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CN112636300A - 一种宽范围剩余电流检测保护方法及装置 - Google Patents

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CN112636300A
CN112636300A CN202011475240.9A CN202011475240A CN112636300A CN 112636300 A CN112636300 A CN 112636300A CN 202011475240 A CN202011475240 A CN 202011475240A CN 112636300 A CN112636300 A CN 112636300A
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CN
China
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residual current
mcu
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frequency
wide
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CN202011475240.9A
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English (en)
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许波
赵敏
孟羽
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National Innovation Energy Automobile Intelligent Energy Equipment Innovation Center Jiangsu Co Ltd
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National Innovation Energy Automobile Intelligent Energy Equipment Innovation Center Jiangsu Co Ltd
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Abstract

本发明公开一种宽范围剩余电流检测保护方法及装置，利用MCU实时检测激磁电压频率，当激磁电压频率大于等于正常阈值时；MCU即刻输出动作信号驱动执行结构脱扣；当激磁电压频率小于正常阈值时，MCU提取剩余电流信息，根据设定的剩余电流动作阈值判断是否输出动作信号。本发明在保留高检测精度的基础上，可实现宽范围剩余电流的检测保护。既可精确检测mA级剩余电流，又能在A级剩余电流出现时正确输出动作信号；由于频率检测方便快捷，可满足大电流的瞬时脱扣需求；方法简单，易于实现。

