置電壓需根據單片機工作電壓或AD參考電壓的不同而不同。
[0027]所述採樣單元還包括與電阻RSl並聯的電容C2 ;所述第二運算放大器UlA的4腳接VCC，11腳接地，並在4腳和11腳之間接電容Cl，電容Cl是去耦電容，具有退耦作用，電容C2是旁路電容，具有濾波作用。
[0028]所述採樣單元還包括與電阻RSl並聯的鉗位電路，該鉗位電路由一正一反的兩個二極體D1/D2並聯構成，一次只能有一個二極體導通，而另一個處於截止狀態，那麼它的正反向壓降就會被鉗制在二極體正嚮導通壓降的0.5-0.7以下，從而起到保護電路的目的。
[0029]原理分析:
假設零序電流互感器的內阻為R = 100 Ω，RSl=10Q，Rl=lkQ，VCC=5V，基準電壓二極體U3的穩定電壓為2.5V，則恆流源電流為Is = (VCC-2.5)/Rl = 2.5mA。
[0030]取R5=R8=10kQ，R4=R9=100kQ , RlO=Rll=Ik Ω，則電壓跟隨器的輸出電壓為 Vref=2.5V。
[0031]1、若單片機檢測到的剩餘電流值Iresi = 0mA，此時AD_CTL為高電平，第二N溝道場效應管Q2保持通態。
[0032]a)若零序電流互感器連接正常，R Il RSl = 50 Ω，R5與C2連接點的電壓為Vin=(R Il RSl)*Is= 50*2.5 = 125mV，第一運算放大器UlB的輸出端7的電壓為Voutl= Vref-Vin*(R4/R5) = 2.5V-1.25V = 1.25V，此時單片機能夠檢測到零序電流互感器連接正堂巾O
[0033]b)若零序電流互感器未連接，Vin = RS1*2.5 = 250mV, Vout2 = Vref -Vin* (R4/R5) = 2.5V-2.5V = OV。
[0034]c)分析前面兩種情況，他們的輸出電壓Voutl和Vout2有明顯的區別，即單片機可根據此類差別辨別零序電流互感器是否連接正常，即完成了斷線檢測功能。
[0035]d)若單片機檢測到互感器連接正常，AD_CTL為低電平，開始檢測剩餘電流值，若剩餘電流值大於0mA，則繼續檢測剩餘電流值，若剩餘電流值為0mA，AD_CTL為高電平，第二N溝道場效應管Q2保持通態，開始檢測零序電流互感器是否連接。
[0036]2、若單片機檢測到的剩餘電流值Iresi > 0mA，此時AD_CTL為低電平，第二 N溝道場效應管Q2處於斷開狀態，假設剩餘電流值為1A，線圈匝數比為2000:1，則電路的輸入電流為 0.5mA，Vin = 0.5*50=25mV，經過放大後 Vout = Vref - Vin* (R4/R5) = 2.5V-0.25V=2.25V。再經過單片機AD採集後處理，即可得到真實的剩餘電流值，將該剩餘電流值與保護裝置的剩餘電流設定值比對，若超出設定值，應被判斷為漏電故障，保護裝置應發出報警聲或者給出脫扣信號。
[0037]相對的，本發明所涉及的電路，如果將經採樣單元變換後的電壓信號與第一運算放大器UlB的正輸入端5連接，第一運算放大器UlB的負輸入端6有兩種接法:
第一種
如圖3所示，將電壓跟隨器與第一運算放大器UlB的負輸入端6連接，如此連接，恆流源信號的參考點是仍然是地，而採樣單元的參考點變成了電壓跟隨器的輸出電壓Vref，這將導致電流不能形成迴路，出現電路錯誤。
[0038]第二種
如圖4所示，不接入電壓跟隨器，第一運算放大器UlB的負輸入端6通過電阻R57接地，通過電阻R54接輸出端，如此連接，將經採樣單元變換後的電壓信號作為第一運算放大器UlB的偏置電壓，但是這個偏置電壓就需要一直處於接入狀態，否則就只能檢測半波，而一直處於接入狀態，這樣長期運行的話，恆定電流就會對零序電流互感器產生影響，使其出現剩餘電流波形失真的問題，不能準確地檢測出剩餘電流值，除非保證所用零序電流互感器性能特別好，但是選用性能好的零序電流互感器會影響生產成本以及制約該電路的實際應用。
