阅读说明：本技术 剩余电流检测装置及剩余电流动作保护系统 (Residual current detection device and residual current action protection system ) 是由 艾精文 赵宇明 王静 陈思磊 谢智敏 于 2019-09-24 设计创作，主要内容包括：本申请涉及一种剩余电流检测装置及剩余电流动作保护系统。上述剩余电流检测装置,包括互感器、脉冲发生器、采样元件和控制器。互感器包括多个抽头。控制器控制脉冲发生器向互感器发送一定频率和一定幅值的脉冲信号。互感器在脉冲信号的作用下感应待测直流导线上的剩余电流。控制器通过采集采样元件上的电压,进而获得待测直流导线上的真实剩余电流值。控制器通过控制抽头的通断,进而选择互感器的线圈匝数,进而改变剩余电流检测装置的量程。剩余电流检测装置能够在高检测精度的基础上,改变量程实现对宽范围的剩余电流进行检测。(The application relates to a residual current detection device and a residual current action protection system. The residual current detection device comprises a mutual inductor, a pulse generator, a sampling element and a controller. The transformer includes a plurality of taps. The controller controls the pulse generator to send pulse signals with certain frequency and amplitude to the mutual inductor. The mutual inductor induces residual current on the direct current wire to be detected under the action of the pulse signal. And the controller acquires the voltage on the sampling element so as to obtain the real residual current value on the direct current wire to be detected. The controller selects the number of turns of the coil of the mutual inductor by controlling the on-off of the tap, and then the measuring range of the residual current detection device is changed. The residual current detection device can detect the residual current in a wide range by changing the range on the basis of high detection precision.)

剩余电流检测装置及剩余电流动作保护系统

技术领域

本申请涉及电气设备技术领域，特别是涉及一种剩余电流检测装置及剩余电流动作保护系统。

背景技术

剩余电流是造成电气火灾和人身触电事故的一大原因。而造成剩余的原因多种多样，例如由于缺乏有效维护导致电气设备绝缘老化，配电安装不规范，配电线路负荷过重，受自然环境影响的导线在潮湿情况下绝缘水平下降等。同时这些原因也导致了剩余电流形式的复杂多样，给剩余电流动作保护器的设计研发带来了挑战。

在住建和市政领域，由于直流剩余电流产生的原因多样，造成直流剩余电流的范围较宽，从几mA到几A。而传统的直流剩余电流检测方法在其线圈匝数、磁芯参数确定后，其检测量程也就固定了。通过改变外部电路参数虽然可以小范围的改变量程，但会降低其检测精度。特别是对于便携式的剩余电流检测设备，如何在检测范围大的同时保证直流剩余电流检测的高精度成为了一个亟待解决的问题。

发明内容

基于此，有必要针对传统的直流剩余电流检测方法测量量程单一的问题，提供一种剩余电流检测装置及剩余电流动作保护系统。

一种剩余电流检测装置，包括：

互感器，包括多路线圈，用于感应待测直流导线的剩余电流，每一路线圈具有一个抽头，多个所述抽头包括第一类抽头和第二类抽头；

脉冲发生器，包括第一端、第二端和第三端，所述第一端与所述第一类抽头电连接；

采样元件，与所述第二端电连接；以及

控制器，包括采样端、脉冲调制控制端和多个第一控制输出端，所述采样端与所述采样元件电连接，所述脉冲调制控制端与所述第三端电连接，每一个所述第一控制输出端与一个所述第二类抽头电连接。

在其中一个实施例中，还包括：

多个光耦合器，每一个所述光耦合器包括第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端与所述第二类抽头电连接，所述第二输入端与一个所述第一控制输出端电连接，所述输出端与所述采样元件电连接。

