零线电流采样电路及电能表的制作方法

1.本实用新型涉及电流采样技术领域，尤其是涉及一种零线电流采样电路及电能表。


背景技术：

2.电流旁路，指在电能表中使用导线将电能表某个相位的输入端和输出端短接。相关技术中，电流旁路能够使电能表检测到的电流变小，因此，实际生活中存在通过电流旁路进行窃电的操作。由此可知，通过电流旁路检测能够监测电能表是否被电流旁路，以防止发生窃电行为。
3.掉零线检测，指监测电网是否发生掉零线故障的检查操作，用于防止因出现掉零线故障而导致的用电电器烧毁的状况。
4.相关技术中，电能表的电流旁路检测需要使用至少一个电流互感器用于检测零线电流，电能表的掉零线检测也需要至少一个电流互感器用于检测零线电流，即电能表至少需要两个用于检测零线电流的电流互感器，以同时实现电能表的电流旁路检测和掉零线检测功能。上述方法不仅会增加占用的物理空间，影响电能表产品的小型化设计，而且会增加电能表的成本。


技术实现要素：

5.本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型提出一种零线电流采样电路，能够在仅使用一个电流互感器的情况下，同时实现对电能表进行电流旁路检测和掉零线检测。
6.本实用新型还提出一种具有上述零线电流采样电路的电能表。
7.根据本实用新型的第一方面实施例的零线电流采样电路，应用于电能表，所述电能表包括第一采样模块、主控模块，所述第一采样模块用于分别与三相火线电源、所述主控模块、地端电连接，所述第一采样模块用于采集三相电流，所述零线电流采样电路包括：
8.第一互感器，所述第一互感器用于分别与零线电源、所述地端电连接；
9.第一采样单元，所述第一采样单元用于分别与所述第一互感器、所述主控模块电连接，所述第一采样单元用于生成第一零线信号；
10.第二采样单元，所述第二采样单元用于分别与所述第一互感器和所述主控模块电连接，所述第二采样单元与所述第一采样单元并联连接，所述第二采样单元用于生成第二零线信号；
11.其中，所述主控模块用于根据所述三相电流和所述第一零线信号进行电流旁路检测，所述主控模块用于根据所述第二零线信号进行掉零线检测。
12.根据本实用新型实施例的零线电流采样电路，至少具有如下有益效果：第一互感器将零线电流信号转换后分别输出至第一采样单元和第二采样单元，第一采样单元生成携带有电流旁路信息的第一零线信号，第二采样单元生成携带有掉零线信息的第二零线信
号，并由第一采样模块采集三相电流。主控模块根据三相电流、第一零线信号进行电流旁路检测，并根据第二零线信号进行掉零线检测。本实施例的零线电流采样电路能够在仅使用一个电流互感器的情况下，同时实现对电能表进行电流旁路检测和掉零线检测，因此减少了占用的物理空间，适用于电能表产品小型化设计，同时降低了电能表的成本。
13.根据本实用新型的一些实施例，所述第一采样单元包括：
14.第一电阻，所述第一电阻的一端用于与所述第一互感器的一端电连接，所述第一电阻的另一端用于与所述第二采样单元电连接；
15.第一防过压子单元，所述第一防过压子单元用于分别与所述第一电阻、所述主控模块的第一端口和所述主控模块的第二端口电连接。
16.根据本实用新型的一些实施例，所述第二采样单元包括：
17.第二电阻，所述第二电阻的一端用于与所述第一互感器的另一端电连接，所述第二电阻的另一端用于与所述第一电阻的另一端电连接；
18.第二防过压子单元，所述第二防过压子单元用于分别与所述第二电阻、所述主控模块的第三端口和所述主控模块的第四端口电连接。
19.根据本实用新型的一些实施例，所述第一防过压子单元包括：
20.第一二极管，所述第一二极管的阴极用于分别与所述第一电阻的一端、所述主控模块的第一端口电连接，所述第一二极管的阳极用于分别与所述第一电阻的另一端、所述主控模块的第二端口电连接；
21.第二二极管，所述第二二极管的阴极用于分别与所述第一二极管的阳极、所述主控模块的第二端口电连接，所述第二二极管的阳极用于分别与所述第一二极管的阴极、所述主控模块的第一端口电连接。
22.根据本实用新型的一些实施例，所述第二防过压子单元包括：
23.第三二极管，第三二极管的阳极用于分别与所述第二电阻的一端、所述主控模块的第四端口电连接，所述第一二极管的阴极用于分别与所述第二电阻的另一端、所述主控模块的第三端口电连接；
24.第四二极管，所述第四二极管的阴极用于分别与所述第三二极管的阳极、所述主控模块的第四端口电连接，所述第四二极管的阳极用于分别与所述第三二极管的阴极、所述主控模块的第三端口电连接。
25.根据本实用新型的一些实施例，所述第一采样模块包括：
