一种三相电路的缺零检测方法及装置转让专利
申请号 : CN200610075054.X
文献号 : CN100588977C
文献日 : 2010-02-10
发明人 : 林东华
申请人 : 中兴通讯股份有限公司
摘要 :
本发明公开了一种三相电路的缺零检测方法及装置，其装置包括一电流互感器，所述三相设备的零线从该电流互感器中穿过，该电流互感器的输出端接到一光耦输入端口，该光耦的输出经过一信号处理电路的处理送出缺零保护信号。本发明方法及装置由于仅判断零线电流的有无即可实现缺零检测，而无需知道零线电流的大小，克服了原有检测方法精度和分辨率不高的问题；另外由于无需精确测量零线电流大小，也就不需要使用高精度的电流传感器，使用一般的电流互感器即可，成本也大大降低。
权利要求 :
1、一种三相电路的缺零检测装置，其特征在于，其包括一电流互感器， 所述三相电路的零线从该电流互感器中穿过，该电流互感器的输出端接到一 光耦输入端口，该光耦的输出经过一信号处理电路的处理送出缺零保护信 号。
2、根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电流互感器与所述光 耦输入端口之间还设置有一续流电路。
3、根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电流互感器与所述光 耦输入端口之间还设置有一整流电路。
4、根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述信号处理电路包括设 置在所述光耦输出端口上的一正电压，以及一缺零信号线通过光耦中的光耦 三极管连接，所述缺零信号线上并联设置的一电容和一电阻。
5、一种三相电路的缺零检测方法，其包括步骤：
设置一个光耦以及光耦输出端口侧的信号处理电路，所述三相电路的零 线从一电流互感器中穿过，该电流互感器的输出连接到该光耦输入端口，该 光耦的输出经过信号处理电路的处理根据零线电路中的电流有无送出缺零 保护信号。
说明书 :
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，尤其涉及的是，一种 用于在三相四线制线路中检测零线是否断线的方法及装置。
背景技术
现有技术中对于三相四线制的设备其零线是必不可少的，如果零线缺失 或者在设备工作时断线，将使设备无法正常工作甚至损毁，所以缺零保护对 于三相四线制设备是非常重要的。但是目前缺零检测是一个较为困难的问 题，现有的检测方法常存在检测不到或者误检测，发生误告警等问题。
在三相系统中要想检测到零线掉，从电路的角度看无非是从零线有无时 系统的电压电流差异着手，根据这种差异给出判断信号。
但由于三相设备各相输入阻抗的存在，即使零线掉了，各相对零线依然 有一定电压，而且由于三相电压的不确定性，完全有可能出现这样一种情况： 在零线掉了前后，各相对零线的电压并没有改变。因此，对于利用检测电压 的方法来检测三相设备的零线是否掉是极为困难的。
当零线掉时，一个显著特征就是输入零线的电流为零。一般检测零线掉 的方法都是检测零线电流，根据零线电流的大小来判断是否是零线掉，但是 大部分三相四线制设备在空载工作的时候，零线电流是非常小的，而在满载 工作时，零线电流却会相当大。缺零检测电路既要保证在设备满载下可以工 作，设备空载时不误告警，还要保证在设备缺零时可以检测到，这就对缺零 检测电路的精度和分辨率提出了相当高的要求。
目前常用的缺零检测方法有以下几种：
1、在三相设备零线上串联采样电阻的缺零检测方法
用电阻串在零线上，零线电流流过电阻时将要产生压降。通过采样电阻 上的压降，即可得到零线电流的大小，从而判断零线是否断线，其原理如图 1所示。
但是使用这种方法，电阻的规格将难以选择，由于三相四线制设备满载 工作时电流很大，可以达到几十甚至几百安培，这么大的电流下，电阻的阻 值只能选取毫欧级的，否则电阻将会太热。但是在空载时，零线电流一般在 1安培以下，这样电阻上的电压就只有几毫伏而已，如此低的电压信号很容 易受到外部干扰，导致检测失败，产生误告警等。而如果增大电阻阻值，虽 然在空载时的电压信号提高了，但是满载时电阻上的损耗将非常大，电阻发 热将非常厉害。另外这种检测方法将功率电路和检测电路无隔离的连在一 起，容易对用电设备造成干扰。
