专利名称:抗谐波干扰型剩余电流动作保护装置制造方法
【专利摘要】一种抗谐波干扰型剩余电流动作保护装置，包括：电流信号检测单元获取供电线路中的剩余电流；电流预处理单元对剩余电流的谐波进行滤波，并对剩余电流信号进行预处理，使得剩余电流信号幅度达到剩余电流检测单元所能处理的电平范围；剩余电流检测单元对预处理后的剩余电流进行电流幅值和谐波含量分析，并产生分合控制信号；分合控制单元基于分合控制信号，接通或分断供电线路；其中，当预处理后的剩余电流电流值超过电流阈值，且预处理后的谐波含量超过设定阀值，所述剩余电流检测单元控制分合控制单元可不执行分断操作。
【专利说明】抗谐波干扰型剩余电流动作保护装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及剩余电流动作保护【技术领域】，尤其涉及一种抗谐波干扰型剩余电流动作保护装置。
【背景技术】
[0002]目前普遍在用的剩余电流动作保护装置都是以检测到的剩余电流值的大小作为判据的，只要检测到线路中的剩余电流大小超过预先设定的阀值，该保护装置即执行保护动作。随着广大用户的生活水平的提高和清洁能源的应用，变频设备的应用容量在快速增长，光伏发电的装机容量也在飞速提高，这些非线性设备的大量应用，对电压电网的谐波污染也大幅提高。低压电网中谐波含量的大幅增加，直接影响到低压电网中广泛应用的剩余电流动作保护装置的正常运行。由于谐波的频率较高，低压电网的供电线路存在固有的分布电容，对于50Hz的基波来说，该固有分布电容引起的泄漏剩余电流较小，但对于谐波来说，线路中的固有分布容抗会随着频率的增加而减小，从而导致线路中的泄漏剩余电流增加，尤其是3n次谐波，对于这些3n次谐波线路中的泄漏剩余电流将以3倍的幅度增长。这将大幅增加低压电网中应用的剩余电流动作保护装置的误动作几率，从而影响到电压电网的供电可靠性。
[0003]基于上述低压电网中剩余电流的谐波分析，现在对于剩余电流动作保护装置提出了更严格的要求，要求剩余电流动作保护装置具有抗谐波干扰功能，使剩余电流动作保护器不受电网中的谐波干扰，可有效地保证低压电网的正常运行。
实用新型内容
[0004]本实用新型解决的问题是提供一种抗谐波干扰型剩余电流动作保护装置，可以对线路中检测出来的剩余电流进行谐波处理及分析，计算出检测到剩余电流中的总谐波含量，以此总谐波含量作为剩余电流动作保护装置的超限动作辅助判据，提高剩余电流动作保护装置的抗误动作能力。
[0005]为解决上述问题，本实用新型实施例提供一种抗谐波干扰型剩余电流动作保护装置，包括:电流信号检测单元、电流预处理单元、剩余电流检测单元和分合控制单元；
[0006]所述电流信号检测单元用于获取供电线路中的剩余电流；
[0007]所述电流预处理单元，对剩余电流的谐波进行滤波，并对剩余电流信号进行预处理使得剩余电流信号幅值达到剩余电流检测单元所能处理的电平范围；
[0008]所述剩余电流检测单元对预处理后的剩余电流进行剩余电流幅值和谐波分析，并产生分合控制信号；
[0009]所述分合控制单元基于分合控制信号，接通或分断供电线路；
[0010]其中，当预处理后的剩余电流幅值超过剩余电流动作阈值，且预处理后的谐波含量超过设定谐波含量阀值，所述剩余电流检测单元控制分合控制单元可不执行分断操作。
[0011]可选的，所述电流预处理单元包括信号放大器、谐波滤波器和电平转换器。
[0012]可选的，所述谐波滤波器包括:第一电容、第二电容、第一负载电阻、第二电阻、第三电阻、第一限幅二极管、第二限幅二极管和运算放大器，所述第一电容为去偶电容，所述第一电容、第一负载电阻、第一限幅二极管、第二限幅二极管与电流信号检测单元并联且所述第一限幅二极管和第二限幅二极管的方向相反，所述第二电容、第二电阻、第三电阻和运算放大器构成低通滤波放大器，其中第二电容、第三电阻组成RC谐振回路。
[0013]可选的，所述电流信号检测单元为零序电流互感器。