26.第三采样单元，所述第三采样单元用于分别与一相所述火线电源、所述主控模块和负载电连接；
27.第四采样单元，所述第四采样单元用于分别与另一相所述火线电源、所述主控模块和所述负载电连接；
28.第五采样单元，所述第五采样单元用于分别与另一相所述火线电源、所述主控模块和所述负载电连接；
29.第三电阻，所述第三电阻的一端分别与一个所述火线电源、所述第三采样单元电连接，所述第三电阻的另一端接地；
30.第四电阻，所述第四电阻的一端用于与一个所述火线电源、所述第四采样单元电连接，所述第四电阻的另一端接地。
31.根据本实用新型的一些实施例，所述第三采样单元包括：
32.第二互感器，所述第二互感器用于分别与一个所述火线电源、所述负载电连接；
33.第五电阻，所述第五电阻用于分别与所述第二互感器、所述主控模块电连接；
34.所述第四采样单元包括：
35.第三互感器，所述第三互感器用于分别与一个所述火线电源、所述负载电连接；
36.第六电阻，所述第六电阻用于分别与所述第三互感器、所述主控模块电连接；
37.所述第五采样单元包括：
38.第四互感器，所述第四互感器用于分别与一个所述火线电源、所述负载电连接；
39.第七电阻，所述第七电阻用于分别与所述第四互感器、所述主控模块电连接。
40.根据本实用新型的第二方面实施例的电能表，包括：
41.根据本实用新型上述第一方面实施例的零线电流采样电路。
42.根据本实用新型实施例的电能表，至少具有如下有益效果：该电能表通过采用上述零线电流采样电路，实现了在仅使用一个电流互感器的情况下，同时实现对电能表进行电流旁路检测和掉零线检测，因此减少了占用的物理空间，适用于电能表产品小型化设计，同时降低了电能表的成本。
43.本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
附图说明
44.下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步的说明，其中：
45.图1为本实用新型零线电流采样电路的一具体实施例的模块框图；
46.图2为本实用新型电能表的一具体实施例的电路原理图；
47.图3为本实用新型零线电流采样电路的一具体实施例的电路原理图；
48.图4为本实用新型主控模块的一具体实施例的电路原理图。
49.附图标记：
50.第一互感器100、第一采样单元200、第二采样单元300、主控模块400、零线电源500、第一采样模块600、三相火线电源700、第一防过压子单元210、第二防过压子单元310、第三采样单元610、第四采样单元620、第五采样单元630。
具体实施方式
51.下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
52.在本实用新型的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
53.在本实用新型的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、
小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
54.本实用新型的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接、电连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本实用新型中的具体含义。
55.本实用新型的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
56.如图1、图2所示，本实用新型实施例提供了一种零线电流采样电路，该零线电流采样电路应用于电能表，电能表包括第一采样模块600、主控模块400，第一采样模块600用于分别与三相火线电源700(即图2中的ac-a火线电源、ac-b火线电源、ac-c火线电源)、主控模块400、地端电连接，第一采样模块600用于采集三相电流。零线电流采样电路包括：第一互感器100、第一采样单元200和第二采样单元300；第一互感器100用于分别与零线电源500(即图2中的ac-n零线电源)、地端电连接；第一采样单元200用于分别与第一互感器100、主控模块400电连接，第一采样单元200用于生成第一零线信号；第二采样单元300用于分别与第一互感器100和主控模块400电连接，第二采样单元300与第一采样单元200并联连接，第二采样单元300用于生成第二零线信号；其中，主控模块400用于根据三相电流和第一零线信号进行电流旁路检测，主控模块400用于根据第二零线信号进行掉零线检测。
