一种漏电流继电保护电路

技术领域

本发明涉及漏电流保护技术领域，具体涉及一种漏电流继电保护电路。

背景技术

在电动汽车供电设备向车载充电装置充电时，如果出现漏电流，会对人身和设备安全产生威胁，需要继电器及时动作断开充电线路。国标规定了在漏电流大于30mA时继电器需要动作，图1示出了继电器动作时限与漏电流大小的关系，漏电流越大时继电器动作的时限越小，并且当漏电流瞬时值大于300mA时，继电器需要立即动作断开。现有技术中的漏电流保护方案无法完全满足继电器的动作时限要求。

发明内容

本发明为解决现有技术中的漏电流保护方案无法完全满足继电器的动作时限要求的技术问题，提供一种漏电流继电保护电路，在漏电流为任意值时均能满足继电器动作时限要求，及时断开充电线路。

本发明采用的技术方案：

一种漏电流继电保护电路，包括：

漏电流检测电路，用于将漏电流转换成电压信号；

整流电路，用于将所述电压信号整流并输出检测电压；

电压比较电路，将所述检测电压与预设电压比较，并输出比较结果给继电器控制电路和控制器；

继电器控制电路，根据所述比较结果和控制器发出的控制信号控制继电器动作。

进一步地，所述漏电流检测电路包括电流互感器连接电路，所述电流互感器连接电路包括零序电流互感器T1和电阻R1，所述零序电流互感器T1的一次侧检测所述漏电流，所述零序电流互感器T1的二次侧连接有所述电阻R1，所述电阻R1的一端接地，所述电阻R1的另外一端输出所述电压信号。

进一步地，所述漏电流检测电路还包括比例放大电路，所述电流互感器连接电路的输入端检测所述漏电流，所述电流互感器连接电路的输出端连接所述比例放大电路的输入端，所述比例放大电路的输出端输出所述电压信号。

进一步地，所述比例放大电路包括运算放大器U1，所述电阻R1的另外一端经电阻R4连接所述运算放大器U1的同相输入端，所述运算放大器U1的反相输入端经电阻R2接地，所述运算放大器U1的反相输入端与输出端之间连接有电阻R3，所述运算放大器U1的输出端输出所述电压信号。

进一步地，所述整流电路包括运算放大器U2、运算放大器U3和外围电路，所述运算放大器U2和运算放大器U3结合外围电路构成精密全波整流电路，将所述电压信号整流并输出检测电压。

进一步地，所述电压比较电路包括电压比较器U4，所述电压比较器U4的同相输入端输入所述检测电压，所述电压比较器U4的反向输入端输入所述预设电压，所述电压比较器U4的输出端输出比较结果给所述继电器控制电路。

进一步地，所述继电器控制电路包括第一开关元件和第二开关元件，所述第一开关元件的第一脚和第三脚串接在继电器主回路中，所述第一开关元件的第二脚输入所述控制信号，所述第一开关元件的第二脚与所述第二开关元件的第一脚连接，所述第二开关元件的第三脚接地，所述第二开关元件的第二脚输入所述比较结果。

进一步地，所述漏电流继电保护电路还包括电压调理电路，所述电压调理电路的输入端连接所述漏电流检测电路的输出端，所述电压调理电路的输出端连接控制器以进行RMS计算，所述控制器根据计算结果输出控制信号给所述继电器控制电路以控制所述继电器动作。

进一步地，所述电压调理电路包括电压转换电路和电压跟随电路，所述电压转换电路用于将所述电压信号转换为单极性电压，所述电压跟随电路用于信号隔离，所述电压跟随电路的输入端连接所述电压转换电路的输出端，所述电压跟随电路的输出端连接所述控制器。

进一步地，所述电压转换电路包括电阻R16和电阻R17，所述电阻R16的第一端与所述漏电流检测电路的输出端连接，所述电阻R16的第二端与所述电阻R17的第一端连接，所述电阻R17的第二端与电源VCC连接，所述电阻R16的第二端与所述电压跟随电路的输入端连接。

