CN102004203A - 一种漏电流检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种漏电流检测装置，包括：漏电流检测单元以及后续处理电路；其中，漏电流检测单元包括：具有气隙的磁芯和传感组合；传感组合位于气隙处；电流母线排从磁芯中间穿过；其中，磁芯用于加强由电流母线排中的漏电流所引起的磁场的磁感应强度；传感组合用于检测磁感应强度，并输出检测结果；后续处理电路用于根据传感组合输出的检测结果确定当前的漏电流的大小。应用本发明所述的装置，能够实现对于较大范围内以及不同类型的漏电流的检测，且实现起来简单方便，并能降低成本。

Description

一种漏电流检测装置

技术领域

本发明漏电流保护技术，特别涉及一种漏电流检测装置。

背景技术

当前，漏电流保护装置(RCDs，Residual Current Devices)已经在各不同场合得到了广泛应用，如，在人体可能会与带电电路或输电线发生直接接触的场合。当人体接触到带电体后，一个小电流会流经人体的电阻到达地面，而这个小电流已足以对人体造成伤害，RCDs即用于检测这个小电流。

在实际应用中，可将上述小电流称为漏电流。RCDs能够在检测到漏电流后，及时切断电路的电源，以防止触电事故的发生。RCDs同样可用于检测能够引起火灾甚至更严重后果的较大漏电流。也就是说，RCDs需要具有一个较大的漏电流检测范围，比如，从30毫安(mA)到3～5A。另外，在实际应用中，大多数RCDs都需要集成在断路器中，因此在设计RCDs时，需要保证其体积不能过大。

现有RCDs主要由差分电流转换器(DCT，Differential Current Transformer)、后续处理电路以及机械结构等三部分组成。其中，用于检测漏电流的部分为DCT，包括一个圆形或矩形的磁芯，磁芯上缠绕有数百匝的细铜线；用一个金属屏蔽层将磁芯及铜线覆盖住，以避免外界磁场干扰。如图1所示，图1为现有DCT的整体结构示意图。所有的电流母线排从磁芯中间穿过。在不存在漏电流的情况下，穿过磁芯的所有电流的矢量和为零，那么基于安培环路定理可知，此时磁芯中不存在磁通量；如果存在漏电流，那么电流矢量和将不为零，同时，漏电流将导致磁芯中出现可变磁通量；进一步地，该可变磁通量将导致线圈中(即缠绕在磁芯上的细铜线)出现感应电动势。后续处理电路对线圈中的感应电动势进行处理和分析，如果分析结果显示当前的漏电流大于预先设定的阈值，则通过激活机械机构来切断电源，以执行保护功能。

考虑到漏电流通常较小，因此磁芯需要采用昂贵的坡莫合金材料制成，这是因为坡莫合金的相对磁导率较大，会使得线圈中的感应电动势增大，便于处理和分析，否则，如果感应电动势过小的话，后续会很难进行处理。另外，如果要检测的漏电流较大，那么磁芯需要具有较大的截面，以避免出现磁饱和现象，影响检测过程的正常进行；但是，如果漏电流非常大，比如20A或30A，那么就需要磁芯的截面非常大，相应地，就会导致DCT的体积非常大，针对这种情况，现有技术中通常会在DCT之外专门设置一个用于检测较大漏电流的设备。

可见，现有检测方式虽然能够检测出一定范围内的漏电流，但是，由于需要使用坡莫合金等材料，而且需要增大磁芯截面或专门设置用于检测较大漏电流的设备，因此，增加了实现的复杂度和实现成本。而且，由于只有交流电才能在线圈中产生感应电动势，因此，现有检测方式不适用于检测直流漏电流。再有，现有检测方式也不适用于检测具有较高频率的较大漏电流，因为具有较高频率的较大漏电流会导致线圈中出现涡流，进而导致检测结果不准确。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种漏电流检测装置，能够实现对于较大范围内以及不同类型的漏电流的检测，且实现起来简单方便，并能够降低成本。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种漏电流检测装置，包括：漏电流检测单元以及后续处理电路；