Description

一种宽范围剩余电流检测保护方法及装置
技术领域
本发明涉及剩余电流保护技术，具体涉及一种宽范围剩余电流检测保护方法。
背景技术
目前，国内外普遍采用剩余电流保护技术对漏电火灾和人身触电事故进行防护。磁调制式电流互感器由于可检测mA级剩余电流而在剩余电流检测保护中发挥着重要的作用，其核心元件环形磁芯由高磁导率的软磁材料制成，方波激磁电压驱动磁芯的非线性磁化曲线以振荡的方式在正向饱和与负向饱和之间行进。普遍采用的一种激磁电压驱动方案为激磁电压源受激磁电流的反馈控制，当激磁电流达到设定阈值时，激磁电压的极性将发生反转，从而在电路中产生方波激磁电压。
该方法在剩余电流较小时的检测精度很高，但随着剩余电流增大，超过互感器的检测范围时，磁芯在饱和区附近振荡，激磁电流频率会显著增高，无法实现对剩余电流的有效检测。
发明内容
本发明的目的是提供一种宽范围剩余电流检测保护方法，以实现在大电流出现时漏电检测模块的正确检测保护。
为实现本发明目的，本发明研究了激磁电流、剩余电流与激磁电流频率之间的关系：
当激磁电流幅值不是很大时，激磁电流的低频/直流分量I输出与被测电流I输入之间具有近似线性关系，比例关系近似为1/N2，N2为绕线匝数。线性度相对误差设为e％，则
Figure BDA0002835070310000011
当激磁电流达到±Ir时激磁电压极性发生反转，Ir为最大激磁电流。磁芯能检测的最大直流剩余电流Id应满足下式：
Figure BDA0002835070310000012
由于互感器磁芯具有高矩形比，其磁饱和电流is相对较小，在实际工程中可忽略。由此磁调制式剩余电流互感器的直流检测范围为[-IrN2，+IrN2]，正弦交流检测范围即为
Figure BDA0002835070310000021
不同幅值的直流剩余电流时的激磁电流波形如图2。当剩余电流在磁芯检测范围内时，非线性误差很小；剩余电流达磁芯检测范围临界值时，激磁电流频率开始升高，非线性误差开始增大，但在允许范围内；当剩余电流超过磁芯检测范围时，激磁电流频率显著升高，非线性误差迅速增大，无法实现对剩余电流的有效检测。
基于以上研究发现，大漏电流出现时激磁电压及激磁电流频率显著增大，本发明提供的宽范围剩余电流检测保护方法具体采用如下技术方案：
一种宽范围剩余电流检测保护方法，其特征在于利用MCU实时检测激磁电压频率，当激磁电压频率大于等于正常阈值时；MCU即刻输出动作信号驱动执行结构脱扣；当激磁电压频率小于正常阈值时，MCU提取剩余电流信息，根据设定的剩余电流动作阈值判断是否输出动作信号。
考虑到MCU检测频率有限，可采用分频处理，对于N分频，当激磁电压频率大于正常阈值的1/N时，MCU输出动作信号驱动执行结构脱扣。分频大小根据剩余电路保护装置的电流保护范围内的激磁电压频率在MCU的检测频率范围内的原则设定。
采用上述方法，打破了反馈式电压型磁调制式剩余电流检测范围的限制，把剩余电流检测范围拓宽到用户要求的范围。
本发明还提供一种宽范围剩余电流检测保护装置，其特征在于包括一磁调制式电流互感器和一MCU，所述MCU的一第一端口CH-1连接所述电流互感器绕线的一端，一第三端口CH-3连接所述电流互感器绕线的另一端，所述第一端口CH-1经串联的一第一电阻R1、一第二电阻R2连接至一第一参考电压Vref，所述MCU的一第二端口CH-2连接至所述第一电阻R1和第二电阻R2的串联点；所述MCU内设电压比较器实时比较第二端口CH-2与第三端口CH-3的电压值，在第一端口CH-1产生激磁电压，并实时检测激磁电压频率，当激磁电压频率大于等于正常阈值时，所述MCU的一输出端口OUT即刻输出动作信号驱动执行结构脱扣；当激磁电压频率小于正常阈值时，所述MCU提取剩余电流信息，根据设定的剩余电流动作阈值判断是否输出动作信号。
本发明的有益效果：
1)在保留高检测精度的基础上，可实现宽范围剩余电流的检测保护。既可精确检测mA级剩余电流，又能在A级剩余电流出现时正确输出动作信号；
2)由于频率检测方便快捷，可满足大电流的瞬时脱扣需求；
3)方法简单，易于实现。
附图说明
图1为本发明电路示意图；
图2为不同幅值剩余电流时的激磁电流波形；
图3为本发明流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例及附图，对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1，一种宽范围剩余电流检测保护装置，包括一磁调制式电流互感器和一MCU。MCU的一第一端口CH-1连接电流互感器绕线的一端，一第三端口CH-3连接电流互感器绕线的另一端。第一端口CH-1经串联的一第一电阻R1、一第二电阻R2连接至一第一参考电压Vref，MCU的一第二端口CH-2连接至第一电阻R1和第二电阻R2的串联点。
待监视的线路中的一组有源导体L、N，被引导通过电流互感器的环形磁芯。MCU内设电压比较器实时比较V1(第二端口CH-2的电压)和V2(第三端口CH-3的电压)的电压值大小，当V1＞V2时Vin输出高电平，V2值在线圈的作用下缓慢增大，当V2＞V1时Vin输出低电平，V2值缓慢减小，如此循环往复，Vin产生方波激磁电压，驱动磁芯的非线性磁化曲线以振荡的方式在正向饱和与负向饱和之间行进，行成包含剩余电流信息的周期性激磁电流。Vin的幅值与MCU的供电电压有关，一般情况下，Vin的幅值就是MCU的供电电压值。图1中Vref为基准电压值，优选值为2.5V。
