具体实施方式

如图1所示，一种接地故障保护断路器，包括多个采样电路，多个采样电路分别经过信号处理电路与单片机连接，多个采样电路分别包括对应的电流互感器和整流电路，多个采样电路的电流互感器的同名端和异名端分别与各自整流电路的两个输入端连接，多个采样电路的整流电路的输出端分别经过信号处理电路与单片机连接，所述的多个采样电路还分别包括相位检测电路，多个采样电路的相位检测电路分别包括与单片机连接的可控开关元件,可控开关元件的控制端连接在对应电流互感器的同名端与整流电路之间，控制端能够导通和断开可控开关元件，使可控开关元件为单片机提供信号，单片机通过信号处理电路对多个采样电路的电流信号分别采样时，能够通过相位检测电路采集该时刻电流信号对应的相位，通过单片机将多个采样电路的电流信号根据对应相位计算得到该时刻下的接地电流值，单片机再根据多个时刻的接地电流值判断是否故障。

本发明创造的接地故障保护断路器，通过增加相位检测电路，直接利用现有断路器的电流互感器，不需要增加外部互感器，不改变现有电流信号调理和A/D采样信号处理的情况下，就能够实现接地检测和保护的功能。

以下结合附图1至5给出的实施例，进一步说明本发明创造的接地故障保护断路器的具体实施方式。本发明创造的接地故障保护断路器为4P断路器，设有四个采样回路，也可以同样的原理在3P断路器中应用，且不限于以下实施例的描述。

如图1所示，一种接地故障保护断路器，包括多个采样电路，多个采样电路分别经过信号处理电路与单片机连接，多个采样电路分别包括对应的电流互感器和整流电路，多个采样电路的电流互感器的同名端和异名端分别与各自整流电路的两个输入端连接，多个采样电路的整流电路的输出端分别经过信号处理电路与单片机连接，所述的多个采样电路还分别包括相位检测电路，多个采样电路的相位检测电路分别包括与单片机连接的可控开关元件,可控开关元件的控制端连接在对应电流互感器的同名端与整流电路之间，控制端能够导通和断开可控开关元件，使可控开关元件为单片机提供信号，单片机通过信号处理电路对多个采样电路的电流信号分别采样时，能够通过相位检测电路采集该时刻电流信号对应的相位，通过单片机将多个采样电路的电流信号根据对应相位计算得到该时刻下的接地电流值，单片机再根据多个时刻的接地电流值判断是否故障。

如图2所示，本实施例的接地故障保护断路器为电子式塑壳断路器，包括四个采样电路，每个采样电路分别包括电流互感器，以及与四个电流互感器一一对应的四个整流电路和四个相位检测电路，四个电流互感器分别为电流互感器LA、电流互感器LB、电流互感器LC和电流互感器LN，电流互感器LA、电流互感器LB、电流互感器LC和电流互感器LN与电源端的A相、B相、C相和N相配合，即四个采样电路分别与A相、B相、C相和N相配合，单片机与脱扣电路连接，单片机在判断接地故障时，通过脱扣电路使断路器脱扣，信号处理电路能够用于对采样的电流信号进行滤波放大等处理，电源电路用于为脱扣电路、单片机等电路供电。

所述的四个相位检测电路的结构相同，四个相位检测电路的可控开关元件分别为三极管，三极管的基极构成所述可控开关元件的控制端，并连接在对应电流互感器的同名端与整流电路之间，三极管主要起到开关的作用，将正弦波转换为方波，取得正弦波的相位，三极管根据输入的采样电压信号短接VDD端口时，单片机输入低电平，代表正半波，不短接则为高电平，代表负半波。

具体的，所述可控开关元件为NPN型的三极管，三极管的基极通过第一电阻与对应电流互感器的同名端与整流电路之间连接，三极管的集电极连接在单片机与单片机的I/O端口对应的VDD端口之间，且三极管的集电极通过第三电阻与对应的VDD端口连接，所述三极管的发射极分别与接地端、第二电阻和二极管连接，第二电阻和二极管的另一端分别与三极管的基极连接。

参阅图2，所述的四个相位检测电路分别与电流互感器LA、电流互感器LB、电流互感器LC和电流互感器LN对应；

所述第一电阻在四个采样电路中分别为电阻R6、电阻R9、电阻R12和电阻R15，所述第二电阻在四个采样电路中分别为电阻R7、电阻R10、电阻R13和电阻R16，所述二极管在四个采样电路中分别为二极管VD1、二极管VD2、二极管VD3和二极管VD4，所述第三电阻在四个采样电路中分别为电阻R5、电阻R8、电阻R11和电阻R14。

由所述的三极管Q2、电阻R6、电阻R7、电阻R5和二极管VD1构成与电流互感器LA对应的相位检测电路，电阻R6与电流互感器LA的同名端连接，电阻R5与单片机的I/O端口连接；