其中，所述漏电流检测单元包括：具有气隙的磁芯以及传感组合；所述传感组合位于所述气隙处；电流母线排从所述磁芯中间穿过；

所述磁芯，用于加强由所述电流母线排中的漏电流所引起的磁场的磁感应强度；

所述传感组合，用于检测所述磁场的磁感应强度，并输出检测结果；

所述后续处理电路，用于根据所述传感组合输出的检测结果确定当前的漏电流的大小。

较佳地，所述传感组合中包括以下传感器中的一种或任意组合：各向异性磁电阻传感器、巨磁电阻传感器以及霍尔传感器；

所述各向异性磁电阻传感器、巨磁电阻传感器以及霍尔传感器分别用于检测不同范围内的磁感应强度。

较佳地，所述传感组合中进一步包括：塑料外壳；基于所述传感组合中包括的不同传感器的体积以及灵敏度轴线的方向，所述塑料外壳上设置有对应于不同传感器的插槽。

较佳地，当所述传感组合中同时包括各向异性磁电阻传感器、巨磁电阻传感器以及霍尔传感器时，所述巨磁电阻传感器的个数为2，且具有不同的磁感应强度检测范围。

较佳地，所述漏电流检测单元中进一步包括：屏蔽层，用于覆盖住所述磁芯以及所述传感组合，以防止外界磁场干扰。

所述磁芯以及所述屏蔽层的材料均为铁。所述磁芯的形状为圆形或椭圆形。

可见，采用本发明的技术方案，利用各向异性磁电阻传感器、巨磁电阻传感器和霍尔传感器中的一种或任意组合来构成传感组合，并将该传感组合设置于磁芯的气隙处，直接检测由漏电流所引起的磁场。相比于现有技术，本发明所述方案具有以下优势：

1)磁芯的截面无需做得很大，且无细铜线缠绕，另外制作磁芯的材料可以为铁等普通材料，因此不但可以缩小整个漏电流检测装置的体积，而且降低了实现成本。

2)本发明所述方案中，只需一个传感组合，即可检测从30mA到300A范围内的漏电流，扩大了漏电流的检测范围，而且对于较大漏电流，无需专门设置额外的检测设备，降低了方案实现的复杂度。

3)可灵活设置不同传感器之间的联合方式，以检测不同范围内的漏电流，比如，如果不使用AMR传感器，则漏电流检测范围的低端取值将增大，如果不使用霍尔传感器，则高端取值将变小。

4)本发明所述方案可检测很大带宽范围内的漏电流，从直流到大于5KHz，也就是说，本发明所述方案不但可以检测交流漏电流，而且可以检测直流漏电流，而且由于不会产生涡流，所以不受漏电流频率大小的影响。

附图说明

下面将通过参照附图详细描述本发明的优选实施例，使本领域的普通技术人员更清楚本发明的上述及其它特征和优点，附图中：

图1为现有DCT的整体结构示意图；

图2为本发明漏电流检测装置实施例的结构示意图；

图3为本发明实施例中的各传感器的结构示意图；

图4为本发明实施例中的传感组合4的整体结构示意图；

图5为本发明实施例中的传感组合4中的各传感器的位置示意图；

图6为本发明实施例中的磁芯3的一种结构示意图；

图7为本发明实施例中的磁芯3的另一种结构示意图；

图8为本发明实施例中的铁制屏蔽层2的整体结构示意图；

图9为本发明实施例中的铁制屏蔽层2的剖面结构示意图。

具体实施方式

针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种全新的漏电流检测方案，即利用各向异性磁电阻(AMR，Anisotropic MagnetoResistance)传感器、巨磁电阻(GMR，Giant MagnetoResistance)传感器和霍尔传感器(Hall sensors)等之中的一种或任意组合，来直接检测由漏电流所引起的磁场。

为使本发明的技术方案更加清楚、明白，以下参照附图并举实施例，对本发明所述方案作进一步地详细说明。

图2为本发明漏电流检测装置实施例的结构示意图。如图2所示，包括：漏电流检测单元10以及后续处理电路20。其中，漏电流检测单元10中可具体包括：具有气隙9的磁芯3以及传感组合4；传感组合4位于气隙9处；电流母线排1从磁芯3中间穿过；另外，传感组合4中可进一步包括以下传感器中的一种或任意组合：AMR传感器8、GMR传感器6以及霍尔传感器7。

具体来说，磁芯3用于加强由电流母线排1中的漏电流所引起的磁场的磁感应强度；传感组合4用于检测磁场的磁感应强度，并输出检测结果；其中，AMR传感器8、GMR传感器6以及霍尔传感器7分别用于检测不同范围内的磁感应强度；后续处理电路20用于根据传感组合4输出的检测结果确定当前的漏电流的大小。