在其中一个实施例中，所述多个抽头的数量为四个，四个所述抽头中包括一个所述第一类抽头和三个所述第二类抽头，所述多个光耦合器的数量为三个。

在其中一个实施例中，所述控制器还包括第一串口通信端，所述剩余电流检测装置还包括：

通信接口电路，与所述第一串口通信端电连接。

在其中一个实施例中，所述控制器还包括第二串口通信端，所述剩余电流检测装置还包括：

显示装置，与所述第二串口通信端电连接。

在其中一个实施例中，所述控制器还包括第二控制输出端，所述剩余电流检测装置还包括：

报警器，与所述第二控制输出端电连接。

在其中一个实施例中，还包括：

滤波器，与所述采样端电连接。

在其中一个实施例中，所述互感器还包括：

磁芯，所述线圈绕制于所述磁芯。

在其中一个实施例中，所述磁芯的材料和所述线圈的材料均为柔性材料。

一种剩余电流动作保护系统，包括：

上述实施例中任一项所述的剩余电流检测装置；以及

断路器，与所述剩余电流检测装置电连接。

在其中一个实施例中，还包括：

试验电路，与所述剩余电流检测装置电连接。

上述剩余电流检测装置，包括互感器、脉冲发生器、采样元件和控制器。所述互感器包括多个抽头。所述脉冲发生器包括第一端、第二端和第三端。所述第一端与一个所述抽头电连接。所述第二端与所述采样元件电连接。所述控制器包括采样端、脉冲调制控制端和多个第一控制输出端。所述采样端与所述采样元件电连接。所述脉冲调制控制端与所述第三端电连接。每一个所述第一控制输出端与剩余所述抽头中的一个所述抽头电连接。所述控制器控制所述脉冲发生器向所述互感器发送一定频率和一定幅值的脉冲信号。所述互感器在脉冲信号的作用下感应待测直流导线上的剩余电流。所述控制器通过采集采样元件上的电压，进而获得所述待测直流导线上的真实剩余电流值。所述控制器通过控制所述抽头的通断，进而选择所述互感器的线圈匝数，进而改变所述剩余电流检测装置的量程。所述剩余电流检测装置能够在高检测精度的基础上，改变量程实现对宽范围的剩余电流进行检测。

附图说明

图1为本申请一个实施例中提供的剩余电流检测装置图；

图2为本申请一个实施例中提供的互感器结构图；

图3为本申请一个实施例中提供的剩余电流检测装置图；

图4为本申请一个实施例中提供的磁芯电流曲线及剩余电流曲线图；

图5为本申请一个实施例中提供的检测电流及剩余电流关系图；

图6为本申请一个实施例中提供的剩余电流动作保护系统图。

主要元件附图标号说明

剩余电流检测装置 10

互感器 100

抽头 101

第一类抽头 102

第二类抽头 103

磁芯 111

线圈 112

脉冲发生器 120

第一端 121

第二端 122

第三端 123

采样元件 130

控制器 140

采样端 141

脉冲调制控制端 142

第一控制输出端 143

第一串口通信端 144

第二串口通信端 145

第二控制输出端 146

光耦合器 150

第一输入端 151

第二输入端 152

输出端 153

通信接口电路 160

显示装置 170

报警器 180

滤波器 190

直流电源转换器 200

剩余电流动作保护系统 20

断路器 210

试验电路 220

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施的限制。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

随着直流系统的推广应用，直流剩余电流成为了一个威胁直流系统安全、可靠运行的重要因素。在住建和市政领域，由于直流剩余电流产生的原因多样，造成直流剩余电流的范围较宽，从几mA到几A。特别是对于便携式的剩余电流检测设备，如何在检测范围大的同时保证直流剩余电流检测的高精度成为了一个亟待解决的问题。因此，请参见图1，本申请一个实施例中提供一种剩余电流检测装置10。所述剩余电流检测装置10包括互感器100、脉冲发生器120、采样元件130以及控制器140。

所述互感器100包括多路线圈112，用于感应待测直流导线的剩余电流。每一路线圈112具有一个抽头101。多个所述抽头101包括第一类抽头102和第二类抽头103。