本发明的技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)本发明的漏电流检测电路和整流电路对应不同大小的漏电流输出不同大小的检测电压，当该检测电压小于预设电压时，电压比较电路输出低电平，继电器控制电路控制继电器保持连接不动作；而当该检测电压超过预设电压时，电压比较电路便会输出高电平，继电器控制电路控制继电器立即动作，断开充电线路，本发明通过对预设电压的设置可以满足任意漏电流大小时的继电器动作时限要求，杜绝安全隐患；

(2)本发明的漏电流继电保护电路还包括电压调理电路，电压调理电路的输入端输入电压信号，电压调理电路的输出端连接控制器以进行RMS计算，控制器根据计算结果控制继电器动作，在漏电流小于30mA时，继电器正常工作；在漏电流较大时，继电器控制电路根据电压比较器的比较结果和控制器的控制信号控制继电器动作，立刻断开充电线路；而在漏电流处于中间值时，控制器通过RMS计算，然后再根据计算结果输出控制信号控制继电器动作，如此，在任意漏电流大小的情况下，均能满足动作时限要求，及时断开电路，并且继电器动作精准，不易发生误动作。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为继电器动作时限与漏电流大小关系的曲线图；

图2为本发明的漏电流继电保护电路的原理图；

图3为本发明的电流互感器连接电路的电路结构图；

图4为本发明的比例放大电路的电路结构图；

图5为本发明的整流电路的电路结构图；

图6为本发明的检测电压的波形图；

图7为本发明的电压比较电路的电路结构图；

图8为本发明的比较结果的波形图；

图9为本发明的继电器控制电路的电路结构图；

图10为本发明的电压调理电路的电路结构图。

具体实施方式

本发明的目的是提供一种漏电流继电保护电路，在漏电流有效值超过30mA时可以断开继电器，并且在漏电流较大时，可以立即断开继电器，在任意漏电流大小的情况下均可满足继电器的动作时限要求。下面结合附图对本发明的实施方式进行详细说明。

实施例一：

如图2所示，本实施例的漏电流继电保护电路包括漏电流检测电路、整流电路、电压比较电路和继电器控制电路，其中，漏电流检测电路用于检测漏电流大小并将漏电流转换成电压信号，整流电路用于将电压信号整流并输出检测电压，电压比较电路将检测电压与预设电压比较，并输出比较结果给继电器控制电路，继电器控制电路根据比较结果控制继电器动作。

这样，本实施例的漏电流检测电路和整流电路对应不同大小的漏电流输出不同大小的检测电压，当该检测电压小于预设电压时，电压比较电路输出低电平，继电器控制电路控制继电器保持连接不动作；而当该检测电压超过预设电压时，电压比较电路便会输出高电平，继电器控制电路控制继电器立即动作，断开充电线路。

由此可知，只需根据继电器的动作时限要求，选择一个预设电流，该预设电流对应一个预设电压，将预设电压设置成漏电流等于该预设电流时的检测电压，那么在漏电流超过该预设电流时，继电器便可以立即动作，如选取预设电流为30mA，那么在漏电流大于30mA时，检测电压大于预设电压，此时继电器便会动作。本实施例通过设置该预设电压的值，可以使得在漏电流为任意值时均能满足继电器动作时限要求，及时断开充电线路。

进一步地，本实施例的漏电流检测电路包括电流互感器连接电路和比例放大电路，电流互感器连接电路的输入端检测所述漏电流，电流互感器连接电路的输出端连接比例放大电路的输入端，比例放大电路的输出端输出与漏电流成线性比例关系的电压信号。具体地，如图3-4所示，电流互感器连接电路包括零序电流互感器T1和电阻R1，零序电流互感器T1的一次侧检测漏电流，零序电流互感器T1可选但不限于穿心式电流互感器，可将作为漏电流载体的导线从该零序电流互感器T1的中间穿过，从而该导线便形成为零序电流互感器T1的一次侧线圈，零序电流互感器T1的二次侧连接有电阻R1，电阻R1的一端接地，电阻R1的另外一端输出二次侧电压V1，并且电阻R1的另外一端连接比例放大电路的输入端，比例放大电路的输出端输出电压信号V2。进一步地，如图4所示，本实施例的比例放大电路包括运算放大器U1，电阻R1的另外一端经电阻R4连接运算放大器U1的同相输入端，运算放大器U1的反相输入端经电阻R2接地，运算放大器U1的反相输入端与输出端之间连接有电阻R3，运算放大器U1的输出端输出电压信号V2。