同时，MCU内部实时读取Vin的频率信息，每个Vin的上升沿记一次数：1，2…N，1ms计算一次，即可计算Vin频率f为N*1000Hz。
当剩余电流在磁调制式剩余电流互感器的检测范围内时，f为一固定频率f0，具体计算公式为：f0＝UH/4BSN2S，UH为激磁电压的幅值；BS为互感器磁芯的饱和磁感应强度；N2为互感器绕线匝数；S为互感器磁芯截面积。即：MCU和磁芯确定的情况下，f值固定。
一旦剩余电流超出磁调制式剩余电流互感器的检测范围，f值会瞬间变大，跃变为f值的两倍以上。因此设置当MCU检测到f≥2*f0时，MCU即刻输出脱扣信号。由于频率计算很快，可满足大电流的瞬时脱扣需求。
当f＜2*f0时，MCU正常提取激磁电压/激磁电流中的剩余电流信息，MCU根据设定的剩余电流动作阈值判断是否输出动作信号。在本实施例中，采集采样电阻RS1端的电压V2先经过低通滤波，滤除激磁电流波形，再进行差分放大，放大剩余电流波形，然后送入MCU分析判断，根据判断结果输出动作信号Out。输出电路采用集电极电路，方便用户自定义输出高电平值。图1中R3、R4、R5、R6及IC1组成差分放大电路，R3＝R4，R5＝R6，IC1为通用运放芯片，Vref2为另一基准电压值，优选为MCU供电电压的1/2值。
考虑到MCU检测频率有限，可采用分频处理。如十分频即为每十个Vin的上升沿记一次数1，2…N，1ms计算一次，计算得到Vin频率f≥2*f0/10时，MCU即刻输出脱扣信号。
以上的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种宽范围剩余电流检测保护方法，其特征在于利用MCU实时检测激磁电压频率，当激磁电压频率大于等于正常阈值时；MCU即刻输出动作信号驱动执行结构脱扣；当激磁电压频率小于正常阈值时，MCU提取剩余电流信息，根据设定的剩余电流动作阈值判断是否输出动作信号。
2.如权利要求1所述的宽范围剩余电流检测保护方法，其特征在于MCU采用分频处理，对于N分频，当激磁电压频率大于正常阈值的1/N时，MCU输出动作信号驱动执行结构脱扣。
3.如权利要求1所述的宽范围剩余电流检测保护方法，其特征在于所述正常阈值是剩余电流在磁调制式电流互感器的检测范围内时产生的激磁电压固定频率的2倍。
4.如权利要求1所述的宽范围剩余电流检测保护方法，其特征在于剩余电流在磁调制式电流互感器的检测范围内时产生的激磁电压固定频率f0=UH/4BSN2S，式中，UH为激磁电压的幅值；BS为电流互感器磁芯的饱和磁感应强度；N2为电流互感器绕线匝数；S为电流互感器磁芯截面积。
5.一种宽范围剩余电流检测保护装置，其特征在于包括一磁调制式电流互感器和一MCU，所述MCU的一第一端口CH-1连接所述电流互感器绕线的一端，一第三端口CH-3连接所述电流互感器绕线的另一端，所述第一端口CH-1经串联的一第一电阻R1、一第二电阻R2连接至一第一参考电压Vref，所述MCU的一第二端口CH-2连接至所述第一电阻R1和第二电阻R2的串联点；所述MCU内设电压比较器实时比较第二端口CH-2与第三端口CH-3的电压值，在第一端口CH-1产生激磁电压，并实时检测激磁电压频率，当激磁电压频率大于等于正常阈值时，所述MCU的一输出端口OUT即刻输出动作信号驱动执行结构脱扣；当激磁电压频率小于正常阈值时，所述MCU提取剩余电流信息，根据设定的剩余电流动作阈值判断是否输出动作信号。
6.如权利要求5所述的宽范围剩余电流检测保护装置，其特征在于还包括一集电极输出电路，所述集电极输出电路与所述输出端口OUT连接。
7.如权利要求5所述的宽范围剩余电流检测保护装置，其特征在于还包括一采样电阻
RS1、一滤波电路、一差分放大电路，所述采样电阻RS1的一端连接所述MCU的第三端口CH-3和滤波电路的输入端，另一端连接所述第一参考电压Vref；所述滤波电路的输出端连接所述差分放大电路的输入端，所述差分放大电路的输出端连接所述MCU的ADC端口。
8.如权利要求5所述的宽范围剩余电流检测保护装置，其特征在于所述正常阈值是剩余电流在磁调制式电流互感器的检测范围内时产生的激磁电压固定频率的2倍。
9.如权利要求5所述的宽范围剩余电流检测保护装置，其特征在于剩余电流在磁调制式电流互感器的检测范围内时产生的激磁电压固定频率f0=UH/4BSN2S，式中，UH为激磁电压的幅值；BS为电流互感器磁芯的饱和磁感应强度；N2为电流互感器绕线匝数；S为电流互感器磁芯截面积。
10.如权利要求5所述的宽范围剩余电流检测保护装置，其特征在于MCU采用分频处理，对于N分频，当激磁电压频率大于正常阈值的1/N时，MCU输出动作信号驱动执行结构脱扣。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107394744A (zh) * 2016-04-12 2017-11-24 施耐德电器工业公司 用于检测故障电流的设备

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Title
王尧: "复杂波形条件下剩余电流检测技术研究", 《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(博士)工程科技Ⅱ辑》 *

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