[0014]可选的，所述剩余电流检测单元包括A/D转换电路、电流值检测电路、谐波含量检测电路和比较电路，预处理后的剩余电流经过A/D转换，利用电流幅值计算和谐波含量分析获取剩余电流幅值和剩余电流中的谐波含量，将测得的剩余电流幅值与剩余电流动作阈值进行比较，将测得的谐波含量与设定谐波含量阀值进行比较，判断出是否需要接通或分断供电电路，产生对应的分合控制信号。
[0015]可选的，所述剩余电流检测单元集成在MCU中。
[0016]可选的，所述MCU为意法半导体公司生产的具体型号为STM32F103RBT6的M3核ARM高性能微控制器。
[0017]可选的，还包括告警信号输出单元，当预处理后的剩余电流电流值超过电流阈值，且预处理后的谐波含量超过设定阀值，利用告警信号输出单元发出告警信号。
[0018]与现有技术相比，本技术方案具有以下优点:
[0019]本实用新型先对剩余电流进行谐波滤波并进行预处理，然后对线路中检测出来的剩余电流进行谐波处理及分析，计算出检测到剩余电流中的总谐波含量，以此总谐波含量作为剩余电流动作保护装置的超限动作辅助判据，提高剩余电流动作保护装置的抗误动作能力。
【附图说明】
[0020]图1是本实用新型实施例的抗谐波干扰型剩余电流动作保护装置的结构示意图；
[0021]图2是本实用新型实施例的谐波滤波器和电平转换模块的结构示意图；
[0022]图3是本实用新型实施例的基准电平发生模块的结构示意图；
[0023]图4是本实用新型实施例的同步信号发生模块的结构示意图。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图，通过具体实施例，对本实用新型的技术方案进行清楚、完整的描述。
[0025]请参考图1，图1是本实用新型实施例的抗谐波干扰型剩余电流动作保护装置，包括:电流信号检测单元10、电流预处理单元20、剩余电流检测单元30和分合控制单元40 ；
[0026]所述电流信号检测单元10用于获取供电线路中的剩余电流；
[0027]所述电流预处理单元20，对剩余电流的谐波进行滤波，并对剩余电流信号进行预处理使得剩余电流信号幅值达到剩余电流检测单元所能处理的电平范围；
[0028]所述剩余电流检测单元30对预处理后的剩余电流进行电流幅值和谐波含量分析，并产生分合控制信号；
[0029]所述分合控制单元40基于分合控制信号，接通或分断供电线路；
[0030]显示单元50，用于显示检测和控制结果。
[0031]其中，当预处理后的剩余电流电流值超过电流阈值，且预处理后的谐波含量超过设定阀值，所述剩余电流检测单元控制分合控制单元可不执行分断操作。
[0032]在本实施例中，所述电流信号检测单元10为零序电流互感器，利用零序电流互感器作为信号检测元件，低压线路中的所有泄漏电流均通过该精密互感器感应出来，并送到信号处理电路进行处理。本实施例的零序电流互感器的最小感应电流应小于5mA，保证微弱的小电流信号都能准确的检测出来。
[0033]当电流信号检测单元10获取供电线路中的剩余电流后，将剩余电流信号发送到预处理单元20进行预处理。所述电流预处理单元20包括谐波滤波器及必要的电平转换模块、基准电平发生模块、同步信号发生模块等。所述电流信号预处理单元20将零序电流互感器中检测到的剩余电流信号，通过谐波滤波器进行放大、滤波等处理，并相应进行电平转换，达到微控制器所能处理的电平范围。
[0034]由于现有的低压电网的供电线路存在固有的分布电容，对于50Hz的基波来说，该固有分布电容引起的泄漏剩余电流较小，但对于谐波来说，线路中的固有分布容抗会随着频率的增加而减小，从而导致线路中的泄漏剩余电流增加，尤其是3n次谐波，对于这些3n次谐波线路中的泄漏剩余电流将以3倍的幅度增长，会导致剩余电流增大。利用现有的剩余电流动作保护装置进行保护时，只要检测到剩余电流超过电流阈值，都会执行分断操作，将供电线路断开。由于固有分布电容引起的泄漏剩余电流较小，即使检测到的剩余电流超过电流阈值，对供电电路的影响也不大，本不需要断开供电线路，采用现有的剩余电流动作保护装置将大幅增加低压电网中应用的剩余电流动作保护装置的误动作几率，从而影响到电压电网的供电可靠性。
