一种任意波形下无死区漏电保护方法及装置与流程

本发明涉及一种对偏离正常电工作情况的不希望有的变化直接起反应的自动断开紧急保护电路装置，特别是一种任意波形下无死区漏电保护方法及装置。

背景技术：

剩余电流动作保护技术(漏电保护技术)是低压电网中广泛应用的一种防止漏电火灾和人身触电事故的技术。由于线路分布阻抗和用电设备正常泄漏电流的作用，在三相供电线路中存在一定的正常漏电电流，即固有漏电电流。该电流分布于电网不同位置和不同用电设备中，其危害远小于集中于一点的漏电产生的危害，既不会影响用电设备正常工作，也不会引起人身安全问题。然而，当有设备漏电或有人触电时，故障漏电或触电电流与电网中固有的漏电电流的相位可能相反，造成剩余电流不仅不增大，反而减小，此时漏电保护器应当动作而不能动作，出现漏电保护死区，以至于引起漏电损失和触电伤亡事故。随着变频器、医疗设备和ups等非线性负载的不断增多，漏电电流并不完全是正弦信号，可能是任意波形的复杂信号，使漏电保护死区问题变得更加复杂。

剩余电流动作保护器(漏电保护器)是低压电网中的一种重要设备，在防止漏电火灾和保护人身触电方面起着重要的作用。目前，变频器、医疗设备和ups系统在工业上的应用越来越广泛，当它们发生故障时，有可能产生频率高达1khz的高频剩余电流甚至是平滑直流剩余电流，但是现有的漏电保护器只能检测和保护工频范围内的剩余正弦交流或剩余脉动直流漏电电流，不能检测和保护这些高频或平滑直流漏电电流。

为了克服这个问题，许多人提出了解决方案：

专利ep356344b1公开了一种对ac、dc或周期性故障电流灵敏的对地漏电保护装置。这种装置包括由激磁电路交替激磁的2个次级绕组。根据由对地漏电故障电流引起的磁场的偏移和磁路的饱和，利用时间积分(integrationtimes)测量故障信号。

专利us4276510公开了一种用于检测对地漏电故障电流的装置，其具有一环形铁心形式的互感器。在这种装置中，处理电路能使一返回或补偿电流向回发送到环形铁心，以补偿由故障电流引起的偏移。在这种情况下，由于补偿电流与故障电流成比例，提供取决于补偿电流的测量信号以用于处理故障。

总之，已有的技术都没有很好地解决剩余电流保护装置中存在的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决上述问题，设计了一种任意波形下无死区漏电保护方法及装置，该保护器能够实现对电网频率及其倍频剩余正弦交流、剩余脉动直流和剩余平滑直流漏电电流的检测和保护。用于该保护器的互感器的环形铁心采用软磁材料(矫顽力<3a/m，剩磁>0.5t,初始磁导率>1000)制成，在铁心上绕有次级绕组，用于施加激励信号。

实现上述目的本发明的技术方案为，一种任意波形下无死区漏电保护方法及装置，包括互感器1、激磁电压源2、激磁电压频率检测电路3、低通滤波器4、信号放大电路5、电网频率检测电路6、微处理器7、脱扣电路8、脱扣器9、漏电保护器10、电源11及采样电阻12，所述a、b、c相线和中线n穿过互感器1，采样电阻12、互感器次级绕组串联与激磁电压源2三者串联，低通滤波器4和信号放大电路5组成信号调理电路，所述采样电阻12一端通过信号调理电路连接微处理器7；所述频率检测电路3的输入与激磁电压源2连接，所述频率检测电路3的输出与微处理器7连接；微处理器7输出与脱扣电路8连接，脱扣电路8的输出与脱扣器9相连，脱扣器9的动作受微处理器7的控制，所述脱扣器9与漏电保护器10连接，所述电源11与各部分电路连接。