参见图3和图4，假设零序电流互感器的二次侧电流为I，则V1＝R1×I，比例放大电路的放大比例为

进一步地，由于漏电流为交流信号，漏电流检测电路输出的电压信号V2也为交流信号，本实施例通过整流电路将该电压信号V2转换成单向脉动的检测电压，具体地，如图5所示，本实施例的整流电路包括运算放大器U2、运算放大器U3和外围电路，运算放大器U2和运算放大器U3结合外围电路构成精密全波整流电路，将电压信号V2整流并输出图6所示的周期为10ms的检测电压V3，该检测电压V3用于与预设电压进行比较。

进一步地，如图7-8所示，本实施例的电压比较电路将检测电压V3和预设电压比较，输出比较结果给继电器控制电路，具体地，本实施例的电压比较电路包括电压比较器U4，电压比较器U4的同相输入端输入检测电压V3，电压比较器U4的反向输入端输入预设电压V4，电压比较器U4的输出端输出图8所示的比较结果V5给继电器控制电路。进一步地，电压比较器U4的输出端还设有上拉电阻R11，因为比较器是集电极开路输出的，通过上拉电阻R11输出高电平。

进一步地，如图9所示，本实施例的继电器控制电路包括第一开关元件和第二开关元件，第一开关元件的第一脚和第三脚串接在继电器主回路中，第一开关元件的第二脚与第二开关元件的第一脚连接，第二开关元件的第三脚接地，第二开关元件的第二脚输入上述比较结果。具体地，第一开关元件为三极管Q1，第二开关元件为三极管Q2，两者的第一脚均为集电极，第二脚均为基极，第三脚均为发射极。三极管Q1的集电极与继电器K1的一端连接，继电器K1的另外一端与电源VCC连接，三极管Q1的发射极接地，三极管Q1的基极经电阻R12连接有开关S2A。进一步地，三极管Q1的基极经电阻R15与三极管Q2的集电极连接，三极管Q2的发射极接地，三极管Q2的基极连接电阻R13的第一端，电阻R13的第二端连接有开关S1A，并且电阻R13的第二端经电阻R14接地。

需要说明的是，此处S2A代表控制器输出的控制信号，初始状态下，控制器输出初始控制信号为高电平，此时相当于开关S2A闭合导通；S1A代表上述电压比较电路输出的比较结果，当比较结果为高电平时，相当于开关S1A闭合导通，当比较结果为低电平时，相当于开关S1A断开。此处仅作示意，在实际电路中可以将控制器输出控制信号的端口连接到电阻R12的前端M点，将电压比较电路的输出端连接到电阻R13的前端N点。

初始状态时，控制器根据充电需求输出初始控制信号为高电平(相当于开关S2A闭合)，此时三极管Q1导通。当漏电流小于预设电流时，检测电压小于预设电压，比较结果V5为低电平(相当于开关S1A打开)，此时三极管Q2关断，三极管Q1保持导通，继电器K1工作触点吸合，继电器主回路导通，充电线路工作，此时处于正常工作状态；当漏电流大于预设电流时，比较结果V5为具有一定占空比的方波，在比较结果V5为高电平时(相当于开关S1A闭合)，三极管Q2导通，拉低三极管Q1的基极电压，使得三极管Q1关断，继电器K1工作触点立即断开，停止工作，充电线路断开。进一步地，本实施例的比较结果同时输出给控制器，控制器根据比较结果输出控制信号控制继电器动作，具体地，在控制器检测到比较结果为高电平或者从低电平上升为高电平时，输出控制信号一直为低电平(相当于开关S2A一直断开)，此时即使比较结果由高电平变为低电平，继电器K1也不会再次导通，通过控制器对电压比较电路的比较结果处理，可防止继电器K1频繁导通和断开。