[0039]以上結合附圖所描述的實施例僅是本發明的優選實施方式，而並非對本發明的保護範圍的限定，任何基於本發明精神所做的改進都理應在本發明保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種零序電流互感器斷線檢測電路與剩餘電流檢測電路，其包括恆流源單元，用於提供恆定電流；放大單元，用於對輸入信號進行放大；採樣單元，用以將電流信號轉換成電壓信號；採樣單元的兩端分別與放大單元的正、負輸入端對應連接，其特徵在於:所述恆流源單元與採樣單元並聯後，接在放大單元的輸入端，在恆流源單元與採樣單元之間設有開關單元，還包括控制單元，用於判斷檢測到的剩餘電流值為零則輸出信號導通開關單元，從而來檢測零序電流互感器的工作狀態以判斷是否需要報警，或者剩餘電流值為非零則輸出信號斷開開關單元，以比對剩餘電流值與標準值的大小以判斷是否需要報警。
2.根據權利要求1所述的零序電流互感器斷線檢測電路與剩餘電流檢測電路，其特徵在於:所述放大單元包括第一運算放大器U1B、電容C3、電阻R4/R5/R6/R7/R8/R9，第一運算放大器UlB的正輸入端5通過電阻R8接地，正輸入端5通過電阻R9與偏置電壓輸出端連接，輸出端7通過電阻R6和R7作為信號輸出口 residual，輸出端7的信號通過R6和C3組成的阻容濾波後，再經過R7限流後作為信號輸出口 residual與控制單元相連接，輸出端7通過R4與負輸入端6連接。
3.根據權利要求1所述的零序電流互感器斷線檢測電路與剩餘電流檢測電路，其特徵在於:所述恆流源單元包括第二運算放大器U1A、電阻R1/R2、基準電壓二極體U3和第一 N溝道場效應管Q1，電阻R2和基準電壓二極體U3串聯後一端接地，一端接VCC，第二運算放大器UlA的負輸入端2接電阻R2和基準電壓二極體U3之間的節點上，正輸入端3通過電阻Rl接VCC，第一 N溝道場效應管Ql的門極I與第二運算放大器UlA的輸出端I連接，漏極2與正輸入端3連接，源極3與開關單元連接。
4.根據權利要求1所述的零序電流互感器斷線檢測電路與剩餘電流檢測電路，其特徵在於:所述開關單元包括第二 N溝道場效應管Q2和電阻R3，第二 N溝道場效應管Q2的門極I經電阻R3接信號輸入口 AD_CTL以控制通斷，漏極2與第一 N溝道場效應管Ql的源極3連接，源極3通過電阻R5接第一運算放大器UlB的負輸入端6。
5.根據權利要求1所述的零序電流互感器斷線檢測電路與剩餘電流檢測電路，其特徵在於:所述採樣單元包括並聯的零序電流互感器和電阻RS1，採樣單元的一端通過電阻R5與第一運算放大器UlB的負輸入端6相連，採樣單元的另一端接地。
6.根據權利要求1-5中任一項所述的零序電流互感器斷線檢測電路與剩餘電流檢測電路，其特徵在於:所述控制單元採用單片機，所述單片機與放大單元的信號輸出口residual連接，與開關單元的信號輸入口 AD_CTL連接。
7.根據權利要求6所述的零序電流互感器斷線檢測電路與剩餘電流檢測電路，其特徵在於:還包括用作偏置電壓的電壓跟隨器，所述電壓跟隨器的輸出端通過電阻R9與放大單元的正輸入端連接。
8.根據權利要求6所述的零序電流互感器斷線檢測電路與剩餘電流檢測電路，其特徵在於:所述電阻R5/R8取值相同，所述電阻R4/R9取值相同。
9.根據權利要求1-5中任一項所述的零序電流互感器斷線檢測電路與剩餘電流檢測電路，其特徵在於:所述採樣單元還包括與電阻RSl並聯的電容C2。
10.根據權利要求1-5中任一項所述的零序電流互感器斷線檢測電路與剩餘電流檢測電路，其特徵在於:所述採樣單元還包括與電阻RSl並聯的鉗位電路，該鉗位電路由一正一反的兩個二極體D1/D2並聯構成。
【文檔編號】G01R31/08GK104198794SQ201410352201
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年7月23日 優先權日:2014年7月23日
【發明者】蘧孝潑, 蔡雲 申請人:浙江天正電氣股份有限公司