零序電流互感器斷線檢測電路與剩余電流檢測電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種零序電流互感器斷線檢測電路與剩余電流檢測電路，解決了采樣單元拾取的剩余電流波形失真的問題，其包括恒流源單元，用于提供恒定電流；放大單元，用于對輸入信號進行放大；采樣單元，用以將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號；采樣單元的兩端分別與放大單元的正、負(fù)輸入端對應(yīng)連接，所述恒流源單元與采樣單元并聯(lián)后，接在放大單元的輸入端，在恒流源單元與采樣單元之間設(shè)有開關(guān)單元，還包括控制單元，用于判斷檢測到的剩余電流值為零則輸出信號導(dǎo)通開關(guān)單元，從而來檢測零序電流互感器的工作狀態(tài)以判斷是否需要報警，或者剩余電流值為非零則輸出信號斷開開關(guān)單元，以比對剩余電流值與標(biāo)準(zhǔn)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余電流檢測電路

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)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余電流檢測電路。

【背景技術(shù)】
[0002]剩余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(shè)備和電氣火災(zāi)事故，也可用來對人身觸電危險提供間接接觸保護。而剩余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余電流檢測電路，意在監(jiān)測零序電流互感器的工作狀態(tài)，該檢測電路是需要長期的在電網(wǎng)中運行的。而現(xiàn)有的剩余電流保護裝置中，為檢測零序電流互感器是否斷線，會附加一定的恒定電流給采樣單元，且該電流一直是加持在采樣單元上的，會長期在電網(wǎng)中運行，這將導(dǎo)致性能不好的零序電流互感器受附加電流的影響，使得采樣單元拾取的剩余電流波形失真，最終將導(dǎo)致不能準(zhǔn)確地檢測剩余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(shè)備帶來重大安全隱串
■/Q1、O


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了克服采樣單元拾取的剩余電流波形失真的不足，本發(fā)明提供一種零序電流互感器斷線檢測電路與剩余電流檢測電路。
[0004]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:一種零序電流互感器斷線檢測電路與剩余電流檢測電路，其包括恒流源單元，用于提供恒定電流；放大單元，用于對輸入信號進行放大；采樣單元，用以將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號；采樣單元的兩端分別與放大單元的正、負(fù)輸入端對應(yīng)連接，其特征在于:所述恒流源單元與采樣單元并聯(lián)后，接在放大單元的輸入端，在恒流源單元與采樣單元之間設(shè)有開關(guān)單元，還包括控制單元，用于判斷檢測到的剩余電流值為零則輸出信號導(dǎo)通開關(guān)單元，從而來檢測零序電流互感器的工作狀態(tài)以判斷是否需要報警，或者剩余電流值為非零則輸出信號斷開開關(guān)單元，以比對剩余電流值與標(biāo)準(zhǔn)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組成的阻容濾波后，再經(jīng)過R7限流后作為信號輸出口 residual與控制單元相連接，輸出端7通過R4與負(fù)輸入端6連接。
[0006]所述恒流源單元包括第二運算放大器U1A、電阻R1/R2、基準(zhǔn)電壓二極管U3和第一N溝道場效應(yīng)管Q1，電阻R2和基準(zhǔn)電壓二極管U3串聯(lián)后一端接地，一端接VCC，第二運算放大器UlA的負(fù)輸入端2接電阻R2和基準(zhǔn)電壓二極管U3之間的節(jié)點上，正輸入端3通過電阻Rl接VCC，第一 N溝道場效應(yīng)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(guān)單元連接。
[0007]所述開關(guān)單元包括第二 N溝道場效應(yīng)管Q2和電阻R3，第二 N溝道場效應(yīng)管Q2的門極I經(jīng)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(yīng)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(fù)輸入端6。
[0008]所述采樣單元包括并聯(lián)的零序電流互感器和電阻RS1，采樣單元的一端通過電阻R5與第一運算放大器UlB的負(fù)輸入端6相連,米樣單兀的另一端接地。
[0009]所述控制單元采用單片機,所述單片機與放大單元的信號輸出口 residual連接，與開關(guān)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]所述采樣單元還包括與電阻RSl并聯(lián)的電容C2。
