专利名称：三相电路的缺零检测方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种三相电路的缺零检测方法及装置，用于在三相四线制线路中检测零线是否断线。
对于三相四线输入的设备，零线是必不可少的，如果零线发生断路，可能会导致用电设备故障，甚至使设备烧毁。所以缺零保护对于许多三相四线的用电设备是非常重要的，但是现有的检测手段存在检测不敏感或过于敏感，容易发生误报警等问题。
在三相电压平衡的情况下，零线的电压相对于三相电压瞬时值之和为零，根据零线上的电压很难检测零线是否断路，所以缺零检测一般要检测零线的电流，如果零线上的电流为零，即认为零线断路。但是大部分三相四线用电设备在空载时零线电流很小，要分辨出这个很小的电流存在一定的困难，如果检测方法不当，很可能造成空载时的误报警，所以对检测精度和分辨率提出很高的要求，当前一般采用以下两种缺零检测方法。
一、在零线上串联检测电阻的缺零检测方法最常见的缺零检测方法是在零线上串联一个阻值很小的采样电阻，通过检测电阻上的压降就可以检测到零线上的电流，原理如
图1所示。这种方法的缺陷在于电阻阻值的选取与电阻的功率成为一对矛盾，为了提高检测精度，应尽量选取较大阻值的电阻，但是三相四线用电设备的功率一般较大，在满载时零线电流一般都在几十安培以上，甚至达到几百安培，针对这个范围的电流，采样电阻的大小一般应在10毫欧姆以下，否则电阻上将产生很大的发热；但在空载情况下，零线电流很小，甚至小于1A，这时采集到的电压信号只有10mV左右，这个电压信号很容易受到外部磁场或线路干扰的影响，导致检测失败，甚至出现误报警，导致系统不能正常工作。而且这种检测方法将功率电路与检测电路(弱电电路)无隔离地连接在一起，容易对用电设备造成干扰。
二、采用电流传感器的缺零检测方法为了避免电阻检测中电阻发热和干扰问题，在一些设备中采用隔离的电流检测方法，一般是采用霍耳电流传感器或电流互感器检测电流，这种方法的原理如图2所示。
这种方法虽然避免了电阻发热，并解决了检测电路与功率电路不隔离的问题，但是同样存在传感器检测精度和分辨率不高的问题，一般传感器的精度只能达到0.5级，在空载情况下同样容易发生误报警。并且这种检测方法必须采用精度和分辨率较高的电流传感器，提高了设备的成本。
本发明的目的就是为了解决以上问题，提供一种三相电路的缺零检测方法及装置，成本低，易于实现，可靠性高。
为实现上述目的，本发明提出一种三相电路的缺零检测方法及装置。
所述三相电路的缺零检测方法的特征是使零线从电流互感器中穿过，根据电流互感器的输出对零线上的电流进行检测，判断是否缺零线或是否零线已断路。
所述三相电路的缺零检测装置包括电流传感器及检测电路，其特征是所述电流传感器是电流互感器，被测零线从所述电流互感器中穿过。
由于采用了以上的方案，采用电流互感器作为电流传感器，成本低且易于实现。由于电流互感器是一种磁性元件，可利用其非线性工作区的特性，让实际工作电流的检测落入非线性区，大大增加了可靠性。
图1是现有技术中在零线上串联一个电阻进行检测的示意图。
图2是现有技术中采用电流传感器进行检测的示意图。
图3是磁性元件的典型平均磁化曲线示意图。
图4是本发明中的电流互感器的特性曲线示意图。
图5是实际检测电路方框图。
图6是一个具体电路示意图。
下面通过具体的实施例并结合附图对本发明作进一步详细的描述。
从图1、2可知，现有技术的缺零检测方法都是建立在零线电流的线性检测的基础上的，存在检测时既要考虑到满载时的大电流检测，同时又要解决设备空载时的小电流检测的矛盾。针对这个问题，本发明提出一种新的缺零检测方法，这种检测方法是基于电流的非线性检测的，可以很好地解决上述的矛盾。
本发明的基础是利用了磁性元件的非线性特性。一般的磁性元件都有一个线性工作区，如果激磁磁势超过该元件的线性工作范围，该元件将进入饱和区(非线性区)，图3为磁性元件的典型平均磁化曲线，图中H为磁场强度，B为磁通密度，a、b、c、d分别为曲线上的四个阶段点。
一般在使用磁性元件时，都希望磁路工作在线性区(A-B段)，例如变压器，电流传感器等，否则器件的特性将变差，严重时将导致器件毁坏。
本发明的三相电路的缺零检测方法和装置中，电流传感器是互感器，使零线从电流互感器中穿过，根据电流互感器的输出对零线上的电流进行检测，判断是否缺零线或是否零线已断路。
本发明为了实现缺零检测，人为设计一个饱和的电流互感器，即利用了磁性元件的非线性工作区(C-D段)，将互感器的特性设计为深度饱和的，这样可以将小电流区放大，即可实现缺零检测的目的。