所述的漏电保护器10为漏电断路器或漏电继电器。

所述激磁电压源2是由r14、r19、r20、r21、r22、r23、三极管q2、q3和放大器u5b构成的、差分运算放大器u8a和由r24构成的采样电阻12串联。

所述电源11由变压器t1、二极管d1、d2、d3、d4、d5、d6、d7、d8、d9、d10、d11、集成稳压器u2、光耦u3、电容c1、c2、c3、c4、c5、c6、c7、c8、c14、电感l1、l2和电阻r1组成，t1输出的电压经二极管d1、d6整流后输出到电感l1、l2。

所述激磁电压频率检测电路3由d15、r16、r17构成，由激磁电压源2发出的方波信号通过激磁电压频率检测电路3输入微处理器7。

所述低通滤波器4是由r32、c27及运算放大器u9a构成的电压跟随器组成一个一阶滤波器和由运算放大器u9b、r26、r30、r31、c25、c26构成的二阶滤波器共同构成的三阶滤波器组成。

所述信号放大电路5由运算放大器u9c和r27、r28、r29、r33、r34构成，所述低通滤波器4和信号放大电路5构成的信号调理电路将漏电信号调理后经r25输送到微处理器7。

所述电网频率检测电路6由运算放大器u6a，r8、r9、r29、d12、d13构成，电网频率信号被整形成方波后经r10输入到微处理器7。

所述脱扣电路8和脱扣器9组成的开关装置通过r11、q1和继电器k1受微处理器(7)的控制。

所述u1、c9、c10、c11、c12、c13、ds1-ds25、r2、r5、r6、r7、res1d、res2a构成按键/显示电路，按键/显示电路与微处理器7连接并受微处理器7控制。

a、b、c相线和中线n穿过互感器1，采样电阻12、互感器次级绕组串联与激磁电压源2三者串联，低通滤波器4和信号放大电路5组成信号调理电路，其从采样电阻12取出信号并将调理后的信号输入微处理器7；频率检测电路3与激磁电压源2连接，检测激磁电压频率，并将检测结果传送给微处理器7；微处理器7与脱扣电路8连接，脱扣电路8与脱扣器9相连，脱扣器9的动作受微处理器7的控制，漏电保护器10最终在微处理器的控制下完成脱扣动作以切断故障电路；电源11与各部分电路连接，并为它们供电。

所述的漏电保护器10为漏电断路器或漏电继电器。

本发明的一种任意波形下无死区漏电保护方法及装置实现保护功能的过程和运行方法是：

1、激磁电压源2产生一定频率的方波激励电压，施加到采样电阻12和互感器1次级绕组的串联回路里。当线路中没有漏电电流时，该串联回路中的电流具有正负对称的形式，此时，经低通滤波器4、信号放大电路5是初步处理的信号，微处理器计算的漏电电流值为零。

2、当线路中存在一个频率不高于方波激励源频率一半的脉动直流漏电或者任意波形交流固有漏电电流时，采样电阻12和互感器1次级绕组的串联回路中的电流随着漏电电流而变化，低通滤波电路4和信号放大电路5对采样电阻12上得电压取样、滤波和放大后，将得到的初步信号输入微处理器7进行a/d转换；激磁电压频率检测电路3和电网频率检测电路6输出的方波频率和电网频率也输入微处理器7，微处理器7根据方波频率对初步信号进行数字滤波，并根据电网频率将滤波后的信号进行傅立叶展开，计算以电网频率为基频的分量和各次倍频分量的幅值和相角；当线路中出现故障漏电时，微处理器会计算出新的基频及其倍频分量的幅值和相角，并与故障前的各对应频次分量进行向量计算，从而得到故障漏电的真实幅值和相角，当故障漏电真实有效值达到或超过漏电动作电流阈值时，微处理器7延时设定时间后发出脱扣命令，通过脱扣电路8驱动脱扣器9使漏电保护器10动作，漏电保护器10切断故障电路，使故障漏电得到保护。

