陳英武，樊可清，羅炳聰

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商用中央空調(diào)的剩余電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

陳英武，樊可清，羅炳聰

（五邑大學(xué) 信息工程學(xué)院，廣東 江門 529020）

商用中央空調(diào)在運(yùn)行時(shí)會(huì)存在較小的剩余電流，若該剩余電流過(guò)大則說(shuō)明空調(diào)系統(tǒng)可能存在故障漏電等情況. 為檢測(cè)空調(diào)的剩余電流值，本文運(yùn)用虛擬儀器技術(shù)，并搭配不同型號(hào)的剩余電流互感器構(gòu)建了商用中央空調(diào)剩余電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng). 實(shí)驗(yàn)證明，該檢測(cè)系統(tǒng)可適用于不同型號(hào)的中央空調(diào)，具有適用性強(qiáng)、測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn).

商用中央空調(diào)；剩余電流；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

商用中央空調(diào)內(nèi)有多個(gè)三相負(fù)載（如壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)等）同時(shí)工作，內(nèi)部供電線路復(fù)雜，其供電電壓波形也含有一定的諧波，這些諧波會(huì)通過(guò)電機(jī)繞組的對(duì)地寄生電容和電機(jī)電纜線的對(duì)地寄生電容產(chǎn)生對(duì)地漏電流[1]，設(shè)備運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生的正常剩余電流. 若剩余電流大小超過(guò)正常值，則說(shuō)明產(chǎn)品質(zhì)量出現(xiàn)問(wèn)題，因此，對(duì)空調(diào)剩余電流的監(jiān)測(cè)成為衡量產(chǎn)品質(zhì)量的一個(gè)重要手段. 目前的剩余電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大多是將系統(tǒng)集成到配、變電綜合配電箱中，對(duì)多個(gè)用戶和多臺(tái)設(shè)備的總剩余電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其剩余電流范圍在[2]；而現(xiàn)有的基于虛擬儀器電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其監(jiān)測(cè)對(duì)象主要是電網(wǎng)諧波、三相電壓和電流不平衡率等，沒(méi)有針對(duì)剩余電流的監(jiān)測(cè)[3-4].

本文采用美國(guó)國(guó)家儀器公司（National Instruments，簡(jiǎn)稱NI）的C系列電壓測(cè)量模塊、剩余電流互感器和NI LabVIEW軟件，結(jié)合調(diào)理電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)商用中央空調(diào)剩余電流的監(jiān)測(cè). 利用此監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，一方面對(duì)空調(diào)正常工作時(shí)的剩余電流大小進(jìn)行檢測(cè)，此值可以為空調(diào)剩余電流保護(hù)裝置的選型提供參考依據(jù)，也可以判斷設(shè)備質(zhì)量是否合格；另一方面對(duì)出現(xiàn)故障漏電時(shí)較大的剩余電流自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，并報(bào)警，記錄的數(shù)據(jù)方便研發(fā)人員后期查看，分析故障產(chǎn)生的原因.

1 剩余電流檢測(cè)

1.1 剩余電流互感器

剩余電流是指通過(guò)電氣線路的瞬時(shí)電流矢量和（用有效值表示）[5]，它是較大負(fù)載電流下的微弱差值電流. 用于檢測(cè)剩余電流的互感器通常是非接觸的，目前常用的非接觸式的電流互感器主要有電磁式電流互感器、霍爾電流互感器和磁調(diào)制式電流互感器[6].

因監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要用在空調(diào)測(cè)試實(shí)驗(yàn)室，其監(jiān)測(cè)的商用中央空調(diào)屬于定頻空調(diào)，此類空調(diào)配電系統(tǒng)的接地式采用TN-S系統(tǒng)，并要求傳感器裝卸方便，所以可選用電磁式電流互感器. 電磁式電流互感器基于法拉第電磁感應(yīng)原理來(lái)檢測(cè)線路中的剩余電流，其工作原理如圖1所示，圖中、為線路負(fù)載電流；為互感器二次回路感應(yīng)電流；為二次回路感應(yīng)電壓；為二次回路電阻.

圖1 電磁式剩余電流互感器工作原理

1.2 剩余電流檢測(cè)方法

根據(jù)磁動(dòng)勢(shì)平衡原理，一、二次繞組的電流應(yīng)滿足如下關(guān)系：

所選互感器鐵芯磁導(dǎo)率較高，鐵芯中各種損耗很小，因此所需勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)可忽略[7]，即：

由式（3）、（4）可得：

1.3 剩余電流檢測(cè)波形

根據(jù)1.2中介紹的測(cè)試方法，對(duì)實(shí)際剩余電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)，測(cè)試的原始電壓波形如圖2所示.

