一種接地故障電流檢測電路及方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及一種接地故障電流檢測電路及方法，具體說來，設及為低壓配電系統 中斷路器或過載繼電器。
【背景技術】
[0002] 所謂的接地故障，是指相對地或與地有關聯的外漏可導電部分，如設備外殼、管道 和構架的直接接觸短路。同一般短路形式相比較，其短路電流有效值雖然不是很大，但足W 導致人身觸電傷亡和火災事故，后果極為嚴重。接地故障引起的間接接觸觸電事故是最常 見的電擊事故，接地故障引起的對地電弧和電火花則是最常見的電氣短路起火源。發生接 地故障時，保護電器必須及時、可靠切斷電路，W防止發生人身觸電、電氣火災等事故。
[0003] 接地故障保護作為低壓配電線路中一項重要保護功能，在低壓電器中重要組成元 器件空氣斷路器、塑殼斷路器、接觸器和繼電器中，目前空氣斷路器中已經得到廣泛的用， 而對于塑殼斷路器或繼電器而言，近幾年才逐步發展起來。
[0004] 目前，在空氣斷路器的接地保護方式主要可分為兩種：差值型（T)和地電流型 (W)。其中差值型保護方法由可W根據斷路器的級數分為3PT、4PT或3P+N，即取S相或4相 電流的矢量和進行保護。地電流型保護方式由外加特殊的電流互感器來實現，每種額定電 流需要匹配一種互感器。塑殼斷路器由于受到外形尺寸大小的限制，常采用差值型保護保 護方式，即矢量和的方式。
[0005] 在最近幾年來塑殼斷路器采用了新型電流互感器，即帶有羅斯線圈互感器，則實 現接地故障保護功能采用差值型方式變得容易起來。電流互感器中包含了兩種線圈：速飽 和線圈與羅斯線圈，速飽和線圈提供控制器工作的能量，羅斯線圈提供測量及檢測信號。所 W運就使得互感器體積相對增大。而低壓電器發展，各元器件的體積是越來越小，同時額定 電流也越來越低。同時羅斯線圈在小信號下容易受到干擾。如殼架為125A及W下電流規 格中，實現運種雙線圈方案的電流互感器空間體積就較為困難。在電子過載繼電器中，額定 電流通常有幾安培或十幾安培的，則不宜采用該電流互感器方案。通常還是采用的常規的 單線圈方式，尤其在電子過載繼電器。
[0006] 采用常規單線圈方案中，實現接地保護功能，如美國專利US6407894B1，電流取樣 電阻在進行整流之前，采樣為交流信號，且在信號進行運放處理過程中，運放需要選用帶有 隔離的運放或采用正負電源，同時信號需要進行兩級運放處理，信號調理電路都較為復雜。 目前在繼電器中常采用一種半波進行接地保護，由于采用半波進行有效值計算，在保護精 度要求較高的應用則不能滿足。

【發明內容】

[0007] 為了解決W上問題本發明提供了一種采用單線圈電流互感器方案中實現接地故 障保護的電路及方法。
[0008] 為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：一種接地故障電流檢測電路，其特征 在于：包括電流互感器、整流采樣電路、電源電路、信號調理電路、單片機及外圍電路五部分 組成。
[0009] 所述的電流互感器為A相、B相、C相電流互感器或A相、B相、C相、N相電流互感 器。
[0010] 所述的整流采樣電路全橋整流電路與電流取樣電阻包括了二極管D2、D3、D4、D5 組成A相全橋整流電流，二極管D6、D7、D8、D9組成B相全橋整流電流，二極管D10、D11、D12、 D13組成C相全橋整流電流，A相采樣電阻R4串聯在二極管D4陽極，A相采樣電阻R5串聯 在二極管D5陽極，B相采樣電阻R14串聯在二極管D8陽極，A相采樣電阻R5串聯在二極管 D9陽極，C相采樣電阻R12串聯在二極管D12陽極，A相采樣電阻R13串聯在二極管D13陽 極。
[0011] 所述的信號調理電路為：A相sampA+信號經過電阻R6與電容巧組成信號濾波電 路，通過電阻R7連接于運放U2A的反相輸入端，U2A的同相輸入端通過電阻R12接地，反饋 電阻R35連接于運放U2A的反相輸入端與輸出端，運放U2A輸出信號通過電阻RlO連接電 容口，電容口另一端接地，電阻RlO輸出信號連接單片機進行ADC處理;A相sampA-信號 經過電阻R8與電容C6組成信號濾波電路，通過電阻R9連接于運放U3A的反相輸入端，U3A 的同相輸入端通過電阻R13接地，反饋電阻R36連接于運放U3A的反相輸入端與輸出端，運 放U3A輸出信號通過電阻Rll連接電容C8,電容C8另一端接地，電阻Rll輸出信號連接單 片機進行ADC處理；B相sampB+，sampB-，C相sampC+，sampC-信號處理原理及方法同A相 SampA+? SampA-O
[0012] 所述的單片機及外圍電路主要包括MCU及晶振、復位電路。
[0013] 為實現上述目的，本發明提供了一種接地故障電流檢測方法，其特征在于：采用固 定頻率的采樣方式，即在整數周期內，連續模擬信號采用等時間間隔方式分隔成n個離散 點，n大于等于16 ;A相采樣電阻R4上模擬信號進入單片機后進行ADC轉換為n個離散點 數字信號為{lar，1曰2+，Ia3+，. . .Ian]，A相采樣電阻R5上模擬信號轉換為n個離散點數 字信號為Ual，1曰2，Ia3，... Ian }，同理，其它采樣電阻上模擬信號轉換為數字信號分別 為：{扣1+，扣2+，扣3+，. . .Ibn]，{扣 1，扣2，扣3，...扣n }，{Icl+，Ic2+，Ic3+，. . .Icn]， (Icl，Ic2，Ic3，. . .Icn }；