[0035]而在本实施例中，先对剩余电流的谐波进行滤波，使得剩余电流的谐波的滤波含量大幅降低，当剩余电流检测单元检测出谐波含量仍高于设定阈值，即使所测的剩余电流值已超过保护器预定的电流阀值，但由于谐波含量超标，保护器只作谐波超限报警操作，而不再执行超限分闸操作。这样可以最大限度不使剩余电流动作保护器不发生误动作，提高供电可靠性。
[0036]请参考图2，为本实施例的电流预处理单元的谐波滤波器和电平转换模块的结构示意图，所述谐波滤波器包括:第一电容Cl、第二电容C2、第一负载电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一限幅二极管D1、第二限幅二极管D2和运算放大器IC1，所述第一电容Cl为去偶电容，第一电容Cl的容抗Re = 1/2 JT fc，对于50Hz的工频信号，其容抗约32k Ω，但对于3k次，以及更高次谐波来说，其容抗将大幅减小，从而对这类信号的衰减也大幅增大。所述第一电容Cl、第一负载电阻R1、第一限幅二极管D1、第二限幅二极管D2与零序电流互感器并联且所述第一限幅二极管Dl和第二限幅二极管D2的方向相反，所述第二电容C2、第二电阻R2、第三电阻R3和运算放大器ICl构成低通滤波放大器，其中第二电容C2、第三电阻R3组成RC谐振回路，谐振频率设计在100Hz，这样，对于小于10Hz的信号，该放大器可以正常放大，但对于大于10Hz的信号，随着频率的增加，信号的衰减也随着增大，因此，该电路对于高次谐波信号，3n次谐波特别是具有抑制作用，即同时实现了正常频率的电流信号放大和对谐波进行衰减的功能。
[0037]在本实施例中，所述电平转换模块可实现自动量程切换功能，由于剩余电流信号的幅度范围较大，从几毫安到几十安培，要实现整个电流范围内的线性测量，势必要采用量程切换的电平转换电路。
[0038]请参考图3，为本实施例的基准电平发生模块的结构示意图，所述基准电平发生模块为MCU的A/D转换提供基准参考，同时对交流信号进行电平偏移，使该信号适应MCU进行信号处理。
[0039]请参考图4，为本实施例的同步信号发生模块的结构示意图，所述同步信号发生模块对交流工频信号进行同步，用于保证信号检测的准确性。
[0040]在本实施例中，所述剩余电流检测单元30集成在MCU中，所述MCU为意法半导体公司生产的具体型号为STM32F103RBT6的M3核ARM高性能微控制器。该微控制器性价比较高，可以进行复杂的科学运算，对输入的各种信号进行处理，包括剩余电流信号、按键操作信号、以及分合控制必要的控制信号等，同时将必要的信息通过数码管或液晶等人机界面显示出来。
[0041 ] 在本实施例中，所述剩余电流检测单元30包括A/D转换电路、电流值检测电路、谐波含量检测电路和比较电路，预处理后的剩余电流经过A/D转换，利用电流幅值计算和谐波含量分析获取剩余电流幅值和剩余电流中的3η次谐波含量，将测得的剩余电流电流幅值与剩余电流动作阈值进行比较，将测得的3η次谐波含量与设定谐波含量阀值进行比较，判断出是否需要接通或分断供电电路，产生对应的分合控制信号。其中，谐波含量是通过对检测到的剩余电流信号进行A/D转换所得数据的FFT分析后获得，如果3次谐波以及更高次谐波含量超过设定阀值，即使所测的剩余电流幅值已超过保护器预定的阀值，但由于谐波含量超标，保护器只作谐波超限报警操作，而不再执行超限分闸操作。而当剩余电流值已超过保护器预定的阀值，而谐波含量不超标，才执行分断供电电路的操作。只有这样可以最大限度不使剩余电流动作保护器发生误动作，提高供电可靠性。
[0042]在本实施例中，还包括显示单元50，为数码管或液晶屏等，所述显示单元与MCU相连，用于显示检测和控制结果。所述显示单元还可以作为告警信号输出单元，当预处理后的剩余电流电流值超过电流阈值，且预处理后的谐波含量超过设定阀值，利用告警信号输出单元发出告警信号。