3、当线路中存在一个平滑直流漏电电流时，采样电阻12和互感器1次级绕组的串联回路中的电流会出现正负不对称，产生一个固定的偏移，低通滤波电路4和信号放大电路5对采样电阻12上得电压取样、滤波和放大后，微处理器7通过相关计算得到故障漏电电流值：当漏电电流达到或超过漏电动作电流阈值时，微处理器7延时设定时间后发出脱扣命令，通过脱扣驱动电路8驱动脱扣器9使漏电保护器10动作，漏电保护器10切断故障电路，使故障漏电得到保护。

利用本发明的技术方案制作的一种任意波形下无死区漏电保护方法及装置，与现有技术相比，具有以下优点：

本发明的一种任意波形下无死区漏电保护方法及装置能够实现对任意波形交流、剩余脉动直流和剩余平滑直流漏电电流的检测和保护。本发明的一种任意波形下无死区漏电保护方法及装置的互感器采用单铁芯结构，且仅有一个次级绕组，其结构简单；此外，本发明的一种任意波形下无死区漏电保护方法及装置对互感器的磁芯材料没有特殊要求，采用一般的商用软磁材料(矫顽力<3a/m，剩磁>0.5t,初始磁导率>1000)即可，方便生产并具有较高的性价比。与现有技术相比，既克服了因互感器采用双铁芯或单铁芯双二次绕组而使结构复杂的不足，又克服了因对互感器铁芯材料有特殊要求而造成对制造工艺要求较高且成本较高的不足；并且能够检测任意波形的故障漏电电流，能够满足随非线性负荷日益增多而产生高次谐波或平滑直流故障漏电电流情况下的漏电保护的要求。

附图说明

图1是本发明所述一种任意波形下无死区漏电保护方法及装置的各组成部分之间的连接框图；

图2是本发明所述一种任意波形下无死区漏电保护方法及装置的电源电路；

图3是本发明所述一种任意波形下无死区漏电保护方法及装置的振荡电路；

图4是本发明所述一种任意波形下无死区漏电保护方法及装置的显示及按键电路；

图5是本发明所述一种任意波形下无死区漏电保护方法及装置的单片机外围电路；

图6是本发明所述一种任意波形下无死区漏电保护方法及装置的电网频率检测电路；

图7是本发明中微处理器实现保护功能的操作流程图；

图8是本发明中微处理器电网电压中断服务程序的操作流程图；

图9是本发明所述一种任意波形下无死区漏电保护方法及装置的电路总图；

图中，1、互感器；2、激磁电压源；3、激磁电压频率检测电路；4、低通滤波器；5、信号放大电路；6、电网频率检测电路；7、微处理器；8、脱扣器驱动；9、脱扣器；10、漏电保护器；11、电源；12、采样电阻。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行具体描述，如图1-9所示，一种任意波形下无死区漏电保护方法及装置，包括互感器1、激磁电压源2、激磁电压频率检测电路3、低通滤波器4、信号放大电路5、电网频率检测电路6、微处理器7、脱扣电路8、脱扣器9、漏电保护器10、电源11及采样电阻12，所述a、b、c相线和中线n穿过互感器1，采样电阻12、互感器次级绕组串联与激磁电压源2三者串联，低通滤波器4和信号放大电路5组成信号调理电路，所述采样电阻12一端通过信号调理电路连接微处理器7；所述频率检测电路3的输入与激磁电压源2连接，所述频率检测电路3的输出与微处理器7连接；微处理器7输出与脱扣电路8连接，脱扣电路8的输出与脱扣器9相连，脱扣器9的动作受微处理器7的控制，所述脱扣器9与漏电保护器10连接，所述电源11与各部分电路连接。其中，所述的漏电保护器10为漏电断路器或漏电继电器；所述激磁电压源2是由r14、r19、r20、r21、r22、r23、三极管q2、q3和放大器u5b构成的、差分运算放大器u8a和由r24构成的采样电阻12串联；所述电源11由变压器t1、二极管d1、d2、d3、d4、d5、d6、d7、d8、d9、d10、d11、集成稳压器u2、光耦u3、电容c1、c2、c3、c4、c5、c6、c7、c8、c14、电感l1、l2和电阻r1组成，t1输出的电压经二极管d1、d6整流后输出到电感l1、l2；所述激磁电压频率检测电路3由d15、r16、r17构成，由激磁电压源2发出的方波信号通过激磁电压频率检测电路3输入微处理器7；所述低通滤波器4是由r32、c27及运算放大器u9a构成的电压跟随器组成一个一阶滤波器和由运算放大器u9b、r26、r30、r31、c25、c26构成的二阶滤波器共同构成的三阶滤波器组成；所述信号放大电路5由运算放大器u9c和r27、r28、r29、r33、r34构成，所述低通滤波器4和信号放大电路5构成的信号调理电路将漏电信号调理后经r25输送到微处理器7；所述电网频率检测电路6由运算放大器u6a，r8、r9、r29、d12、d13构成，电网频率信号被整形成方波后经r10输入到微处理器7；所述脱扣电路8和脱扣器9组成的开关装置通过r11、q1和继电器k1受微处理器(7)的控制；所述u1、c9、c10、c11、c12、c13、ds1-ds25、r2、r5、r6、r7、res1d、res2a构成按键/显示电路，按键/显示电路与微处理器7连接并受微处理器7控制。