[0014] A相、B相、C相每個離散點進行向量計算，處理方式如下：
[0015]Ilar+IbrWcr-Ial-Ibl-IclI，IIa2++Ib2+Wc2+-Ia2-Ib2-Ic2 I， … I曰n++扣n++Icn+-I曰n-扣I-Icn
[0016] 接地故障電流數字信號離散點為（Igl，Ig2，..^即} =IlIar+扣r+Icr-Ial -I bl -Icl I,I Ia2"+Ib2"+Ic2"-Ia2 -Ib2 Ic2 |,Ia3"+Ib3"+Ic3"-Ia3 -Ib3 Ic3 |,??? | Ian"+Ibn ++Icn+-I曰n -扣I-Icn }
[0017] 接地故障有效值：
[0019] 采用本發明的技術方案及方法，與已公知的技術相比，具有W下如下有益效果：
[0020]1、本發明的技術方案原理簡單、所需電子器件少且通用，成本低。
[0021] 2、本發明的技術方案及方法與采用半波計算接地故障電流值具有保護精度高，可 靠。
[0022]3、本發明的技術方案及方法適用單線圈的電流互感器實現接地保護功能。尤其適 用于空間體積要求較高且額定較小電器保護開關中。
【附圖說明】
[0023] 圖1本發明實施方案的原理框圖。
[0024] 圖2本發明實施方案的電路圖。
[00巧]圖3本發明實施方案A相采樣波形示意圖。
[0026] 圖4本發明實施方案B相采樣波形示意圖。
[0027] 圖5本發明實施方案C相采樣波形示意圖。
[0028] 圖6本發明實施方案=相波形疊加后接地電流Ig電流波形示意圖。
【具體實施方式】
[0029] 下面結合附圖對本發明做進一步詳細的說明。
[0030] 如圖1、2所示，本發明提供了一種接地故障電流檢測電路，包括電流互感器，整流 采樣電路、電源電路、信號調理電路、單片機及外圍電路五部分組成。所述的電流互感器為A 相、B相、C相電流互感器或A相、B相、C相、N相電流互感器。電流互感器輸出電流信號直 接連接到二極管組成的全橋整流電路，電流互感器的輸出電流信號僅作為電流檢測，同時 也為電源電路及其他電路提供能量。所述的全橋整流電路包括采樣電阻R4、R5、R14、R15、 R32、R33,二極管 D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8、D9、D10、D11、D12、D13 ;A 相電流互感器輸出 CTA+，CTA-連接到由二極管D2、D3、D4、D5構成的整流橋，即二極管D2、二極管D4串聯，二 極管D3、二極管D5串聯，然后再進行并聯，CTA+連接在二極管D2與二極管D4之間，CTA-連 接在二極管D3與二極管D5之間；B相電流互感器輸出CTB+，CTB-連接到由二極管D6、D7、 D8、D9構成的整流橋，即二極管D6、二極管D8串聯，二極管D7、二極管D9串聯，然后再進行 并聯，CTB+連接在二極管D6與二極管D8之間，CTB-連接在二極管D7與二極管D9之間； C相電流互感器輸出CTC+，CTC-連接到由二極管D10、D11、D12、D13構成的整流橋，即二極 管D10、二極管D12串聯，二極管D11、二極管D13串聯，然后再進行并聯，CTC+連接在二極 管DlO與二極管D12之間，CTC-連接在二極管Dll與二極管D13之間；
[0031] 采樣電阻R4串聯在二極管D4的陽極，采樣電阻R4波形為sampA+，采樣電阻R5串 聯在二極管D5的陽極，采樣電阻R5波形為sampA-，即A相波形被采樣電阻R4, R5被分為 sampA+，sampA-;采樣電阻R14串聯在二極管D8的陽極，采樣電阻R14波形為sampB+，采樣 電阻R15串聯在二極管D9的陽極，采樣電阻R5波形為sam地-，即B相波形被采樣電阻R14， R15被分為sampB+，sampB-;采樣電阻R32串聯在二極管D12的陽極，采樣電阻R32波形為 sampC+，采樣電阻R33串聯在二極管D13的陽極，采樣電阻R33波形為sampC-，即C相波形 被義樣電阻R32, R33被分為sampC+，sampC-;
[003引所述的電源電路包括電感Ll與電容Cl組成的濾波電路，由TVS管Zl，功率MOS管 Tl,運放U1，電阻R1，R2, R3,電容C4及基準源Z2組成的穩壓電路，由電容Cl, C3組成的儲 能電路=部分構成。其中電感Ll與電容Cl串聯組成濾波電路，電感Ll串聯在主回路，電容 Cl并聯主回路，電阻R1，R3組成分壓電路連接運放同相輸入端，電阻R34與基準源串聯，基 準連接運放的反相輸入端，電容C4與基準源并聯。運放的輸出端連接功率MOS管的G極， 電阻R3作為下拉電阻并聯在功率MOS管的G極。
[0033] 所述的信號調理電路包括由6個結構與原理相同電路組成，其中每個信號調理電 路都由電阻、電容、運放組成。A相sampA+信號經過電阻R6與電容巧組