[0013]所述采樣單元還包括與電阻RSl并聯(lián)的鉗位電路，該鉗位電路由一正一反的兩個二極管D1/D2并聯(lián)構(gòu)成。
[0014]本發(fā)明的有益效果是:該零序電流互感器斷線檢測電路與剩余電流檢測電路采用開關(guān)單元控制恒流源單元的接通或斷開，采用控制單元判斷檢測到的剩余電流值為零則輸出信號導(dǎo)通開關(guān)單元，從而來檢測零序電流互感器的工作狀態(tài)以判斷是否需要報警，或者剩余電流值為非零則輸出信號斷開開關(guān)單元，以比對剩余電流值與標(biāo)準(zhǔn)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恒定電流，避免了恒定電流對零序電流互感器的影響，使其出現(xiàn)剩余電流波形失真的問題，可以準(zhǔn)確地檢測出剩余電流值，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(fā)明的電路框圖。
[0016]圖2是本發(fā)明的恒流源單元通過開關(guān)單元與采樣單元連接，接在放大單元的負(fù)輸入端的電路連接圖。
[0017]圖3是本發(fā)明的恒流源單元通過開關(guān)單元與采樣單元連接，接在放大單元的正輸入端的電路連接圖。
[0018]圖4是本發(fā)明的恒流源單元通過開關(guān)單元與采樣單元連接，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(jié)合附圖對本發(fā)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余電流檢測電路，其包括其包括恒流源單元，用于提供恒定電流；放大單元，用于對輸入電壓進行放大；采樣單元，用以將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號；采樣單元的兩端分別與放大單元的正、負(fù)輸入端對應(yīng)連接，所述恒流源單元與采樣單元并聯(lián)后，接在放大單元的輸入端，在恒流源單元與采樣單元之間設(shè)有開關(guān)單元，還包括控制單元，用于判斷檢測到的剩余電流值為零則輸出信號導(dǎo)通開關(guān)單元，從而來檢測零序電流互感器的工作狀態(tài)以判斷是否需要報警，或者剩余電流值為非零則輸出信號斷開開關(guān)單元，以比對剩余電流值與標(biāo)準(zhǔn)值的大小以判斷是否需要報警。用開關(guān)單元的通斷來控制恒流源單元接入電路或從電路中斷開，導(dǎo)通以檢測零序電流互感器是否連接正常，斷開以檢測剩余電流值的大小，所述采樣單元將恒流源信號與剩余電流信號相疊加后的電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，本發(fā)明所給出的電路不需要實時給零序電流互感器通恒定電流，避免了恒定電流對零序電流互感器的影響，使其出現(xiàn)剩余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]所述控制單元采用Microchip公司的PIC18F系列單片機,其工作電壓由5V電壓信號經(jīng)過η型濾波后所得，當(dāng)然，選用其他系列但能實現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案的單片機都是可以的，采用單片機可以準(zhǔn)確地檢測出剩余電流值，并判斷剩余電流值是否正常。
[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余電流值超過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采用比較器，其工作電壓為5V電壓信號。在第一比較器中預(yù)設(shè)一個電壓值為O的第一標(biāo)準(zhǔn)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(yù)設(shè)一個電壓值與保護裝置的剩余電流標(biāo)準(zhǔn)值對應(yīng)的第二標(biāo)準(zhǔn)信號，用第二比較器將采用電路采集到的電壓信號與第二標(biāo)準(zhǔn)信號進行比較，從而判斷剩余電流值是否正常。
[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組成的阻容濾波后，再經(jīng)過R7限流后作為信號輸出口 residual與控制單元相連接，輸出端7通過R4與負(fù)輸入端6連接；所述采樣單元包括并聯(lián)的零序電流互感器和電阻RS1，采樣單元的一端通過電阻R5與第一運算放大器UlB的負(fù)輸入端6相連，采樣單元的另一端接地，采樣單元通過電阻RSl或者零序電流互感器的內(nèi)阻與電阻RSl并聯(lián)后的電阻，將恒流源信號和剩余電流信號想疊加后的電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，再經(jīng)第一運算放大器UlB放大后，提供給單片機，以進行判斷零序電流互感器的工作狀態(tài)和剩余電流值。