[0043]所述分合控制单元40是剩余电流保护器的执行机构，该机构执行MCU的所有控制命令，在线路故障状态下，分断主回路，正常状态下接通主回路。即使所测的剩余电流值已超过保护器预定的阀值，当谐波含量超标，保护器只作谐波超限报警操作，而不再执行超限分闸操作。而当剩余电流值已超过保护器预定的阀值，而谐波含量不超标，才执行分断供电电路的操作。
[0044]本实用新型虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本实用新型，任何本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本实用新型技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本实用新型技术方案的保护范围。
【权利要求】
1.一种抗谐波干扰型剩余电流动作保护装置，其特征在于，包括:电流信号检测单元、电流预处理单元、剩余电流检测单元和分合控制单元； 所述电流信号检测单元用于获取供电线路中的剩余电流； 所述电流预处理单元，对剩余电流的谐波进行滤波，并对剩余电流进行预处理使得剩余电流达到剩余电流检测单元所能处理的电平范围； 所述剩余电流检测单元对预处理后的剩余电流进行电流值和谐波分析，并产生分合控制信号； 所述分合控制单元基于分合控制信号，接通或分断供电线路； 其中，当预处理后的剩余电流电流值超过电流阈值，且预处理后的谐波含量超过设定阀值，所述剩余电流检测单元控制分合控制单元不执行分断操作。2.如权利要求1所述的抗谐波干扰型剩余电流动作保护装置，其特征在于，所述电流预处理单元包括信号放大器、谐波滤波器和/或电平转换器。3.如权利要求1所述的抗谐波干扰型剩余电流动作保护装置，其特征在于，所述谐波滤波器包括:第一电容、第二电容、第一负载电阻、第二电阻、第三电阻、第一限幅二极管、第二限幅二极管和运算放大器，所述第一电容为去偶电容，所述第一电容、第一负载电阻、第一限幅二极管、第二限幅二极管与电流信号检测单元并联且所述第一限幅二极管和第二限幅二极管的方向相反，所述第二电容、第二电阻、第三电阻和运算放大器构成低通滤波放大器，其中第二电容、第三电阻组成RC谐振回路。4.如权利要求1所述的抗谐波干扰型剩余电流动作保护装置，其特征在于，所述电流信号检测单元为零序电流互感器。5.如权利要求1所述的抗谐波干扰型剩余电流动作保护装置，其特征在于，所述剩余电流检测单元包括A/D转换电路、电流值检测电路、谐波含量检测电路和比较电路，预处理后的剩余电流经过A/D转换，利用电流值检测电路和谐波含量检测电路获取剩余电流值和剩余电流中的谐波含量，将测得的剩余电流电流值与电流阈值进行比较，将测得的谐波含量与设定阀值进行比较，判断出是否需要接通或分断供电电路，产生对应的分合控制信号。6.如权利要求1或4所述的抗谐波干扰型剩余电流动作保护装置，其特征在于，所述谐波为3n次谐波。7.如权利要求1所述的抗谐波干扰型剩余电流动作保护装置，其特征在于，所述剩余电流检测单元集成在MCU中。8.如权利要求7所述的抗谐波干扰型剩余电流动作保护装置，其特征在于，还包括显示单元，所述显示单元与MCU相连，用于显示检测和控制结果。9.如权利要求1所述的抗谐波干扰型剩余电流动作保护装置，其特征在于，所述MCU为意法半导体公司生产的具体型号为STM32F103RBT6M的3核ARM高性能微控制器。10.如权利要求1所述的抗谐波干扰型剩余电流动作保护装置，其特征在于，还包括告警信号输出单元，当预处理后的剩余电流电流值超过电流阈值，且预处理后的谐波含量超过设定阀值，利用告警信号输出单元发出告警信号。
【文档编号】H02H3-32GK204290260SQ201420761732
【发明者】方向晖, 钟方强, 任志强 [申请人]国网浙江省电力公司培训中心, 杭州乾龙电器有限公司