2、使用电流传感器采样零线电流大小的缺零检测方法
使用电流传感器也可以检测零线电流的大小，并根据零线电流的大小来 判断是否掉零线，其原理如图2所示。电流传感器一般是采用霍尔电流传感 器或电流互感器。
这种方法没有电阻发热的问题，并且解决了检测电路与功率电路不隔离 的问题，但是依然无法克服检测精度和分辨率不高的问题，为了准确的区分 设备空载运行状态和零线断线的状态，传感器的精度必须很高，而高等级的 传感器价格较贵，这提高了设备的成本。
因此，现有技术还有待于继续改进和发展。
在三相系统中要想检测到零线掉，从电路的角度看无非是从零线有无时 系统的电压电流差异着手，根据这种差异给出判断信号。
但由于三相设备各相输入阻抗的存在，即使零线掉了，各相对零线依然 有一定电压，而且由于三相电压的不确定性，完全有可能出现这样一种情况： 在零线掉了前后，各相对零线的电压并没有改变。因此，对于利用检测电压 的方法来检测三相设备的零线是否掉是极为困难的。
当零线掉时，一个显著特征就是输入零线的电流为零。一般检测零线掉 的方法都是检测零线电流，根据零线电流的大小来判断是否是零线掉，但是 大部分三相四线制设备在空载工作的时候，零线电流是非常小的，而在满载 工作时，零线电流却会相当大。缺零检测电路既要保证在设备满载下可以工 作，设备空载时不误告警，还要保证在设备缺零时可以检测到，这就对缺零 检测电路的精度和分辨率提出了相当高的要求。
目前常用的缺零检测方法有以下几种：
1、在三相设备零线上串联采样电阻的缺零检测方法
用电阻串在零线上，零线电流流过电阻时将要产生压降。通过采样电阻 上的压降，即可得到零线电流的大小，从而判断零线是否断线，其原理如图 1所示。
但是使用这种方法，电阻的规格将难以选择，由于三相四线制设备满载 工作时电流很大，可以达到几十甚至几百安培，这么大的电流下，电阻的阻 值只能选取毫欧级的，否则电阻将会太热。但是在空载时，零线电流一般在 1安培以下，这样电阻上的电压就只有几毫伏而已，如此低的电压信号很容 易受到外部干扰，导致检测失败，产生误告警等。而如果增大电阻阻值，虽 然在空载时的电压信号提高了，但是满载时电阻上的损耗将非常大，电阻发 热将非常厉害。另外这种检测方法将功率电路和检测电路无隔离的连在一 起，容易对用电设备造成干扰。
2、使用电流传感器采样零线电流大小的缺零检测方法
使用电流传感器也可以检测零线电流的大小，并根据零线电流的大小来 判断是否掉零线，其原理如图2所示。电流传感器一般是采用霍尔电流传感 器或电流互感器。
这种方法没有电阻发热的问题，并且解决了检测电路与功率电路不隔离 的问题，但是依然无法克服检测精度和分辨率不高的问题，为了准确的区分 设备空载运行状态和零线断线的状态，传感器的精度必须很高，而高等级的 传感器价格较贵，这提高了设备的成本。
因此，现有技术还有待于继续改进和发展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种三相电路的缺零检测方法及装置，就是为了 克服现有技术中检测精度和分辨率的问题，提出一种新的缺零检测方法和装 置，只需判断零线电流的有无，而无需知道零线电流的大小即可实现缺零检 测，其克服了现有检测方法存在的精度和分辨率的问题，同时也易于实现， 成本低、可靠性高。
本发明的技术方案包括：
一种三相电路的缺零检测装置，其中，其包括一电流互感器，所述三相 设备的零线从该电流互感器中穿过，该电流互感器的输出端接到一光耦输入 端口，该光耦的输出经过一信号处理电路的处理送出缺零保护信号。
所述的装置，其中，所述电流互感器与所述光耦输入端口之间还设置有 一续流电路。
所述的装置，其中，所述电流互感器与所述光耦输入端口之间还设置有 一整流电路。
所述的装置，其中，所述信号处理电路包括设置在所述光耦输出端口上 的一正电压，以及一缺零信号线通过所述光耦三极管连接，所述缺零信号线 上并联设置的一电容和一电阻。
一种三相电路的缺零检测方法，其包括步骤：