实施例1

图1表明，本发明的交直流敏感型剩余电流保护器由互感器(1)、激磁电压源(2)、激磁电压频率检测电路(3)、低通滤波器(4)、信号放大电路(5)、电网频率检测电路(6)、微处理器(7)、脱扣电路(8)、脱扣器(9)、漏电保护器(10)、电源(11)及采样电阻(12)。

其连接关系是：a、b、c相线和中线n穿过互感器(1)，采样电阻(12)与互感器次级绕组与激磁电压源(2)串联，低通滤波器(4)和信号放大电路(5)组成的信号调理电路从采样电阻(12)取出信号，并将处理后的信号输入微处理器(7)；激磁电压源(2)输出方波信号给激磁电压频率检测电路(3)，并将检测结果传送给微处理器(7)；微处理器(7)与脱扣电路(8)连接，脱扣电路(8)与脱扣器(9)相连，脱扣器(9)的动作受微处理器(7)的控制，漏电保护器(10)最终在微处理器的控制下完成脱扣动作以切断故障电路；电源(11)与各部分电路连接，并为它们供电。

互感器(1)采集到的电流信号经采样电阻(12)取出信号，经低通滤波器(4)和信号放大电路(5)组成的信号调理电路，滤波、放大后输入到微处理器(7)进行模数转换；激磁电压频率检测电路(3)和电网频率检测电路(6)也将检测到的方波频率和电网频率输送给微处理器(7)，微处理器(7)对采集的电参量进行分析和判断，完成漏电、过载、电压异常保护，其工作过程和运行方法是：

(a)互感器(1)检测电网中的剩余电流信号，并经采样电阻(12)取出信号，通过低通滤波器(4)和信号放大电路(5)组成的信号调理电路处理放大后输入到微处理器(7)进行模数转换；激磁电压频率检测电路(3)和电网频率检测电路(6)输出的方波频率和电网频率也输入微处理器(7)；微处理器(7)根据采样频率和窗口周期对剩余电流信号进行采集，转第(b)步；

(b)微处理器(7)不断对输入到微处理器(7)的一个周期的采样值进行平均值计算和线性插值计算，从而得到平滑直流漏电电流值，转第(c)步；

(c)当直流漏电电流值没有超过直流阈值时，转第(d)步；当直流漏电电流值超过预先设定的阈值时，微处理器(7)延时设定时间后发出脱扣命令，通过脱扣电路(8)驱动脱扣器(9)使漏电保护器(10)动作，漏电保护器(10)切断故障电路，使故障漏电得到保护，并转(a)步。

(d)微处理器(7)根据方波频率及电网频率得到磁调制载波信号和剩余电流的周期，根据方波频率对不断对输入到微处理器(7)的剩余电流信号进行数字滤波和fft运算，计算信号以电网频率为基频的分量和其倍频分量的幅值和相角，计算得到的各个分量的向量与前一个采样周期计算得到的对应分量的向量进行向量作差运算，从而得到各频次分量变化量向量，计算这些变化量向量的有效值，转第(e)步；