图3为本发明实施例中的各传感器的结构示意图。AMR传感器8、GMR传感器6以及霍尔传感器7均具有较大的带宽，比如从直流到5千赫兹(KHz)，并可直接感应出磁场的磁感应强度，而且均具有较小的体积以及可靠的性能，另外，这些传感器均具有一定的线性工作范围。

同时，AMR传感器8、GMR传感器6以及霍尔传感器7也具有很多的不同点，比如分辨率、工作电压以及对磁场的感应能力等，其中对磁场的感应能力这一点与本发明所述方案最为相关。在这三种传感器中，AMR传感器8适用于检测低磁场，比如0.05高斯的磁场，GMR传感器6适用于检测从零点几高斯到一百高斯范围内的磁场，而霍尔传感器7则适用于检测从几十高斯到一千多高斯范围内的磁场。

在实际应用中，根据实际需要的不同，可在传感组合4中只设置AMR传感器8、GMR传感器6以及霍尔传感器7中的一种，也可以是任意两种(通常是AMR传感器8和GMR传感器6，或者GMR传感器6和霍尔传感器7)或全部三种。举例来说，对于家庭用电等场合，由于漏电流通常较小，因此可只设置AMR传感器8或AMR传感器8和GMR传感器6；而对于工业用电等场合，由于漏电流通常较大，因此可只设置GMR传感器6和霍尔传感器7。

总之，具体设置方式视实际需要而定。假设本实施例中需要同时设置上述三种传感器，即利用AMR传感器8来检测较小的漏电流，利用GMR传感器6来检测取值适中的漏电流，利用霍尔传感器7来检测较大的漏电流。另外，由于AMR传感器8与霍尔传感器7之间的检测范围距离较大，如果只用一个GMR传感器6可能不能检测到这么大的范围，因此，可设置两个GMR传感器6。比如，在实际应用中，可选用一个型号为Honeywell HMC1001的AMR传感器8，检测范围为0.03～2高斯；选用一个型号为NVEAA002-02的GMR传感器6和一个型号为NVE AB001-02的GMR传感器6，检测范围分别为1.5～10.5高斯和10～175高斯；选用一个型号为Allegro A1301的霍尔传感器7，检测范围为80～1880高斯。

另外，不同的传感器具有不同的体积以及不同的灵敏度轴线，为了获取较高的每高斯和每偏值电压的输出，不同传感器的灵敏度轴线需要平行于磁场方向。本发明实施例中，基于不同传感器的体积以及灵敏度轴线的方向，设置一个塑料外壳5来固定这些传感器，具体来说，基于不同传感器的体积以及灵敏度轴线的方向，塑料外壳5上设置有对应于不同传感器的插槽，不同传感器分别插在对应的插槽内。将塑料外壳5以及其中的AMR传感器8、GMR传感器6以及霍尔传感器7统称为传感组合4。

图4为本发明实施例中的传感组合4的整体结构示意图；图5为本发明实施例中的传感组合4中的各传感器的位置示意图。如图5所示，通常AMR传感器8的体积最大，位于最下面的位置；两个GMR传感器6叠放在AMR传感器8之上；霍尔传感器7位于两个GMR传感器6的一侧，同样位于AMR传感器8之上。这种设置方式能够使传感组合4的体积最小。

将图4所示传感组合4设置于磁芯3的气隙9处。如图6所示，图6为本发明实施例中的磁芯3的结构示意图。在实际应用中，磁芯3的形状可以是如图6所示的圆形，也可以是如图7所示的椭圆形，假设本实施例中采用图6所示形状，电流母线排1从磁芯3中间穿过。

理论和试验表明，通常情况下，围绕在电流母线排1周围的磁场非常弱，尤其是当漏电流较小，比如为30、50或100mA时，磁感应强度甚至比地球磁场还要小0.5高斯，即便是AMR传感器8也无法检测到如此之小的磁场。因此，本发明实施例中，利用具有气隙9的磁芯3来对磁通量进行集中，即对磁感应强度进行加强。由于铁的相对磁导率远大于空气的相对磁导率，约几千倍左右，也就是说，采用铁制磁芯即可较好的加强磁感应强度，因此，使用铁作为磁芯3的制作材料就已经足够了。另外，在实际应用中，磁感应强度主要受以下因素的影响：穿过磁芯3的漏电流大小以及气隙9的宽度等；漏电流越大，磁感应强度越大，气隙9的宽度越大，磁感应强度越小，因此需要使气隙9的宽度能够尽量小，本发明实施例中，气隙9的宽度设置为和传感组合4的宽度一致即可。