设置一个光耦以及光耦输出端口侧的信号处理电路，所述三相设备的零 线从一电流互感器中穿过，该电流互感器的输出连接到该光耦输入端口，该 光耦的输出经过信号处理电路的处理根据零线电路中的电流有无送出缺零 保护信号。
本发明所提供的一种三相电路的缺零检测方法及装置，与现有技术相 比，由于仅判断零线电流的有无即可实现缺零检测，而无需知道零线电流的 大小，克服了原有检测方法精度和分辨率不高的问题；另外由于无需精确测 量零线电流大小，也就不需要使用高精度的电流传感器，使用一般的电流互 感器即可，成本也大大降低。
本发明的技术方案包括：
一种三相电路的缺零检测装置，其中，其包括一电流互感器，所述三相 设备的零线从该电流互感器中穿过，该电流互感器的输出端接到一光耦输入 端口，该光耦的输出经过一信号处理电路的处理送出缺零保护信号。
所述的装置，其中，所述电流互感器与所述光耦输入端口之间还设置有 一续流电路。
所述的装置，其中，所述电流互感器与所述光耦输入端口之间还设置有 一整流电路。
所述的装置，其中，所述信号处理电路包括设置在所述光耦输出端口上 的一正电压，以及一缺零信号线通过所述光耦三极管连接，所述缺零信号线 上并联设置的一电容和一电阻。
一种三相电路的缺零检测方法，其包括步骤：
设置一个光耦以及光耦输出端口侧的信号处理电路，所述三相设备的零 线从一电流互感器中穿过，该电流互感器的输出连接到该光耦输入端口，该 光耦的输出经过信号处理电路的处理根据零线电路中的电流有无送出缺零 保护信号。
本发明所提供的一种三相电路的缺零检测方法及装置，与现有技术相 比，由于仅判断零线电流的有无即可实现缺零检测，而无需知道零线电流的 大小，克服了原有检测方法精度和分辨率不高的问题；另外由于无需精确测 量零线电流大小，也就不需要使用高精度的电流传感器，使用一般的电流互 感器即可，成本也大大降低。
附图说明
图1是现有技术中在零线上串联采样电阻的缺零检测方法的示意图；
图2是现有技术中使用电流传感器采样零线电流大小的缺零检测方法的 示意图；
图3是本发明的电路原理示意图；
图4是本发明在电流互感器副边与光耦输入端口之间加入续流电路的电 路原理示意图；
图5是本发明在电流互感器副边与光耦输入端口之间加入整流电路的电 路原理示意图；
图6为配合本发明的一个简单的信号处理电路的示意图；
图7是本发明的一个具体实施例的示意图。
图2是现有技术中使用电流传感器采样零线电流大小的缺零检测方法的 示意图；
图3是本发明的电路原理示意图；
图4是本发明在电流互感器副边与光耦输入端口之间加入续流电路的电 路原理示意图；
图5是本发明在电流互感器副边与光耦输入端口之间加入整流电路的电 路原理示意图；
图6为配合本发明的一个简单的信号处理电路的示意图；
图7是本发明的一个具体实施例的示意图。
具体实施方式
以下结合附图，将对本发明的各较佳实施例作进一步的详细描述：
由于现有缺零检测方法的思想都是通过一种电流检测电路，检测出三相 电路零线电流的大小，然后根据零线电流的大小来判断是否发生零线断线。 因为需要检测出零线电流的大小，所以需要高精度的电流传感器和采样电 路，同时还不可避免的存在采样精度和分辨率的问题。但是判断零线是否断 线只需知道零线电流有无就可以了，并不需要知道零线电流的大小。根据这 种思想，本发明提出了一种新的三相电路的缺零检测方法及装置，其克服了 现有检测方法存在的精度和分辨率的问题，同时也易于实现，成本低、可靠 性高。
本发明所述三相电路的缺零检测方法为，使零线从电流互感器中穿过， 电流互感器的输出直接接到或者通过电阻、电容、二极管、稳压管接到光耦 输入端口，零线电流的有无导致电流互感器副边电流的有无，从而导致流过 光耦二极管的电流的有无，从而使光耦的三极管产生通断的变化，然后根据 光耦输出端口的通断变化即可判断零线是否已断路。
本发明所述三相电路的缺零检测装置包括一个电流互感器、一个光耦以 及光耦输出端口侧的信号处理电路；三相设备的零线从电流互感器中穿过， 电流互感器的输出直接接到或者通过电阻、电容、二极管、稳压管接到光耦 输入端口，光耦的输出经过信号处理电路的处理送出缺零保护信号。