57.具体地，第一采样单元200用于与第一互感器100线圈的一端电连接，第二采样单元300用于与第一互感器100线圈的另一端电连接。第一互感器100用于将零线电流进行转换，并将转换后的零线电流分别输出至第一采样单元200和第二采样单元300，第一采样单元200生成用于进行电流旁路测试的第一零线信号，第二采样单元300生成用于进行掉零线测试的第二零线信号。其中，第一采样模块600用于采集三相电流，即用于采集ac-a的电流、ac-b的电流和ac-c的电流。主控模块400根据三相电流、第一零线信号进行电流旁路检测，并根据第二零线信号进行掉零线检测。
58.在电流旁路检测中，主控模块400对第一零线信号进行检测，将三相电流的矢量和与第一零线信号中的零线电流进行比较，当三相电流的矢量和与零线电流两项的差值与两项中数值更大的一项相除的比值大于预设的百分比(例如6.25％、10％、12.5％等)时，表明发生电流旁路，即可能存在窃电行为。
59.在掉零线检测中，主控模块400对第二零线信号进行检测，当第二零线信号表示零线电流小于预设电流值(例如2.2ma)时，表明零线发生断路，即电网发生掉零线故障。
60.根据本实用新型实施例的零线电流采样电路，第一采样单元200生成用于进行电流旁路测试的第一零线信号，第二采样单元300生成用于进行掉零线测试的第二零线信号，并由第一采样模块600采集三相电流。主控模块400根据三相电流、第一零线信号进行电流旁路检测，并根据第二零线信号进行掉零线检测。本实施例的零线电流采样电路能够在仅使用一个电流互感器的情况下，同时实现对电能表进行电流旁路检测和掉零线检测，因此
减少了占用的物理空间，适用于电能表产品小型化设计，同时降低了电能表的成本。
61.如图3、图4所示，在本实用新型的一些具体实施例中，第一采样单元200包括：第一电阻rn1、第一防过压子单元210。第一电阻rn1的一端用于与第一互感器100的一端电连接，第一电阻rn1的另一端用于与第二采样单元300电连接；第一防过压子单元210用于分别与第一电阻rn1、主控模块400的第一端口(即图4中主控芯片u1的“21”引脚)和主控模块400的第二端口(即图4中主控芯片u1的“22”引脚)电连接。
62.具体地，第一电阻rn1的一端与第一互感器100线圈的一端电连接，第一防过压子单元210与第一电阻rn1相互并联连接，第一电阻rn1与第一防过压子单元210连接的一端与主控模块400的第一端口电连接，第一电阻rn1与第一防过压子单元210连接的另一端与主控模块400的第二端口电连接。其中，第一防过压子单元210用于预防第一零线信号出现过压的情况。
63.零线电流在经过第一互感器100转换后，流过第一电阻rn1，并由第一电阻rn1转换成第一零线信号，该第一零线信号包括：第一正极零线差分信号inp和第一负极零线差分信号inn。其中，主控模块400的第一端口接收第一正极零线差分信号inp，主控模块400的第二端口接收第一负极零线差分信号inn。主控模块400根据第一正极零线差分信号inp和第一负极零线差分信号inn得到对应的零线电流信号。
64.如图3、图4所示，在本实用新型的一些具体实施例中，第二采样单元300包括：第二电阻rn2、第二防过压子单元310。第二电阻rn2的一端用于与第一互感器100的另一端电连接，第二电阻rn2的另一端用于与第一电阻rn1的另一端电连接；第二防过压子单元310用于分别与第二电阻rn2、主控模块400的第三端口(即图4中主控芯片u1的“23”引脚)和主控模块400的第四端口(即图4中主控芯片u1的“24”引脚)电连接。
65.具体地，第二电阻rn2与第一电阻rn1串联连接，第一电阻rn1的一端与第一互感器100线圈的一端电连接，第二电阻rn2的一端与第一互感器100线圈的另一端电连接。第二防过压子单元310与第二电阻rn2相互并联，第二电阻rn2与第二防过压子单元310连接的一端与主控模块400的第三端口电连接，第二电阻rn2与第二防过压子单元310连接的另一端与主控模块400的第四端口电连接。其中，第二防过压子单元310用于预防第二零线信号出现过压的情况。
66.零线电流在经过第一互感器100转换后，流过第二电阻rn2，并由第二电阻rn2转换成第二零线信号，该第二零线信号包括：第二正极零线差分信号ilnp和第二负极零线差分信号ilnn。其中，第二正极零线差分信号ilnp由主控模块400的第三端口接收，第一负极零线差分信号ilnn由主控模块400的第四端口接收。主控模块400根据第一正极零线差分信号ilnp和第一负极零线差分信号ilnn可以得到对应的零线电流信号。