另外，由于漏电流所引起的磁场通常较小，而且，AMR传感器8等对其它外部磁场非常敏感，因此需要设置一个磁场屏蔽结构来防止外界干扰。本发明实施例中，将传感组合4以及磁芯3设置于一个密闭的屏蔽层2内，通常，该屏蔽层2的制作材料为铁，所以也称为铁制屏蔽层2。图8为本发明实施例中的铁制屏蔽层2的整体结构示意图；图9为本发明实施例中的铁制屏蔽层2的剖面结构示意图。可以看出，铁制屏蔽层2的两个底面上分别设置有四个洞，用于电流母线排1从中穿过。

后续过程中，可利用后续处理电路20对传感组合4输出的检测结果进行处理和分析，以确定当前的漏电流的大小。在实际应用中，传感组合4会输出多个检测结果，比如AMR传感器8输出一个检测结果，两个GMR传感器6各输出一个检测结果，霍尔传感器7输出一个检测结果，那么，可通过对各传感器的线性工作范围进行分析，选取其中一个输出结果作为所需的输出结果，具体实现为本领域公知，不再赘述。

总之，采用本发明的技术方案，具有以下优势：

1)本发明所述方案中，磁芯的截面无需做得很大，且无细铜线缠绕，另外制作磁芯的材料可以为铁等普通材料，因此不但可以缩小整个漏电流检测装置的体积，而且降低了实现成本。

2)本发明所述方案中，只需一个传感组合，即可检测从30mA到300A范围内的漏电流，扩大了漏电流的检测范围，而且对于较大漏电流，无需专门设置额外的检测设备，降低了方案实现的复杂度。

3)可灵活设置不同传感器之间的联合方式，以检测不同范围内的漏电流，比如，如果不使用AMR传感器，则漏电流检测范围的低端取值将增大，如果不使用霍尔传感器，则高端取值将变小。

4)本发明所述方案可检测很大带宽范围内的漏电流，从直流到大于5KHz，也就是说，本发明所述方案不但可以检测交流漏电流，而且可以检测直流漏电流，而且由于不会产生涡流，所以不受漏电流频率大小的影响。

上述实施例仅用于举例说明，并不用于限制本发明的技术方案。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种漏电流检测装置，包括：漏电流检测单元(10)以及后续处理电路(20)；

其中，所述漏电流检测单元(10)包括：具有气隙(9)的磁芯(3)以及传感组合(4)；所述传感组合(4)位于所述气隙(9)处；电流母线排(1)从所述磁芯(3)中间穿过；

所述磁芯(3)，用于加强由所述电流母线排(1)中的漏电流所引起的磁场的磁感应强度；

所述传感组合(4)，用于检测所述磁场的磁感应强度，并输出检测结果；

所述后续处理电路(20)，用于根据所述传感组合(4)输出的检测结果确定当前的漏电流的大小。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述传感组合(4)中包括以下传感器中的一种或任意组合：各向异性磁电阻传感器(8)、巨磁电阻传感器(6)以及霍尔传感器(7)；

所述各向异性磁电阻传感器(8)、巨磁电阻传感器(6)以及霍尔传感器(7)分别用于检测不同范围内的磁感应强度。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述传感组合(4)中进一步包括：塑料外壳(5)；基于所述传感组合(4)中包括的不同传感器的体积以及灵敏度轴线的方向，所述塑料外壳(5)上设置有对应于不同传感器的插槽。

4.根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于，当所述传感组合(4)中同时包括各向异性磁电阻传感器(8)、巨磁电阻传感器(6)以及霍尔传感器(7)时，所述巨磁电阻传感器(6)的个数为2，且具有不同的磁感应强度检测范围。

5.根据权利要求1、2或3所述的装置，其特征在于，所述漏电流检测单元(10)中进一步包括：屏蔽层(2)，用于覆盖住所述磁芯(3)以及所述传感组合(4)，以防止来自外界的磁场干扰。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述磁芯(3)以及所述屏蔽层(2)的材料均为铁。

7.根据权利1、2或3所述的装置，其特征在于，所述磁芯(3)的形状为圆形或椭圆形。

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