为了利用电流互感器的非线性特性(如图3所示)，调节所述电流互感器的线圈匝数N、选择磁芯的平均周长L和磁芯的相对磁导率μ，使得当零线上通过的电流为最小工作电流Imin时，互感器工作于非线性工作区。选择缺零的判断点Idet＜Imin，并且处于互感器的线性工作区，这样，在零线上的电流为大电流时，所测得的信号电压已经饱和，不会太大，使得小电流的检测准确而可靠。
具体的调节方法是调节所述电流互感器的线圈匝数N、磁芯的平均周长L和磁芯的相对磁导率μ，使得BmL/(Nμμ0)＜Imin，其中Bm为磁芯材料的饱和磁密，μ0为真空磁导率。即在正常工作时，互感器工作于非线性工作区。一般而言，一般可以将饱和点设计得较低，使零线电流为几个安培时传感器的输出就出现饱和(与电路的实际容量有关)。利用这个传感器就可以将饱和点以内的小电流区放大，提高了小电流区的检测精度和分辨率。只要在这个小电流区(线性区)内设置一个合适的缺零检测点Idet，就可以实现可靠的缺零检测。例如，可以设定成当零线上的电流大于2Idet时，互感器进入非线性工作区。上式中，BmL/(Nμμ0)实际上是磁芯在不饱和时的最大零线电流，因此，只需使BmL/(μμ0)=2I det，即可满足上述的条件。
作为一个例子，用下述方法可以制做一个合适的电流互感器用一个导磁率较高的磁环，将零线从磁环中孔穿过，在磁环上绕几匝线圈，线圈的匝数可以根据磁环的尺寸和导磁率以及需要获得的饱和点计算得出，一般匝数为3～10匝即可，这样就得到深饱和特性的电流传感器，其特性曲线如图4所示，图中U为输出信号电压，I为被测电流(零线电流)。
由于传感器的输出是一个交流电压，所以要对这个交流电压信号进行整流、滤波处理，得到一个相对稳定的直流电压，滤波参数的选取要合适，如果滤波参数太大，会使检测的响应速度较慢，使检测的效果变差或起不到缺零检测的目的；如果滤波参数太小，又会使设备容易发生误报警。由于三相系统中的零线电流一般为3n次谐波(n为电网的基波频率)或更高次的谐波，选择滤波时间常数为10ms左右即可以达到较好的滤波效果，图5是一个实际检测电路方框图，图6是其具体检测电路示意图。
用图6所示电路配合上述非线性的电流互感器进行三相UPS的零线检测实验，得到了较好的效果。
本发明所公开的方法和装置可广泛用于所有的三相四线制系统中，具有很大的实用价值
权利要求
1.三相电路的缺零检测方法，其特征是使零线从电流互感器中穿过，利用互感器的非线性特性，根据电流互感器的输出对零线上的电流进行非线性检测，判断是否缺零线或是否零线已断路。
2.如权利要求1所述的三相电路的缺零检测方法，其特征是调节所述电流互感器的线圈匝数N、选择磁芯的平均周长L和磁芯的相对磁导率μ，使得当零线上通过的电流为最小工作电流Imin时，互感器已经工作于非线性工作区。
3.如权利要求2所述的三相电路的缺零检测方法，其特征是调节所述电流互感器的线圈匝数N、选择磁芯的平均周长L和磁芯的相对磁导率μ，使得BmL/(Nμμ0)＜Imin，其中Bm为磁芯材料的饱和磁密，μ0为真空磁导率。
4.如权利要求1或2或3所述的三相电路的缺零检测方法，其特征是将互感器的输出信号经整流、滤波后进行检测，根据检测的结果判断是否缺零线或是否零线已断路。
5.三相电路的缺零检测装置，包括电流传感器及检测电路，其特征是所述电流传感器是电流互感器，被测零线从所述电流互感器中穿过。
6.如权利要求5所述的三相电路的缺零检测装置，其特征是当零线上通过的电流为最小工作电流Imin时，互感器已经工作于非线性工作区。
7.如权利要求6所述的三相电路的缺零检测装置，其特征是所述电流互感器的线圈匝数N、磁芯的平均周长L和磁芯的相对磁导率μ之间满足BmL/(Nμμ0)＜Imin，其中Bm为磁芯材料的饱和磁密，μ0为真空磁导率。
8.如权利要求1或2或3所述的三相电路的缺零检测装置，其特征是还包括整流装置、滤波装置，互感器的输出端依次接整流、滤波装置，然后接检测装置。
全文摘要
本发明公开一种三相电路的缺零检测方法及装置，三相电路的缺零检测方法，其特征是使零线从电流互感器中穿过，根据电流互感器的输出对零线上的电流进行检测，判断是否缺零线或是否零线已断路。其中互感器在三相电路正常工作时处于非线性区。本发明具有成本低，易于实现，可靠性高等优点，是一种很好的缺零检测方法。
文档编号G01R31/00GK1317697SQ0111890
公开日2001年10月17日 申请日期2001年5月15日 优先权日2001年5月15日
发明者郑大鹏, 杨戈戈 申请人:深圳市安圣电气有限公司