67.如图2、图4所示，在本实用新型的一些具体实施例中，第一采样模块600包括：第三采样单元610、第四采样单元620、第五采样单元630、第三电阻r3和第四电阻r4。第三采样单元610用于分别与一相火线电源、主控模块400和负载电连接；第四采样单元620用于分别与另一相火线电源、主控模块400和负载电连接；第五采样单元630用于分别与另一相火线电源、主控模块400和负载电连接；第三电阻r3的一端分别与一个火线电源、第三采样单元610电连接，第三电阻r3的另一端接地；第四电阻r4的一端用于与一个火线电源、第四采样单元620电连接，第四电阻r4的另一端接地。
68.具体地，第三采样单元610与一相火线电源ac-a电连接，并用于采集ac-a的电流信号；第四采样单元620与一相火线电源ac-b电连接，并用于采集ac-b的电流信号；第五采样单元630与一相火线电源ac-c电连接，并用于采集ac-c的电流信号。第三采样单元610与主控模块400的第五端口(即图4中主控芯片u1的“13”引脚)、主控模块400的第六端口(即图4中主控芯片u1的“14”引脚)电连接；第四采样单元620与主控模块400的第七端口(即图4中主控芯片u1的“16”引脚)、主控模块400的第八端口(即图4中主控芯片u1的“17”引脚)电连接；第五采样单元630与主控模块400的第九端口(即图4中主控芯片u1的“19”引脚)、主控模块400的第十端口(即图4中主控芯片u1的“20”引脚)电连接。
69.如图2、图4所示，在本实用新型的一些具体实施例中，第三采样单元610包括：第二互感器cta、第五电阻ra，第二互感器cta用于分别与一个火线电源、第一负载电连接；第五电阻ra用于分别与第二互感器cta、主控模块400电连接。第四采样单元620包括：第三互感器ctb、第六电阻rb，第三互感器ctb用于分别与一个火线电源、第二负载电连接；第六电阻rb用于分别与第三互感器ctb、主控模块400电连接。第五采样单元630包括：第四互感器ctc、第七电阻rc，第四互感器ctc用于分别与一个火线电源、负载电连接；第七电阻rc用于分别与第四互感器ctc、主控模块400电连接。
70.具体地，第二互感器cta的线圈与第五电阻ra并联连接，第五电阻ra与第二互感器cta连接的一端与主控模块400的第五端口(即图4中主控芯片u1的“13”引脚)电连接，第五电阻ra与第二互感器cta连接的另一端与主控模块400的第六端口(即图4中主控芯片u1的“14”引脚)电连接。第三互感器ctb的线圈与第六电阻rb并联连接，第六电阻rb与第三互感器ctb连接的一端与主控模块400的第七端口(即图4中主控芯片u1的“16”引脚)电连接，第六电阻rb与第三互感器ctb连接的另一端与主控模块400的第八端口(即图4中主控芯片u1的“17”引脚)电连接。第四互感器ctc的线圈与第七电阻rc并联连接，第七电阻rc与第四互感器ctc连接的一端与主控模块400的第九端口(即图4中主控芯片u1的“19”引脚)电连接，第七电阻rc与第四互感器ctc连接的另一端与主控模块400的第十端口(即图4中主控芯片u1的“20”引脚)电连接。
71.如图2、图3和图4所示，在一个具体的实施例中，主控模块400的主控芯片u1中包括多个模数转换器(adc)，且该多个adc均为同一规格。其中，主控芯片u1的“21”引脚和“22”引脚对应一个adc，主控芯片u1的“23”引脚和“24”引脚对应一个adc，主控芯片u1的“13”引脚和“14”引脚对应一个adc，主控芯片u1的“16”引脚和“17”引脚对应一个adc，主控芯片u1的“19”引脚和“20”引脚对应一个adc。假设第一电阻rn1的阻值为10ω，第二电阻rn2的阻值为80.6ω，第三电阻r3和第四电阻r4的阻值均为100kω，电能表为5(100)a规格、0.5级的三相电能表，主控芯片u1中的多个adc的最大差分输入峰值均为800mv，第一互感器100、第二互感器cta、第三互感器ctb和第四互感器ctc的规格均为5(100)a，且输入输出变比均为2500:1。
72.在电流旁路检测中，由于电能表为5(100)a规格、0.5级的三相电能表，因此，该电能表的每相启动电流为5a*0.4％＝20ma，每相的最小保证精度电流为5a*5％＝250ma，即电流旁路检测中adc需要检测的零线电流范围为20ma～100a。主控模块400将三相电流的矢量和与第一零线信号中的零线电流信号进行比较，当三相电流的矢量和与零线电流两项中数值更大的一项大于或等于最小保证精度电流，且三相电流的矢量和与零线电流两项的差值
与两项中数值更大的一项相除的比值大于10％时，表明发生了电流旁路。