[0024]所述恒流源單元包括第二運算放大器U1A、電阻R1/R2、基準(zhǔn)電壓二極管U3和第一N溝道場效應(yīng)管Q1，電阻R2和基準(zhǔn)電壓二極管U3串聯(lián)后一端接地，一端接VCC，第二運算放大器UlA的負(fù)輸入端2接電阻R2和基準(zhǔn)電壓二極管U3之間的節(jié)點上，正輸入端3通過電阻Rl接VCC，第一 N溝道場效應(yīng)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(guān)單元連接，從第一 N溝道場效應(yīng)管Ql的源極3輸出電流Is。
[0025]所述開關(guān)單元包括第二 N溝道場效應(yīng)管Q2和電阻R3，第二 N溝道場效應(yīng)管Q2的門極I經(jīng)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(yīng)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(fù)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(yīng)管Q2的通斷，使得開關(guān)單元控制恒流源單元是否接入采樣單元，以實現(xiàn)電路檢測零序電流互感器的工作狀態(tài)和檢測剩余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(lián)后一端接地，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(jié)點上，負(fù)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(jīng)電阻R8和R9分壓后，給第一運算放大器UlB的正輸入端5 —個偏置電壓，將剩余電流信號的正弦波整體上移，使之全部在正電壓范圍內(nèi)，以解決由于剩余電流信號是正弦波，負(fù)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(jù)單片機工作電壓或AD參考電壓的不同而不同。
[0027]所述采樣單元還包括與電阻RSl并聯(lián)的電容C2 ;所述第二運算放大器UlA的4腳接VCC，11腳接地，并在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]所述采樣單元還包括與電阻RSl并聯(lián)的鉗位電路，該鉗位電路由一正一反的兩個二極管D1/D2并聯(lián)構(gòu)成，一次只能有一個二極管導(dǎo)通，而另一個處于截止?fàn)顟B(tài)，那么它的正反向壓降就會被鉗制在二極管正向?qū)▔航档?.5-0.7以下，從而起到保護電路的目的。
[0029]原理分析:
假設(shè)零序電流互感器的內(nèi)阻為R = 100 Ω，RSl=10Q，Rl=lkQ，VCC=5V，基準(zhǔn)電壓二極管U3的穩(wěn)定電壓為2.5V，則恒流源電流為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余電流值Iresi = 0mA，此時AD_CTL為高電平，第二N溝道場效應(yīng)管Q2保持通態(tài)。
[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(qū)別，即單片機可根據(jù)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，開始檢測剩余電流值，若剩余電流值大于0mA，則繼續(xù)檢測剩余電流值，若剩余電流值為0mA，AD_CTL為高電平，第二N溝道場效應(yīng)管Q2保持通態(tài)，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余電流值Iresi > 0mA，此時AD_CTL為低電平，第二 N溝道場效應(yīng)管Q2處于斷開狀態(tài)，假設(shè)剩余電流值為1A，線圈匝數(shù)比為2000:1，則電路的輸入電流為 0.5mA，Vin = 0.5*50=25mV，經(jīng)過放大后 Vout = Vref - Vin* (R4/R5) = 2.5V-0.25V=2.25V。再經(jīng)過單片機AD采集后處理，即可得到真實的剩余電流值，將該剩余電流值與保護裝置的剩余電流設(shè)定值比對，若超出設(shè)定值，應(yīng)被判斷為漏電故障，保護裝置應(yīng)發(fā)出報警聲或者給出脫扣信號。
[0037]相對的，本發(fā)明所涉及的電路，如果將經(jīng)采樣單元變換后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(fù)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(fù)輸入端6連接，如此連接，恒流源信號的參考點是仍然是地，而采樣單元的參考點變成了電壓跟隨器的輸出電壓Vref，這將導(dǎo)致電流不能形成回路，出現(xiàn)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(fù)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(jīng)采樣單元變換后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于接入狀態(tài)，否則就只能檢測半波，而一直處于接入狀態(tài)，這樣長期運行的話，恒定電流就會對零序電流互感器產(chǎn)生影響，使其出現(xiàn)剩余電流波形失真的問題，不能準(zhǔn)確地檢測出剩余電流值，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(chǎn)成本以及制約該電路的實際應(yīng)用。