同理，由所述的三极管Q3、电阻R9、电阻R10、电阻R8和二极管VD2构成与电流互感器LB对应的相位检测电路，电阻R9与电流互感器LB的同名端连接，电阻R8与单片机的I/O端口连接；

同理，由所述的三极管Q4、电阻R12、电阻R13、电阻R11和二极管VD3构成与电流互感器LC对应的相位检测电路，电阻R12与电流互感器LC的同名端连接，电阻R11与单片机的I/O端口连接；

同理，由所述的三极管Q5、电阻R15、电阻R16、电阻R14和二极管VD4构成与电流互感器LN对应的相位检测电路，电阻R15与电流互感器LN的同名端连接，电阻R14与单片机的I/O端口连接。

进一步，所述的四个整流电路分别为整流桥D1、整流桥D2、整流桥D3和整流桥D4；整流桥D1、整流桥D2、整流桥D3和整流桥D4的输入端AC1分别与对应电流互感器的同名端连接，所述相位检测电路的输入端连接在对应的电流互感器与整流桥的输入端AC1之间，整流桥D1、整流桥D2、整流桥D3和整流桥D4的输入端AC2分别与对应电流互感器的异名端连接；

整流桥D1、整流桥D2、整流桥D3和整流桥D4的正极输出端相连后分别与场效应管Q1的漏极和二极管D5的正极连接，二极管D5的负极和场效应管Q1的栅极分别与电源电路连接；

整流桥D1、整流桥D2、整流桥D3和整流桥D4的负极输出端分别经过采样电阻R1、采样电阻R2、采样电阻R3和采样电阻R4接地，采样电阻R1、采样电阻R2、采样电阻R3和采样电阻R4分别与信号处理电路连接。

电流互感器LA、电流互感器LB、电流互感器LC和电流互感器LN，分别在采样电阻R1、采样电阻R2、采样电阻R3和采样电阻R4上形成电压，将电流信号转换成电压信号，提供给信号处理电路，信号处理电路对采样的信号进行滤波和放大处理，处理好的信号发送给单片机，单片机基于信号处理电路的信号实现对三相或四相电流的采样和保护，例如单片机基于信号处理电路的信号进行常规的长延时、短延时、瞬时保护等，这属于本领域的现有技术。

本发明创造的一个改进点在于增加相位检测电路，通过相位检测电路取得各相电流正负相位，结合单片机采样各相电流值大小，进行矢量计量，得到接地电流值大小，并与用户设定的预设值进行比较，如果超过设定值就发出脱扣指令给脱扣电路，实现接地保护功能，无需采用额外的电流互感器。

图3为现有技术信号处理后三相电流波形图，图4为本实施例的相位检测波形图，IA、IB、IC为三相电流；PA、PB、PC为相位，高电平代表负半波，低电平为正半波，分别代表IA、IB、IC的正负值，用于进行矢量计量，单片机在同一电流信号周期内，通过固定频率对各相分别对应的采样电路的电流信号进行采样，结合电流对应的相位，计算得到该采样时刻接地电流值大小，具体算法如下：

第1个波形的接地电流值：IG1＝(IA1+IB1+IC1)

第2个波形的接地电流值：IG2＝(IA2+IB2+IC2)

……

第n个波形的接地电流值：IGn＝(IAn+IBn+ICn)

根据以上算法得到图5所示的拟合曲线后，再通过均方根计算得到接地电流周期有效值：

控制器将根据计算得到的接地故障电流周期有效值IG进行显示，并与预设值比较，并在接地故障电流周期有效值IG超过预设值时使断路器脱扣。当然，也可以通过其它数学方法统计所述多个时刻下的接地电流值，都属于本发明创造的保护范围。

本发明创造还提供了一种接地故障保护方法，包括断路器，断路器包括多个采样电路，多个采样电路分别经过信号处理电路与单片机连接，所述的多个采样电路还分别包括相位检测电路，多个采样电路的相位检测电路分别与单片机连接，同一电流信号周期内，单片机以固定频率通过信号处理电路对多个采样电路的电流信号分别采样时，能够通过相位检测电路采集该时刻电流信号对应的相位，将多个采样电路的电流信号根据对应相位计算得到该时刻下的接地电流值，再根据多个时刻的接地电流值判断是否出现接地故障。

本发明创造的接地故障保护方法，单片机根据硬件加软件算法获取相位，而不是依靠硬件直接计算，结构更简单，效率更高。

进一步，所述单片机分别将每个时刻下的电流信号按照相位相加，得到多个时刻各自对应的接地电流值，再计算多个时刻的接地电流值的均方根，并将该均方根与预设值比较判断接否出现接地故障，通过均方根计算能够更准确地进行判断是否出现接地故障。

进一步，所述单片机在判断出现接地故障时，能够使所述断路器跳闸，在不改变现有断路器结构的基础上，使断路器在短路保护和过载保护的基础上，还能够实现接地故障保护，及时断开电路，保证人身和财产的安全。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明创造所作的进一步详细说明，不能认定本发明创造的具体实施只局限于这些说明。对于本发明创造所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明创造的保护范围。