73.ac-a的电流为ia，ac-b的电流为ib，ac-c的电流为ic，流经第三电阻r3的电流为ir3，流经第四电阻r4的电流为ir4，则参照图2，零线电流in应该满足：在正常的供电网络中，ia、ib、ic的相位依次相差120
°
。在ia、ib、ic的有效值相等时，
74.即由于第三电阻r3和第四电阻r4的阻值均为100kω，因此此时零线电流in为：
[0075][0076]
在ia、ib、ic的有效值不相等时，ia、ib、ic的值远大于ir3、ir4，因此此时零线电流在正常的供电网络中，不会出现零线电流in《2.2ma的情况。因此，在掉零线检测中，当主控模块400检测到第二零线信号表示零线电流in《2.2ma时，可以确定发生电网掉零线故障，即掉零线检测中adc需要能够检测到小于2.2ma的零线电流。
[0077]
主控芯片u1中的多个adc的最大差分输入峰值均为800mv，则adc能够有效处理的信号有效最大值为：adc能够识别的最小有效信号为：565mv/2
13
≈0.06897mv。第一互感器100的规格为5(100)a，其输入输出变比为2500:1，且第一电阻rn1的阻值为10ω，在零线电流为最大电流100a时，主控芯片u1的“21”引脚和“22”引脚对应的adc采集到的信号有效值约为400mv，因此第一电阻rn1满足adc采样要求，能够进行电流旁路检测。由于第二电阻rn2的阻值为80.6ω，因此对应的adc采集到的最小零线电流为(0.06897mv/80.6)*2500＝2.1392ma，小于2.2ma，因此第二电阻rn2满足掉零线检测需求。
[0078]
如图3、图4所示，在本实用新型的一些具体实施例中，第一防过压子单元210包括：第一二极管d1、第二二极管d2。第一二极管d1的阴极用于分别与第一电阻rn1的一端、主控模块400的第一端口(即图4中主控芯片u1的“21”引脚)电连接，第一二极管d1的阳极用于分别与第一电阻rn1的另一端、主控模块400的第二端口(即图4中主控芯片u1的“22”引脚)电连接；第二二极管d2的阴极用于分别与第一二极管d1的阳极、主控模块400的第二端口电连接，第二二极管d2的阳极用于分别与第一二极管d1的阴极、主控模块400的第一端口电连接。
[0079]
具体地，第一二极管d1与第二二极管d2相互并联连接，第一二极管d1的阴极与第二二极管d2的阳极电连接，第一二极管d1的阳极与第二二极管d2的阴极电连接，第一二极管d1与第二二极管d2连接的一端与主控模块400的第一端口电连接，第一二极管d1与第二二极管d2连接的另一端与主控模块400的第二端口电连接。当第一零线信号的电压超过900mv时，第一二极管d1和第二二极管d2导通，使第一零线信号的电压控制在900mv左右，以实现预防过压的功能。
[0080]
如图3、图4所示，在本实用新型的一些具体实施例中，第二防过压子单元310包括：第三二极管d3、第四二极管d4。第三二极管d3的阳极用于分别与第二电阻rn2的一端、主控模块400的第四端口(即图4中主控芯片u1的“24”引脚)电连接，第一二极管d1的阴极用于分别与第二电阻rn2的另一端、主控模块400的第三端口(即图4中主控芯片u1的“23”引脚)电连接；第四二极管d4的阴极用于分别与第三二极管d3的阳极、主控模块400的第四端口电连
接，第四二极管d4的阳极用于分别与第三二极管d3的阴极、主控模块400的第三端口电连接。
[0081]
具体地，第三二极管d3与第四二极管d4相互并联连接，第三二极管d3的阴极与第四二极管d4的阳极电连接，第三二极管d3的阳极与第四二极管d4的阴极电连接，第三二极管d3与第四二极管d4连接的一端与主控模块400的第三端口电连接，第三二极管d3与第四二极管d4连接的另一端与主控模块400的第四端口电连接。当第二零线信号的电压超过900mv时，第三二极管d3和第四二极管d4导通，使第二零线信号的电压控制在900mv左右，以实现预防过压的功能。
[0082]
本实用新型实施例还提供了一种电能表，该电能表包括：如上述实施例所描述的零线电流采样电路。
[0083]
根据本实用新型实施例的电能表，通过采用上述零线电流采样电路，实现了在仅采用一个电流互感器的情况下，电能表能够同时进行电流旁路检测和掉零线检测，因此减少了占用的物理空间，适用于电能表产品小型化设计，同时降低了电能表的成本。
[0084]
上面结合附图对本实用新型实施例作了详细说明，但是本实用新型不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本实用新型的实施例及实施例中的特征可以相互组合。