由于控制器对比较结果进行处理需要一定的时间，约为几百微秒，本实施例通过设置三极管Q2并将比较结果输出到三极管Q2的基极，如此使得继电器K1可以立即断开，断开更加迅速及时。

优选地，可设置预设电流为30mA,在漏电流小于30mA时，继电器主回路导通，在漏电流大于30mA时，继电器主回路立刻断开，此时继电器动作时间仅为其自身动作时间约15ms，而由图1可知，在漏电流大于300mA时，其动作时限为20ms，因此可以满足任意漏电流大小时继电器的动作时限要求。需要注意的是，此处的30mA一般为有效值，对应的预设电压也应为有效值，而本实施例中的检测电压是瞬时值，因此需要将预设电压设置为与有效值对应的峰值，如正弦波中可将其设置为有效值的

综上所述，本实施例的漏电流继电保护电路在漏电流为任意值时均能满足继电器动作时限要求，及时断开充电线路，保障人身和设备安全。

实施例二：

如图10所示，本实施例的漏电流继电保护电路和实施例一的区别在于，本实施例的漏电流继电保护电路还包括电压调理电路，电压调理电路的输入端输入上述电压信号V2，电压调理电路的输出端作为AD输入连接控制器以进行RMS计算，控制器根据RMS计算结果输出控制信号以控制继电器动作，即输出到图9中的M点。进一步地，电压调理电路包括电压转换电路、电压跟随电路、滤波电路和钳位电路，电压跟随电路的输入端连接电压转换电路的输出端，电压跟随电路的输出端经滤波电路和钳位电路连接控制器，控制器根据RMS计算结果输出控制信号以控制继电器动作。

具体地，电压转换电路包括电阻R16和电阻R17，电阻R16的第一端与比例放大电路的输出端连接，电阻R16的第二端与电阻R17的第一端连接，电阻R17的第二端与电源VCC连接，并且电阻R16的第二端与电压跟随电路的输入端连接。电压跟随电路包括电压跟随器U5，电压跟随器U5的输出端连接滤波电路，该滤波电路由电阻R18和电容C2组成，电阻R18的第一端连接电压跟随器U5的输出端，电阻R18的第二端经电容C2接地，并且电阻R18的第二端连接钳位电路。该钳位电路包括二极管D3和二极管D4，二极管D3的阴极接电源VCC,二极管D3的阳极与二极管D4的阴极连接，二极管D4的阳极接地，并且二极管D4的阴极作为AD输入与控制器连接。

其中，电压转换电路用于将电压信号V2转换为0-3.3V的单极性电压V2’。电压跟随电路具有输入阻抗高，输出阻抗低的特点，使得它对上一级电路呈现高阻状态，而对下一级电路呈现低阻状态，以隔离前后级电路，消除它们之间的相互影响，以便进行阻抗匹配，减小采样误差。滤波电路用于滤波，钳位电路用于保证AD输入的电压保持在0-3.3V，防止AD输入电压越界，该AD输入电压输入控制器中进行RMS计算，当计算得到的有效值在大于30mA时,控制器输出控制信号为低电平，即相当于图9中的开关S2A断开，继电器K1断开。

在设置电压调理电路后，可以设置上述预设电流为其他值如可以为200mA，这样，在漏电流为0-30mA时，检测电压小于预设电压，比较结果为低电平，并且RMS计算得到漏电流小于30mA，控制器输出控制信号为高电平，此时器K1工作触点闭合，正常工作；在漏电流为30-200mA时，检测电压小于预设电压，比较结果为低电平，但是控制器进行RMS计算得到漏电流有效值超过30mA，输出控制信号为低电平，继电器K1工作触点断开，此时的断开时间为RMS计算的时间20ms加上继电器自身动作的时间15ms，约为35ms，而由图1可知，在漏电流小于200mA时，继电器的动作时限要求是小于38ms，此时可满足要求，所以优选预设电流为200mA；在漏电流大于200mA时，检测电压大于预设电压，比较结果为高电平，继电器K1工作触点立刻断开，此时断开时间为继电器自身动作时间，仅为15ms，而在漏电流大于300mA时，继电器的动作时限为20ms，此时也可以满足动作时限要求。由此可见，本实施例的漏电流继电保护电路也可以满足任意漏电流大小时继电器的动作时限要求，并且在30-200mA内采用控制器来计算有效值，使得继电器的动作更加精准。