本发明方法的关键是将零线电流的有无转化为流过光耦二极管电流的 有无，从而转化为光耦三极管的通断，根据光耦三极管的通断情况即可得到 零线是否断线。
图3是本发明的电路原理示意图。三相设备的零线从电流互感器中穿过， 电流互感器的输出直接接到或者通过电阻、电容、二极管、稳压管接到光耦 输入端口，光耦的输出经过信号处理电路的处理送出缺零保护信号。
当零线中有电流时，将在电流互感器副边感生出电流，并与光耦的二极 管形成回路。当零线没有电流时，电流互感器副边也就没有电流，同样光耦 的二极管也就没有电流。而光耦的特性是如果二极管有电流流过，三极管就 会导通；二极管没有电流流过，三极管就关断。这样当零线中有电流时，光 耦三极管就是导通的；零线中没有电流的时候，光耦三极管就是关断的；零 线电流的有无转化为光耦三极管的通断。
由于零线电流一般是交流电流，则电流互感器副边的电流一般也是交流 电流，为了使电流互感器正常工作，一般需要在电流互感器副边与光耦输入 端口之间加入续流电路或整流电路，其示意图如图4、图5所示。
如图4所示是在电流互感器副边与光耦输入端口之间加入续流电路的电 路原理图。当零线电流为交流电流时，在电流互感器副边亦感生出交流电流， 此交流电流可通过续流二极管或光耦二极管形成回路。
如图5所示是在电流互感器副边与光耦输入端口之间加入整流电路的电 路原理图。当零线电流为交流电流时，在电流互感器副边亦感生出交流电流， 此交流电流经过整流电路后成为直流电流，并通过光耦二极管形成回路。
零线电流为交流电流还带来一个问题，就是零线电流总有过零的时刻， 也即是说，在正常情况下，光耦三极管也有通断的情况。为此需要在光耦输 出端口侧对光耦的输出信号做一下滤波处理，将零线电流的有无转化成高低 电平的缺零信号，使其输出的缺零信号可以正确反应零线电流的有无。
如图6为一个简单的信号处理电路的示意图。当零线有电流时，光耦三 极管导通，电源Vcc通过R1对电容C1充电，缺零信号为高电平；当零线没 有电流的时候，电容C1通过R2放电，缺零信号为低电平；当零线电流为交 流时，合理选择R1、R2、C1的值，使充电时间常数ζ1＝R1C1小于放电时间 常数ζ2＝R2C1即可使零线电流的短暂过零不会导致缺零信号的变化。该充 放电时间常数的选择须合适，充电时间常数在满足光耦三极管通流量限值的 条件下应尽可能小；而放电时间常数过大会导致缺零信号响应太慢，过小则 容易误告警，由于三相系统中零线电流一般为电网频率的3n次谐波，放电 时间常数一般取10ms即可。
由于电流互感器的电流源特性，即使在三相设备空载，零线电流小于1A， 电流互感器副边电流小于1mA的情况下，流过光耦二极管的电流依然存在。 不过如果流过光耦二极管的电流过小，也将难以使光耦三极管导通，在使用 时需要根据三相设备的空载电流和光耦的最小开通电流恰当的选择电流互 感器的匝比，使在三相设备空载运行时流过光耦二极管的电流可以使光耦三 极管可靠导通。
如图7所示是本发明的一个具体实施例的电路完整示意图，其中三相设 备的零线从电流互感器中穿过，电流互感器的输出经过整流电路后接到光耦 输入端口，光耦的输出经过信号处理电路的处理送出缺零保护信号，在该实 施例的信号处理电路中R1、R2、C1分别为1K、100K、0.1uF。
因此，本发明方法及装置通过简单的电路原理即可实现对三相电路的缺 零判断，其电路易于实现，成本低、可靠性高；但须理解的是，上述针对具 体实施例的描述较为具体，并不能因此而理解为对本发明专利保护范围的限 制，本发明的专利保护范围应以所附权利要求为准。
由于现有缺零检测方法的思想都是通过一种电流检测电路，检测出三相 电路零线电流的大小，然后根据零线电流的大小来判断是否发生零线断线。 因为需要检测出零线电流的大小，所以需要高精度的电流传感器和采样电 路，同时还不可避免的存在采样精度和分辨率的问题。但是判断零线是否断 线只需知道零线电流有无就可以了，并不需要知道零线电流的大小。根据这 种思想，本发明提出了一种新的三相电路的缺零检测方法及装置，其克服了 现有检测方法存在的精度和分辨率的问题，同时也易于实现，成本低、可靠 性高。
