李倩，李奎，王堯，王天朔，林靖怡,孫家豪

(1.河北工業(yè)大學(xué) 省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點實驗室，天津 300130；2.河北工業(yè)大學(xué) 河北省電磁場與電器可靠性重點實驗室，天津 300130)

0 引 言

智能電網(wǎng)和能源互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展推動了社會進步，但人身觸電事故始終是用電安全中的重要問題，而漏電斷路器是低壓電網(wǎng)中設(shè)備發(fā)生漏電和人身觸電時的重要保護裝置[1]。由于配電網(wǎng)中用電設(shè)備的不平衡以及大量電力電子技術(shù)的非線性負荷接入，造成電網(wǎng)的電壓和電流中出現(xiàn)大量諧波。間諧波和次諧波等諧波分量[2-3]產(chǎn)生后，漏電電流不再是單純的正弦波，而是交直流混疊的復(fù)雜波形。

當含有整流及開關(guān)元件的配電網(wǎng)出現(xiàn)接地故障時，會產(chǎn)生不同波形的剩余電流[4-5]。如在三相電網(wǎng)電壓通過整流橋、逆變橋控制電機的系統(tǒng)中，不同位置發(fā)生漏電故障時漏電電流波形均不相同：在三相電網(wǎng)電壓輸入端口發(fā)生漏電故障時，由于此處為對稱的三相正弦電源電壓，因此故障時漏電波形呈現(xiàn)標準正弦電流的特征；在整流橋與逆變橋之間發(fā)生故障時，故障電流以脈動直流電流波形為主；在逆變器出口側(cè)發(fā)生漏電故障時，由于采用IGBT等功率開關(guān)器件，使漏電流中出現(xiàn)包含開關(guān)器件頻率及其倍頻分量的高頻成分，其頻率可達幾十kHz。

隨著漏電電流波形種類的增加，國內(nèi)外學(xué)者對不同漏電電流波形的檢測傳感器設(shè)計以及檢測方法進行了大量研究：朱遵義等[6]從剩余電流波形與產(chǎn)生磁通大小的關(guān)系出發(fā)，得到當剩余電流分量中含有直流分量時，磁感應(yīng)線圈中產(chǎn)生的磁滯環(huán)面積減小，感應(yīng)電壓降低使剩余電流保護器拒動的結(jié)論;王堯等[7-8]采用基于信號頻率與波形補償?shù)乃惴▽κＳ嚯娏饔行е颠M行補償，實現(xiàn)對含平滑直流剩余電流的有效保護，并提出一種基于全相位傅里葉變換的磁調(diào)制交直流漏電檢測方法對復(fù)雜漏電電流進行量測;白龍溫等[9]通過閾值比較法建立針對脈動直流剩余電流的保護模型，開發(fā)了一款脈動直流剩余電流保護器，并進行了試驗，驗證其可靠性。

綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者針對不同漏電電流波形的檢測傳感器設(shè)計以及檢測方法進行了大量研究。目前，配電網(wǎng)中常采用AC型剩余電流漏電斷路器進行漏電保護，隨著配電網(wǎng)發(fā)生故障時漏電電流波形特征復(fù)雜程度的增加，AC型剩余電流漏電斷路器常出現(xiàn)拒動或誤動的現(xiàn)象。學(xué)者們的研究缺少對AC型剩余電流漏電斷路器拒動或者誤動原因的詳細分析，因此，本文通過建立剩余電流互感器模型，并在AC型漏電斷路器典型檢測與保護電路基礎(chǔ)上分析，發(fā)現(xiàn)脈動直流剩余電流中直流成分使剩余電流互感器輸出波形失真，是導(dǎo)致漏電斷路器不能正確動作的主要原因。通過對AC型漏電斷路器的動作特性測試，進一步驗證了在電力電子設(shè)備應(yīng)用場合下，AC型漏電斷路器不能對漏電進行準確保護。

1 脈動剩余電流對AC型漏電斷路器動作的影響

1.1 脈動直流剩余電流

根據(jù)電路中采用的開關(guān)元件導(dǎo)通時觸發(fā)角α的不同，峰值為Im的各類脈動直流剩余電流IN可表示為[10]

(1)