(e)当各频次变化量向量的有效值均没有超过各自的阈值时，转第(a)步；当任意频次分量有效值超过预先设定的阈值时，微处理器(7)延时设定时间后发出脱扣命令，通过脱扣电路(8)驱动脱扣器(9)使漏电保护器(10)动作，漏电保护器(10)切断故障电路，使故障漏电得到保护，并转(a)步。

如图2所示，互感器(1)穿过电力线路的a、b、c相线与中性线n，互感器(1)与由r14、r19、r20、r21、r22、r23、三极管q2、q3和放大器u5b构成的激磁电压源(2)、差分运算放大器u8a和由r24构成的采样电阻(12)串联。

如图2所示，电源(11)由变压器t1、二极管d1、d2、d3、d4、d5、d6、d7、d8、d9、d10、d11、集成稳压器u2、光耦u3、电容c1、c2、c3、c4、c5、c6、c7、c8、c14、电感l1、l2和电阻r1组成。t1输出的电压经二极管d1、d6整流后输出到电感l1、l2，并输出+12v和-12v，c1、c2、c5、c6对电源进行滤波。

如图2所示，由u4、c16、c17、c18、c19构成的电源电路，将+12v转换为+5v。

如图2所示，由r3、r4、c5和运算放大器u5a构成的电源电路，将+12v转换为电平反转阈值电压输送给差分运算放大器u8a。

如图2所示，激磁电压频率检测电路(3)由d15、r16、r17构成，并将由激磁电压源(2)发出的方波信号输入微处理器(7)。

如图2所示，低通滤波器(4)由r32、c27及运算放大器u9a构成的电压跟随器组成一个一阶滤波器和由运算放大器u9b、r26、r30、r31、c25、c26构成的二阶滤波器共同构成的三阶滤波器组成。

如图2所示，信号放大电路(5)由运算放大器u9c和r27、r28、r29、r33、r34构成。

如图2所示，低通滤波器(4)和信号放大电路(5)构成的信号调理电路将漏电信号调理后经r25输送到微处理器(7)。

如图2所示，电网频率检测电路(6)由运算放大器u6a，r8、r9、r29、d12、d13构成。电网频率信号被整形成方波后经r10输入到微处理器u7(7)，微处理器u7(7)采用内部定时器对电源信号进行计时测量，当电网频率变化时，微处理器u7(7)的定时器值也就改变，实现对电网频率的自动跟踪，使得微处理器u7(7)在进行信号采集时周期内采集的数据恒定，降低了数据处理的误差，提高了测量精度。

如图2所示，脱扣电路(8)和脱扣器(9)组成的开关装置通过r11、q1和继电器k1受微处理器(7)的控制，在漏电电流、负荷电流或线路电压达到或超过动作阈值时微处理器(7)延时设定时间后发出脱扣命令，使开关装置动作，开关装置切断故障电路。其中，电源电路为脱扣装置提供+12v供电，以保证即使是在线路停电的条件下装置仍能够完成脱扣动作。

如图2所示，本发明中的微处理器u7(7)接受低通滤波器(4)和信号放大电路(5)构成的信号调理电路滤波、放大后的信号和激磁电压频率检测电路(3)、电网频率检测电路(6)的信号，控制按键/显示电路(12)、实时时钟电路(13)。微处理器u7(7)对采样值进行分析和判断，其过程和方法是：

(a)互感器(1)检测电网中的剩余电流信号，并经采样电阻(12)取出信号，通过低通滤波器(4)和信号放大电路(5)组成的信号调理电路处理放大后输入到微处理器(7)进行模数转换；激磁电压频率检测电路(3)和电网频率检测电路(6)输出的方波频率和电网频率也输入微处理器(7)；微处理器(7)根据采样频率和窗口周期对剩余电流信号进行采集，转第(b)步；