本发明所述三相电路的缺零检测方法为，使零线从电流互感器中穿过， 电流互感器的输出直接接到或者通过电阻、电容、二极管、稳压管接到光耦 输入端口，零线电流的有无导致电流互感器副边电流的有无，从而导致流过 光耦二极管的电流的有无，从而使光耦的三极管产生通断的变化，然后根据 光耦输出端口的通断变化即可判断零线是否已断路。
本发明所述三相电路的缺零检测装置包括一个电流互感器、一个光耦以 及光耦输出端口侧的信号处理电路；三相设备的零线从电流互感器中穿过， 电流互感器的输出直接接到或者通过电阻、电容、二极管、稳压管接到光耦 输入端口，光耦的输出经过信号处理电路的处理送出缺零保护信号。
本发明方法的关键是将零线电流的有无转化为流过光耦二极管电流的 有无，从而转化为光耦三极管的通断，根据光耦三极管的通断情况即可得到 零线是否断线。
图3是本发明的电路原理示意图。三相设备的零线从电流互感器中穿过， 电流互感器的输出直接接到或者通过电阻、电容、二极管、稳压管接到光耦 输入端口，光耦的输出经过信号处理电路的处理送出缺零保护信号。
当零线中有电流时，将在电流互感器副边感生出电流，并与光耦的二极 管形成回路。当零线没有电流时，电流互感器副边也就没有电流，同样光耦 的二极管也就没有电流。而光耦的特性是如果二极管有电流流过，三极管就 会导通；二极管没有电流流过，三极管就关断。这样当零线中有电流时，光 耦三极管就是导通的；零线中没有电流的时候，光耦三极管就是关断的；零 线电流的有无转化为光耦三极管的通断。
由于零线电流一般是交流电流，则电流互感器副边的电流一般也是交流 电流，为了使电流互感器正常工作，一般需要在电流互感器副边与光耦输入 端口之间加入续流电路或整流电路，其示意图如图4、图5所示。
如图4所示是在电流互感器副边与光耦输入端口之间加入续流电路的电 路原理图。当零线电流为交流电流时，在电流互感器副边亦感生出交流电流， 此交流电流可通过续流二极管或光耦二极管形成回路。
如图5所示是在电流互感器副边与光耦输入端口之间加入整流电路的电 路原理图。当零线电流为交流电流时，在电流互感器副边亦感生出交流电流， 此交流电流经过整流电路后成为直流电流，并通过光耦二极管形成回路。
零线电流为交流电流还带来一个问题，就是零线电流总有过零的时刻， 也即是说，在正常情况下，光耦三极管也有通断的情况。为此需要在光耦输 出端口侧对光耦的输出信号做一下滤波处理，将零线电流的有无转化成高低 电平的缺零信号，使其输出的缺零信号可以正确反应零线电流的有无。
如图6为一个简单的信号处理电路的示意图。当零线有电流时，光耦三 极管导通，电源Vcc通过R1对电容C1充电，缺零信号为高电平；当零线没 有电流的时候，电容C1通过R2放电，缺零信号为低电平；当零线电流为交 流时，合理选择R1、R2、C1的值，使充电时间常数ζ1＝R1C1小于放电时间 常数ζ2＝R2C1即可使零线电流的短暂过零不会导致缺零信号的变化。该充 放电时间常数的选择须合适，充电时间常数在满足光耦三极管通流量限值的 条件下应尽可能小；而放电时间常数过大会导致缺零信号响应太慢，过小则 容易误告警，由于三相系统中零线电流一般为电网频率的3n次谐波，放电 时间常数一般取10ms即可。
由于电流互感器的电流源特性，即使在三相设备空载，零线电流小于1A， 电流互感器副边电流小于1mA的情况下，流过光耦二极管的电流依然存在。 不过如果流过光耦二极管的电流过小，也将难以使光耦三极管导通，在使用 时需要根据三相设备的空载电流和光耦的最小开通电流恰当的选择电流互 感器的匝比，使在三相设备空载运行时流过光耦二极管的电流可以使光耦三 极管可靠导通。
如图7所示是本发明的一个具体实施例的电路完整示意图，其中三相设 备的零线从电流互感器中穿过，电流互感器的输出经过整流电路后接到光耦 输入端口，光耦的输出经过信号处理电路的处理送出缺零保护信号，在该实 施例的信号处理电路中R1、R2、C1分别为1K、100K、0.1uF。
因此，本发明方法及装置通过简单的电路原理即可实现对三相电路的缺 零判断，其电路易于实现，成本低、可靠性高；但须理解的是，上述针对具 体实施例的描述较为具体，并不能因此而理解为对本发明专利保护范围的限 制，本发明的专利保护范围应以所附权利要求为准。