式中，觸發(fā)角α的范圍為(0，π)。

國家標準規(guī)定的典型脈動直流剩余電流主要包括半波、90°波和135°波，觸發(fā)角為α?xí)r的脈動直流波形示意圖如圖1所示。

圖1 脈動直流電流波形

由于IN為周期函數(shù)，對其進行傅里葉變換分解，得到

bnsin(nωt)]}，

(2)

式中，

當n≥2時，

綜上，幅值為Im的脈動直流電流所包含的直流分量為

I0=Im(1+cosα/2π)。

(5)

脈動直流電流中包含的直流分量成分變化曲線如圖2所示。當半波電流幅值一定時，脈動直流中的直流成分隨著觸發(fā)角α的增大而減小，直至觸發(fā)角為π時直流分量降為0。

圖2 脈動直流電流直流成分隨觸發(fā)角α的變化曲線

1.2 直流分量對AC型漏電斷路器的影響

在僅考慮飽和引起的非線性情況下，分析電路一次側(cè)中直流成分對漏電斷路器中電流互感器二次側(cè)輸出的影響，電流互感器靜態(tài)模型[11]如圖3所示。

由磁通量守恒和KCL定律，可得

(6)

圖3 電流互感器靜態(tài)模型

式中：i1為互感器一次側(cè)電流；i0為勵磁電流；i2為二次側(cè)電流；φ為二次側(cè)線圈主磁通；互感器一次側(cè)線圈匝數(shù)為1，二次側(cè)線圈匝數(shù)為N2；R2、L2為二次側(cè)負載電阻和電感。

互感器只能感測一次側(cè)線圈的交流分量，對直流分量則起到抑制作用，因此當互感器一次側(cè)電路網(wǎng)絡(luò)中剩余電流為脈動直流剩余電流時，二次側(cè)由于無法感測其中的直流成分，從而引起二次側(cè)的轉(zhuǎn)換誤差，使漏電保護器對剩余電流的檢測不再準確。

剩余電流互感器一次側(cè)直流分量變化對漏電斷路器特性的影響[12]如圖4所示。故障電流中不含直流分量時，對應(yīng)的磁場強度如圖4中曲線a所示，理想條件下，互感器二次側(cè)輸出波形與一次側(cè)波形一致，當故障電流中包含直流分量I0、I1(I0

圖4 直流分量對剩余電流互感器的影響

在不考慮脈動直流中包含的直流分量引起鐵芯飽和情況下，互感器一次側(cè)電流波形與二次側(cè)輸出波形如圖5所示。當一次側(cè)輸入電流為脈動直流剩余電流時，結(jié)合上述分析脈動直流分量中包含直流成分的變化曲線可知，當觸發(fā)角α越大，則其中包含的直流分量越大，則由于互感器不能將直流成分傳變至二次側(cè)，使得二次側(cè)輸出波形向縱軸負半軸產(chǎn)生漂移，漂移量等于一次側(cè)輸入電流中包含直流分量。

圖5 忽略鐵芯飽和時互感器輸出的波形

當一次側(cè)漏電流中包含的直流分量過大時，考慮鐵芯飽和工作狀態(tài)以及鐵芯工作過程中的損耗情況，互感器一次側(cè)電流與二次側(cè)輸出波形如圖6所示，由于互感器鐵芯進入磁飽和狀態(tài)，磁感應(yīng)強度變化量為0，二次側(cè)輸出電壓為0，此后二次側(cè)輸出電壓不再跟隨一次側(cè)電流變化，產(chǎn)生不同程度的畸變，此過程中直流分量越大，二次側(cè)波形畸變越明顯，達到負半軸最大后，由二次側(cè)線圈的電感及電阻決定的時間常數(shù)(L/RL)以指數(shù)函數(shù)特性降低，直至下一個周期。

圖6 計及鐵芯飽和時互感器輸出的波形

互感器一次側(cè)輸入觸發(fā)角0°，頻率50 Hz，幅值25 mA和50 mA的脈動直流剩余電流，負載100 Ω時，實際測量電流互感器二次側(cè)輸出電壓分別如圖7中(a)，(b)所示。由于脈動直流電流中的直流成分，引起互感器二次側(cè)輸出電壓均向負半軸發(fā)生偏移，當半波剩余電流幅值25 mA時，互感器一次側(cè)電流中的直流分量較低，互感器鐵芯工作在線性區(qū)；當半波剩余電流幅值增加至50 mA時，直流分量隨之增加，引起互感器鐵芯工作狀態(tài)進入飽和狀態(tài)，二次側(cè)電流不再跟隨一次側(cè)剩余電流變化，產(chǎn)生明顯畸變，與理論分析保持一致。