(b)微处理器u7(7)不断对输入到微处理器u7(7)的一个周期的采样值进行平均值计算和线性插值计算，从而得到平滑直流漏电电流值，转第(c)步；

(c)当直流漏电电流值没有超过直流阈值时，转第(d)步；当直流漏电电流值超过预先设定的阈值时，微处理器u7(7)延时设定时间后发出脱扣命令，通过脱扣电路(8)驱动脱扣器(9)使漏电保护器(10)动作，漏电保护器(10)切断故障电路，使故障漏电得到保护，并转(a)步。

(d)微处理器u7(7)根据方波频率及电网频率得到磁调制载波信号和剩余电流的周期，根据方波频率对不断对输入到微处理器u7(7)的剩余电流信号进行数字滤波和fft运算，计算输入信号的以电网频率为基频的分量和其倍频分量的幅值和相角，计算得到的各个分量的向量与前一个采样周期计算得到的对应分量的向量进行向量作差运算，从而得到各频次分量变化量向量，计算这些变化量向量的有效值，转第(e)步；

(e)当各频次变化量向量的有效值均没有超过各自的阈值时，转第(a)步；当任意频次分量有效值超过预先设定的阈值时，微处理器u7(7)延时设定时间后发出脱扣命令，通过脱扣电路(8)驱动脱扣器(9)使漏电保护器(10)动作，漏电保护器(10)切断故障电路，使故障漏电得到保护，并转(a)步。

如图2所示，按键/显示电路(12)由u1、c9、c10、c11、c12、c13、ds1-ds25、r2、r5、r6、r7、res1d、res2a构成，与微处理器(7)连接并受微处理器(7)控制。显示电路(12)显示当前状态、动作时间及引起动作的原因和故障值。键盘(12)用于选择额定动作值、动作时间以及查询历史记录。

图3表明本发明中微处理器实现保护功能的操作程序：

(1)微处理器开始上电后，对寄存器及变量进行初始化，初始化完成后转第(2)步；

(2)根据采样频率和窗口周期对漏电电流信号进行采集；

(3)对一个采样周期的采样值作平均值计算，并且根据直流漏电插值表进行插值运算，计算当前平滑直流漏电电流值，转第(4)步；

(4)将计算得到的平滑直流漏电与直流阈值进行比较，如果大于该阈值则发出脱扣指令，否则转第(5)步；

(5)微处理器(7)根据激励电压频率检测电路(3)输入的方波频率确定的数字滤波截至频率并进行滤波；以电网频率检测电路(6)检测到的的电网频率作为基频频率，对数字滤波后的信号进行fft运算，计算基频和各次倍频的幅值和相角，转第(6)步；

(6)将本采样周期与上个采样周期的各对应频次分量的向量相减，得到各频次的变化量向量，计算各变化量向量的幅值并与对应频次阈值进行比较，如果任一分量的幅值大于对应阈值则发出脱扣指令，否则继续返回主程序下一周期的采样和处理。

图4表明本发明中微处理器电网电压中断服务程序的流程图的操作程序：

(1)在线路未发生故障的条件下，微处理器周期性地检测发送标志位的状态，当检测到发送标志位置1时，转入第(3)步，当校准周期计数器没有溢出时，返回主程序，当校准周期计数器溢出时，启动电网周期计时器t，经过一个电网周期后，定时器t停止计时，转入第(4)步；

(2)校准标志位置1；

(3)检测校准标志位是否为1，当校准标志位为1时，电网电压频率信号输入微处理器，当校准标志位为1时，转入第(3)步；当校准标志位不为1时，转入第(1)步；

(4)关闭电网周期定时器t，转入第(5)步；

(5)微处理器根据定时器t的计时时间计算出电网频率fe，转入第(6)步；

(6)根据电网检测频率电路(6)校准频率，并将标志位清零，转入第(7)步；

(7)再根据电网检测频率电路(6)校准频率，将计数器清零，并返回主程序。

上述技术方案仅体现了本发明技术方案的优选技术方案，本技术领域的技术人员对其中某些部分所可能做出的一些变动均体现了本发明的原理，属于本发明的保护范围之内。