如果直接设置预设电流为30mA，虽然可以满足继电器的动作时限要求，但是由于该30mA的预设电流为有效值，在设置预设电压时，需要对应有效值为30mA的交流电进行换算，换算成与有效值对应的峰值，而一般漏电流的波形会受电路中其他模块干扰，存在一定波动，因此，经过换算后的预设电压与实际存在一定偏差，如果预设电压设置偏低，则容易误动作，如果预设电压设置偏高，则无法达到规定的漏电流为30mA时的动作要求。而本实施例在漏电流超过30mA时通过RMS计算可以得到精准的有效值，使得继电器动作精准。虽然在设置预设电流为200mA时，换算的预设电压值也存在一定误差，但是此时可以将预设电压设置偏低，不会误动作同时可以满足动作时限要求。

如果仅采用RMS计算有效值并且在其大于30mA时使继电器断开的方案，无法完全满足继电器的动作时限要求，因为为了得到准确的有效值，在对AD输入电压进行采样时需要采样一个周期，即

由此可见，本实施例的漏电流继电保护电路在漏电流为30-200mA时，采用根据控制器RMS计算结果控制继电器动作的方案，而在漏电流大于200mA时采用根据电压比较器的比较结果控制继电器动作的方案，可以满足任意漏电流大小时的继电器动作时限要求，并且继电器动作精准，不易发生误动作。当然，此处的区间值200mA可以根据实际情况设置成其他数值，如根据不同自身动作时间的继电器设置或者根据不同的继电器动作时限要求曲线图进行设置，以满足动作时限要求。

实施例三：

如图3，本实施例的漏电流检测电路中的零序电流互感器型号为HCT2018-LF，其变比为1000/1即1A/1mA，二次侧电压为V1＝R1×I，取R1＝200Ω，则V1＝200×I。

如图4，取R3＝900Ω，R2＝100Ω，平衡电阻R4＝R2//R3＝90Ω，则该比例放大电路的放大倍数是1+R3/R2＝10，电压信号V2＝10×V1。

如图10，在电压转换电路中，电阻R16和电阻R17均取值1kΩ,则V2’＝0.5V2+1.65。该平移后的电压信号V2’通过电压跟随电路进行隔离，再经过RC滤波电路后由钳位电路使得AD输入电压不超过3.3V。该AD输入电压输入控制器进行RMS计算，RMS计算即为均方根计算，计算结果实际就是有效值，是一组数据的平方的平均值的平方根。RMS计算分为三个部分，第一部分是一个乘法器，对输入其的电压Ub进行平方计算得到电压Ua＝Ub

如图1，当漏电流在200mA时，继电器的动作时限大约为38ms，此时继电器完全断开的时间约为35ms，符合要求，即漏电流小于200mA时，继电器动作时间为35ms，符合38ms的动作时限要求，漏电流大于200mA时，继电器动作时间为15ms，符合20ms的动作时限要求。因此，本实施例优选将200mA作为预设电流，当漏电流大于200mA时继电器直接动作，立即断开充电线路。

进一步地，预设电流为200mA，那么零序电流互感器T1输出的二次侧电压V1＝200×I＝200×0.2/1000＝0.04V，经过比例放大电路后得到电压信号V2＝10×V1＝0.4V，检测电压V3＝0.4V，该检测电压为有效值，其对应的峰值大于0.4V，理论上将预设电压设置成和该峰值相同即可，本实施例中优选地将预设电压设置偏低，如可直接设置预设电压V4＝0.4V，相当于在漏电流为200mA以下接近200mA时，继电器就会发生动作断开线路，可完全满足时限要求。

在其他实施例中，可以选择其他型号的零序电流互感器，如变比为100/1的零序电流互感器，那么其输出电压便是0.4V，该输出电压可直接作为电压信号，可省略比例放大电路。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“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发明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。

以上的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。