具体的，请一并参见图2，所述互感器100可以包括磁芯111和多路线圈112。所述磁芯111的材料为软磁材料。在一个可选的实施例中，所述磁芯111的材料为坡莫合金。坡莫合金初始磁导率μ₀＞80000(GS/Oe)。在另一个可选的实施例中，所述磁芯111的材料为非晶合金材料。待测直流导线穿过所述磁芯111，以构成所述互感器100的初级绕组。所述磁芯111具有较好的高频特性，正常工作时，在较高频率时仅需很小的激磁电流就能使所述磁芯111达到磁饱和状态，可以有效降低电源功耗、简化线路设计。所述多路线圈112缠绕于所述磁芯201上，构成所述互感器100的次级绕组。所述多路线圈112的每一路绕线匝数的数目不同。在一个实施例中，所述磁芯111的材料和所述线圈112的材料均为柔性材料。

所述脉冲发生器120包括第一端121、第二端122和第三端123。所述第一端121与所述第一类抽头102电连接。所述第一端121为激磁电压输出端。所述脉冲发生器120通过所述第一端121向所述多路线圈112提供激磁电压。所述第二端122为所述脉冲发生器120的接地端。所述第三端123为接收指令端。所述采样元件130与所述第二端122电连接。所述采样元件130可以为采样电阻。所述采样电阻的阻值可以设置为100Ω。采样电压从所述采样元件130的两端获取。所述控制器140包括采样端141、脉冲调制控制端142和多个第一控制输出端143。所述采样端141与所述采样元件130电连接，用于对所述采样元件130两端的采样电压信号进行采集。所述脉冲调制控制端142与所述第三端123电连接，用于向所述脉冲发生器120发送一定频率的脉冲调制信号。当所述脉冲发生器120接收到所述脉冲调制信号后，所述第一端121输出相应频率的方波。所述方波的幅值可以为12V。所述第一端121输出的方波频率范围为1kHz～10kHz。每一个所述第一控制输出端143与一个所述第二类抽头103电连接。所述控制器140通过所述第一控制输出端143选择要接入的抽头。例如，第一个所述第一控制输出端143输出为高电平时，剩余两个所述第一控制输出端143为低电平时，选择的抽头为抽头B，此时线圈的匝数为N_B，此时量程为R_B＝I×N_B，I为磁芯进入饱和状态时线圈上的电流值，N为线圈的匝数。同理，当第三个所述第一控制输出端143输出为高电平时，剩余两个所述第一控制输出端143为低电平时，选择的抽头为D，此时线圈的匝数为N_D，此时量程为R_D＝I×N_D。所述控制器140可以为单片机、微处理器。

具体的，所述脉冲发生器120可以由一个NPN三极管和一个PNP三极管组成的半桥电压驱动器。两个三极管的基极相互连接。两个三极管的发射极相互连接并向所述互感器100的次级绕组输出方波脉冲驱动电压。两个三极管的集电极连接双极性电源。两个三极管的最大集电电流与所述线圈112的绕组匝数、所述磁芯111的特性以及所述采样元件130的阻值相关。所述脉冲发生器120通过导通不同的三极管，从而循环向所述互感器100的次级绕组提供正、负方向的电压。

如图3磁芯电流曲线所示，当脉冲电压为+12V时，磁芯电流由负值向正值变化，并逐渐增大，直到脉冲电压反转为-12V，磁芯电流由正值减小直到负值时，再反向增大，如此循环，设置采样电阻的值为100Ω，使得磁芯重复着深度饱和、不饱和的状态。

所述的磁芯电流平均值其中

为检测的剩余电流值，K为磁芯材料、结构决定的常数，ip为真实剩余电流值，N为线圈的匝数，负号表示其方向相反。如图3剩余电流曲线所示，当待测直流导线上的剩余电流为10mA时，磁芯电流也向相反的方向平移，使其电流平均值为

当设置的N＝K时，

负号表示其方向相反。

本实施例中，所述控制器140控制所述脉冲发生器120向所述互感器100发送一定频率和一定幅值的脉冲信号。所述互感器100在脉冲信号的作用下感应待测直流导线上的剩余电流。所述控制器140通过采集所述采样元件130上的电压，进而获得所述待测直流导线上的真实剩余电流值。所述控制器140通过控制所述抽头103的通断，进而选择所述互感器100的线圈匝数，进而改变所述剩余电流检测装置10的量程。所述剩余电流检测装置10能够在高检测精度的基础上，改变量程实现对宽范围的剩余电流进行检测。所述剩余电流检测装置10配合直流断路器使用有利于直流系统的安全、可靠运行。所述剩余电流检测装置10应用于便携式直流剩余电流检测设备可实现高精度与多量程的直流剩余电流检测。