圖7 脈動直流剩余電流下電流互感器輸出的波形

2 AC型漏電斷路器典型電路結(jié)構(gòu)

通用AC型漏電斷路器檢測電路分為分立元件電路和漏電保護專用芯片電路兩種，一般通過閾值電流的比較實現(xiàn)漏電保護。

圖8為典型分立元件式漏電檢測電路原理圖，電網(wǎng)電壓通過整流橋轉(zhuǎn)換為大于0的半波信號，作用在晶閘管陽極和陰極。當電網(wǎng)正常運行時，剩余電流互感器(RCT)感測電流為0，晶閘管的門極電流為0，處于關(guān)斷狀態(tài)；當電網(wǎng)中發(fā)生漏電故障時，由于零線與火線的電流矢量和不為0，互感器將此不平衡電流感應(yīng)到二次側(cè)，當在晶閘管的門極產(chǎn)生正向的觸發(fā)電壓時，晶閘管導(dǎo)通，脫扣器動作。而當剩余電流為負向的脈動剩余電流時，由于其在晶閘管門極形成負向的觸發(fā)電壓，此情況下漏電斷路器不會動作，但由于互感器二次側(cè)的電壓畸變使二次側(cè)輸出波形向正半軸發(fā)生偏移，若此時偏移量大于晶閘管的門極電壓，斷路器才會動作，因此當脈動剩余電流的極性不同時，斷路器的動作值也就會不同。

圖8 基于分立元件的漏電檢測電路

圖9所示為基于VG54123的漏電保護電路原理，互感器二次側(cè)的輸出電壓VT輸送到集成電路的輸入端(端口1與2)，此電壓與VG54123芯片內(nèi)部的基準電壓VREF比較，當VT>VREF時，差分放大器輸出端(端口7)電位立即變成高電位，經(jīng)C4積分后打開觸發(fā)驅(qū)動器，使可控硅SCR導(dǎo)通，驅(qū)動脫扣器動作。

圖9 基于VG54123的漏電檢測電路

Fig.9 Leakage detection circuit based on VG54123

基于VG54123的漏電檢測電路與分立元件式漏電檢測電路故障識別方法類似，不同之處在于：分立元件電路不考慮漏電電流超過閾值的持續(xù)時間，漏電電流一旦超過閾值就立即動作，因而其抗干擾能力相對較差；基于VG54123的漏電檢測電路則具有短暫延時，該芯片與積分電容C4配合的時間常數(shù)τ通常為5 ms左右，即電路會濾除持續(xù)時間較短的脈沖，因此具有一定的抗干擾能力。同時，VG54123芯片內(nèi)部的基準電壓VREF受溫度影響較小，動作特性比較穩(wěn)定。

3 剩余電流互感器動態(tài)仿真分析

將鐵芯實測磁化曲線用反正切函數(shù)擬合，且忽略磁滯和渦流損耗[13-15]，得到鐵芯的磁化曲線方程

B=0.31×arctan (0.86×H)。

(7)

鐵芯實測的磁滯曲線如圖10所示，當磁場強度H絕對值大于20 A/m時，鐵芯進入飽和狀態(tài)。

圖10 鐵芯磁滯曲線

利用MATLAB/Simulink建立RCT動態(tài)仿真模型，包括剩余電流模塊、RCT模塊和采樣電阻(RL)，剩余電流傳感器主要設(shè)計參數(shù)如表1所示。剩余電流模塊由正弦波和方波疊加，輸出分別為0°，90°，135°的脈動直流信號，通過示波器同時觀測輸入電流信號、感應(yīng)電壓信號、鐵芯磁感應(yīng)強度B、磁場強度H以及磁導(dǎo)率μ。

表1 剩余電流互感器主要設(shè)計參數(shù)