圖2 剩余電流原始波形

2 剩余電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 剩余電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于虛擬儀器的剩余電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由硬件采集部分和軟件數(shù)據(jù)處理部分構(gòu)成. 硬件部分主要由剩余電流互感器、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)組成，用于感知被測(cè)的剩余電流，提取信號(hào)數(shù)據(jù)；軟件部分對(duì)采集到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行濾波、數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計(jì)分析以及結(jié)果顯示等.

系統(tǒng)首先通過(guò)剩余電流互感器將需要檢測(cè)的剩余電流信號(hào)通過(guò)二次回路電阻轉(zhuǎn)換成采集卡可以采集的電壓信號(hào)，之后利用采集卡和數(shù)據(jù)采集軟件將此電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以處理的數(shù)字信號(hào)，同時(shí)在計(jì)算機(jī)軟件中對(duì)這些數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分析、處理、存儲(chǔ)，最終將結(jié)果呈現(xiàn)給用戶.

2.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件選取

硬件是整個(gè)系統(tǒng)最基礎(chǔ)的部分，主要負(fù)責(zé)將物理信號(hào)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制的數(shù)字信號(hào).

互感器的選擇：實(shí)際測(cè)試時(shí)是將連接商用中央空調(diào)的三根相線和中性線全部穿過(guò)互感器，而這些連接線直徑較大，所選傳感器的內(nèi)孔徑尺寸要滿足測(cè)試要求，另外環(huán)境以及電磁干擾也需要考慮，因此聯(lián)系某互感器生產(chǎn)廠家專門定制了以高磁導(dǎo)率鎳鋼或納米晶為材料的互感器，其穩(wěn)定性好，具有優(yōu)異的平衡特性、并具有極強(qiáng)的抗電磁場(chǎng)干擾能力，工作溫度范圍為.

2.3 剩余電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件部分是虛擬儀器系統(tǒng)的主體，一方面負(fù)責(zé)控制硬件的工作，另一方面又負(fù)責(zé)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理、顯示和存儲(chǔ). 此檢測(cè)系統(tǒng)的軟件部分采用NI推出的圖形化虛擬儀器專用軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)LabVIEW實(shí)現(xiàn)，采用生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式，其流程圖如圖3所示.

圖3 剩余電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件流程圖

生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式如圖4所示，有2個(gè)While循環(huán)（上面為主循環(huán)、下面為從循環(huán)）和若干個(gè)“隊(duì)列”內(nèi)置函數(shù)（Queue）構(gòu)成. 該設(shè)計(jì)模式可以把數(shù)據(jù)的采集生成過(guò)程和數(shù)據(jù)的計(jì)算分析過(guò)程分開(kāi)獨(dú)立進(jìn)行，相互之間的干擾較小. 采用了隊(duì)列的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式（FIFO），通過(guò)隊(duì)列這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)把生產(chǎn)者中得到的數(shù)據(jù)傳遞到消費(fèi)者中[8].

圖4 剩余電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件程序框圖

在圖4中，生產(chǎn)者主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以處理的數(shù)字信號(hào)，為后面消費(fèi)者進(jìn)行計(jì)算分析提供有效的數(shù)據(jù)源；消費(fèi)者主要負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理、結(jié)果顯示、剩余電流波形顯示、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)保存、報(bào)警信息顯示和存儲(chǔ). 報(bào)警的信息的存儲(chǔ)采用手動(dòng)方式，當(dāng)剩余電流值超過(guò)預(yù)警值時(shí)就會(huì)有報(bào)警信息彈出，點(diǎn)擊程序前面板的“保存報(bào)警信息”按鈕，如圖5所示，即可將報(bào)警信息自動(dòng)保存到Excel工作表中.

圖5 系統(tǒng)前面板

在系統(tǒng)前面板中，也可對(duì)數(shù)據(jù)保存路徑以及剩余電流報(bào)警值進(jìn)行設(shè)置，測(cè)得的剩余電流能實(shí)時(shí)顯示波形和大小，報(bào)警信息中包含具體的時(shí)間標(biāo)識(shí).