[0039]以上結(jié)合附圖所描述的實施例僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，而并非對本發(fā)明的保護范圍的限定，任何基于本發(fā)明精神所做的改進都理應(yīng)在本發(fā)明保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種零序電流互感器斷線檢測電路與剩余電流檢測電路，其包括恒流源單元，用于提供恒定電流；放大單元，用于對輸入信號進行放大；采樣單元，用以將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號；采樣單元的兩端分別與放大單元的正、負(fù)輸入端對應(yīng)連接，其特征在于:所述恒流源單元與采樣單元并聯(lián)后，接在放大單元的輸入端，在恒流源單元與采樣單元之間設(shè)有開關(guān)單元，還包括控制單元，用于判斷檢測到的剩余電流值為零則輸出信號導(dǎo)通開關(guān)單元，從而來檢測零序電流互感器的工作狀態(tài)以判斷是否需要報警，或者剩余電流值為非零則輸出信號斷開開關(guān)單元，以比對剩余電流值與標(biāo)準(zhǔn)值的大小以判斷是否需要報警。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的零序電流互感器斷線檢測電路與剩余電流檢測電路，其特征在于: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組成的阻容濾波后，再經(jīng)過R7限流后作為信號輸出口 residual與控制單元相連接，輸出端7通過R4與負(fù)輸入端6連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的零序電流互感器斷線檢測電路與剩余電流檢測電路，其特征在于:所述恒流源單元包括第二運算放大器U1A、電阻R1/R2、基準(zhǔn)電壓二極管U3和第一 N溝道場效應(yīng)管Q1，電阻R2和基準(zhǔn)電壓二極管U3串聯(lián)后一端接地，一端接VCC，第二運算放大器UlA的負(fù)輸入端2接電阻R2和基準(zhǔn)電壓二極管U3之間的節(jié)點上，正輸入端3通過電阻Rl接VCC，第一 N溝道場效應(yīng)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(guān)單元連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的零序電流互感器斷線檢測電路與剩余電流檢測電路，其特征在于:所述開關(guān)單元包括第二 N溝道場效應(yīng)管Q2和電阻R3，第二 N溝道場效應(yīng)管Q2的門極I經(jīng)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(yīng)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(fù)輸入端6。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的零序電流互感器斷線檢測電路與剩余電流檢測電路，其特征在于:所述采樣單元包括并聯(lián)的零序電流互感器和電阻RS1，采樣單元的一端通過電阻R5與第一運算放大器UlB的負(fù)輸入端6相連，采樣單元的另一端接地。
6.根據(jù)權(quán)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余電流檢測電路，其特征在于:所述控制單元采用單片機，所述單片機與放大單元的信號輸出口residual連接，與開關(guān)單元的信號輸入口 AD_CTL連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的零序電流互感器斷線檢測電路與剩余電流檢測電路，其特征在于: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(jù)權(quán)利要求6所述的零序電流互感器斷線檢測電路與剩余電流檢測電路，其特征在于:所述電阻R5/R8取值相同，所述電阻R4/R9取值相同。
9.根據(jù)權(quán)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余電流檢測電路，其特征在于:所述采樣單元還包括與電阻RSl并聯(lián)的電容C2。
10.根據(jù)權(quán)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余電流檢測電路，其特征在于:所述采樣單元還包括與電阻RSl并聯(lián)的鉗位電路，該鉗位電路由一正一反的兩個二極管D1/D2并聯(lián)構(gòu)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(yōu)先權(quán)日:2014年7月23日
【發(fā)明者】蘧孝潑, 蔡云 申請人:浙江天正電氣股份有限公司