请参见图4，在其中一个实施例中，所述剩余电流检测装置10还包括多个光耦合器150。每一个所述光耦合器150包括第一输入端151、第二输入端152和输出端153和接地端。每一个所述光耦合器150的接地端串联后与所述控制140的接地端连接。所述第一输入端151与所述第二类抽头103电连接。所述第二输入端152与一个所述第一控制输出端143电连接。所述输出端153与所述采样元件130电连接。

具体的，所述光耦合器150是以光为媒介传输电信号的一种电一光一电转换器件。所述光耦合器150由发光源和受光器两部分组成。把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。所述发光源的输入端为所述第二输入端152。所述受光源的输入端为所述第一输入端151。所述受光源的输出端为所述输出端153。所述光耦合器150可以用于隔离所述采样元件130对所述互感器100感应待测剩余电流的影响。此外，通过控制所述控制器140的所述第一控制输出端143来对导通的光耦进行选择，由此选择连接进入线圈的匝数N，通过改变N来改变量程R。在其中一个实施例中，所述多个抽头101的数量为四个，四个所述抽头101中包括一个所述第一类抽头102和三个所述第二类抽头103，所述多个光耦合器150的数量为三个。此时，所述剩余电流检测装置10可以至少具有三个不同的量程。

在其中一个实施例中，所述控制器140还包括第一串口通信端144、第二串口通信端145和第二控制输出端146。所述剩余电流检测装置10还包括通信接口电路160、显示装置170和报警器180。所述通信接口电路160与所述第一串口通信端144电连接。所述显示装置170与所述第二串口通信端145电连接。所述报警器180与所述第二控制输出端146电连接。所述通信接口电路160可以为RS485驱动电路。此时，所述通信接口电路160支持RS485通讯协议，可与上位机通讯，扩展性强。所述显示装置170可实时显示直流剩余电流检测值、极性和系统运行状态信息。当所述控制器140检测的剩余电流超过动作阈值，可通过所述控制器140的第二控制输出端146输出高电平，进而使得与所述第二控制输出端146电连接的报警器180进行状态报警。或者，当所述控制器140检测的剩余电流超过动作阈值，可通过所述控制器140的第二控制输出端146输出高电平，进而使得与所述第二控制输出端146电连接的断路器切断回路进行保护。

在其中一个实施例中，所述剩余电流检测装置10还包括滤波器190。所述滤波器190与所述采样端141电连接。所述滤波器190可以为巴特沃斯数字滤波器。经所述采样端141采集的所述采样元件上的电压信号，可以通过所述滤波器190进行滤波。所述的低通滤波器设置为：

其中，滤波器阶数n＝5，滤波器截止频率Ω_c＝30Hz。低通滤波后的结果如图5所示，检测电流与真实的直流剩余电流大小相同，方向相反。

请参见图6，本申请一个实施例中提供一种剩余电流动作保护系统20。所述剩余电流动作保护系统20包括上述实施例中任一项所述的剩余电流检测装置10和断路器210。所述断路器210与所述剩余电流检测装置10电连接。具体的所述断路器210与所述控制器140的所述第二控制输出端146电连接。当所述控制器140检测的剩余电流超过动作阈值，可通过所述控制器140的第二控制输出端146输出高电平，进而使得所述断路器210切断回路进行保护。

在其中一个实施例中，所述剩余电流动作保护系统20还包括试验电路220。所述试验电路220与所述剩余电流检测装置10电连接。所述试验电路220可以用于模拟产生剩余电流。当所述试验电路220产生的电流被所述剩余电流检测装置10检测到时，可以使得所述断路器210切断回路进行保护。当所述剩余电流动作保护系统20检测所述断路器210是否可以正常工作或者需要所述断路器210切断回路时，可以通过所述试验电路220和所述剩余电流检测装置10配合使用，进而使所述断路器210切断回路。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。