3 測(cè)試結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證

對(duì)比驗(yàn)證方案采用NI 9227電流測(cè)試模塊實(shí)現(xiàn)，同時(shí)檢測(cè)設(shè)備各相電流，并將各相電流進(jìn)行矢量合成，將所測(cè)結(jié)果與剩余電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析. NI 9227是一個(gè)4通道電流輸入模塊，可提供4個(gè)同步采樣隔離模擬輸入通道的連接，ADC分辨率為24位，使用內(nèi)部主時(shí)基時(shí)的采樣率最大值可達(dá)，適合測(cè)量標(biāo)稱和最高的每通道峰值電流.

所用驗(yàn)證原理圖如圖6所示，利用NI9227的AI0和AI1通道分別測(cè)試流過(guò)相和相的電流，并在計(jì)算機(jī)中對(duì)所測(cè)得電流做矢量合成，在負(fù)載的與GND之間串接一個(gè)電阻，根據(jù)所選用的電阻值不同，模擬負(fù)載產(chǎn)生的不同接地泄漏電流，同時(shí)使用剩余電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)試負(fù)載的剩余電流，測(cè)試結(jié)果如表1所示（表1僅列出部分測(cè)試數(shù)據(jù)）.

4 結(jié)束語(yǔ)

該剩余電流監(jiān)控系統(tǒng)檢測(cè)的剩余電流主要是工頻、正弦剩余電流信號(hào)，所采用的剩余電流互感器為電磁式剩余電流互感器，對(duì)于非工頻、非正弦的復(fù)雜波形剩余電流信號(hào)還無(wú)法進(jìn)行有效的檢測(cè)，若需對(duì)復(fù)雜波形的剩余電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可考慮使用磁調(diào)制式電流互感器作為剩余電流檢測(cè)元件；因所用NI 9205輸入范圍選用，其所能測(cè)的剩余電流值小于，可通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)對(duì)較大剩余電流值的監(jiān)測(cè)，設(shè)定閾值，當(dāng)剩余電流值超過(guò)閾值時(shí)，選用較大的輸入范圍進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；另外考慮到NI 9205通道較多，可選取合適的電壓和電流傳感器監(jiān)測(cè)空調(diào)的電能質(zhì)量.

[1] 陳坤，夏明. 變頻器前端漏電保護(hù)開(kāi)關(guān)的研究和應(yīng)用[J]. 自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2008, 27(1): 133-134, 69.

[2] 王成楷，楊子欽，傅景源. 智能型低壓電網(wǎng)剩余電流遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)保護(hù)智能裝置的研究與應(yīng)用[J]. 低壓電器，2012(24): 23-27.

[3] 齊超，劉偉健，王燁，等. 基于LabVIEW電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究[J]. 哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014, 30(4): 468-473.

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[5] International Electrotechnical Commission. IEC/TR 60755, General requirements for residual current operated protective devices [S]. Geneva: International Electrotechnical Commission, 2008.

[6] 王堯. 復(fù)雜波形條件下剩余電流檢測(cè)技術(shù)研究[D]. 天津：河北工業(yè)大學(xué)，2012.

[7] 王彥文，白樹(shù)斌，鄭淳，等. 電子式與電磁式電流互感器的差異及其應(yīng)用[J]. 電機(jī)電器，2012, 31(11): 58-61.

[8] 張希. 基于LabVIEW的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[D]. 西安：西安科技大學(xué)，2009.

[責(zé)任編輯：韋 韜]

Research on the Residual Current Monitoring System for Commercial Central Air-conditioning

CHENYing-wu, FANKe-qing, LUOBing-cong

(School of Information Engineering, Wuyi University, Jiangmen 529020, China)

There is a small residual current when the commercial central air-conditioning is at run time. If the excess current is too large, then there probably exists fault leakage in the air conditioning system. In order to detect the residual current value of air-conditioning, this study built a monitoring system for commercial central air-conditioning using the virtual instrument technology and mutual inductors for different types of the residual currents. Experiments show that the detection system can be applied to different types of central air conditioning and has the advantages of strong applicability and accurate test results.

commercial central air-conditioning; residual currents; monitoring systems

1006-7302（2015）03-0070-05

TM933.1

A

2014-12-16

陳英武（1986—），男，河南永城人，在讀碩士生，主要研究方向?yàn)楣こ虦y(cè)試與信號(hào)處理；樊可清，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，通信作者，研究方向?yàn)橹悄苄畔⑻幚砼c工程診斷、測(cè)試技術(shù)與工程信號(hào)處理.