正弦波有效值50 mA時的半波剩余電流的仿真結(jié)果如圖11所示。對一個周期T內(nèi)的仿真波形進行分析，可以看出，在半波電流起始階段鐵芯處于線性工作區(qū)，此時RCT按正弦規(guī)律輸出感應(yīng)電壓；當磁場強度H超過20 A/m后，鐵芯進入磁飽和區(qū)，其磁導(dǎo)率μ接近于0，RCT輸出電壓迅速降為0并反向增加，直至半周期結(jié)束，反向電壓達到最大值；此后由于半波電流變?yōu)?，RCT處于自由放電過程，其感應(yīng)電壓按指數(shù)規(guī)律衰減，放電時間常數(shù)為L/RL(L為RCT電感量)。

正弦波有效值100 mA，觸發(fā)角90°時的脈動直流剩余電流的仿真結(jié)果如圖12所示，當磁場強度大于20 A/m時，鐵芯進入磁飽和狀態(tài)，此時互感器二次側(cè)輸出電壓波形同樣發(fā)生明顯畸變。

正弦波有效值100 mA，觸發(fā)角135°時的脈動直流剩余電流的仿真結(jié)果如圖13所示，由H-t曲線可知，磁場強度遠小于飽和磁場強度，此時互感器鐵芯工作狀態(tài)維持在線性區(qū)，不足以導(dǎo)致互感器二次側(cè)電壓發(fā)生畸變。

圖11 半波剩余電流仿真結(jié)果

Fig.11 Simulation results under half-wave residual current

圖12 90°波剩余電流仿真圖

4 AC型漏電斷路器非線性剩余電流下動作特性測試

GB1T 6829—2017《剩余電流動作保護電器(RCD)的一般要求》中不同電流形式下脫扣電流限值[16]如表2所示。

表2 脈動直流剩余電流脫扣電流限值

圖13 135°波剩余電流仿真圖

選取5臺不同廠家生產(chǎn)的AC型漏電斷路器(分別編號RCD1～RCD5)，對表2中的3種脈動直流剩余電流形式進行漏電動作特性測試，其中RCD1～RCD2采用漏電保護專用芯片(VG54123)電路，RCD3～RCD5采用分立元件電路。被測試品的額定剩余動作電流IΔn均為30 mA，測試正弦剩余電流和各脈動直流剩余電流下斷路器動作時的有效值，結(jié)果如表3所示，所有試品的正弦交流漏電動作值均在15～30 mA間，滿足標準要求。比較脈動直流剩余電流下的動作電流值與表2中規(guī)定的動作電流值可知，在觸發(fā)角為0°的正向負向脈動直流電流輸入情況下，5臺AC型漏電斷路器的動作值均超過標準中上限值1.4IΔn(42 mA)，雖然極性不同對應(yīng)的動作特性也不同，但是均不能實現(xiàn)可靠動作；在剩余電流為90°脈動直流剩余電流時，采用漏電保護芯片的RCD1和RCD2動作值均超過42 mA，不能實現(xiàn)可靠動作，采用分立元件檢測電路，由于電路結(jié)構(gòu)中元件的選取，動作電流值分散性很大；在剩余電流為135°脈動直流剩余電流時，各斷路器在42 mA上限值時均不能動作。

表3 脈動直流剩余電流下漏電動作特性測試結(jié)果

因此，在剩余電流為脈動直流的應(yīng)用場合下，采用漏電保護芯片以及采用分立元件電路檢測的AC型漏電斷路器均不能實現(xiàn)可靠動作，也就不能達到漏電保護的目的。

5 結(jié) 論

(1)理論和實際測試結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，剩余電流中的直流分量是導(dǎo)致剩余電流互感器二次側(cè)輸出波形畸變的主要原因。

(2)采用MATLAB/Simulink建立剩余電流互感器動態(tài)仿真模型，在互感器一次側(cè)輸入半波、90°波、135°波時，驗證當一次側(cè)剩余電流中直流分量過大，使互感器鐵芯進入飽和工作狀態(tài)時，互感器二次側(cè)輸出波形發(fā)生明顯畸變。

(3)完成半波，90°波，135°正負極脈動直流剩余電流下AC型漏電斷路器動作特性的測試，驗證在脈動直流剩余電流下，由直流分量引起的飽和畸變是造成AC型漏電斷路器不能可靠動作的主要原因，電路結(jié)構(gòu)是造成脈動直流極性不同時動作特性不一致的主要原因。