盧志軍，遲長(zhǎng)春

（上海電機(jī)學(xué)院電氣學(xué)院，上海 201306）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，電能的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，電氣設(shè)備及用電量急劇增加，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜。同時(shí)人們用電安全意識(shí)的薄弱，用電設(shè)備的不正當(dāng)使用，以及線(xiàn)路中產(chǎn)生剩余電流而引發(fā)的電氣火災(zāi)的概率也在不斷增加。據(jù)應(yīng)急管理部消防救援局統(tǒng)計(jì)，2018—2020年之間，我國(guó)共接報(bào)火災(zāi)72.2萬(wàn)起，其中電氣火災(zāi)占比高達(dá)39.9%，在較大火災(zāi)及以上等級(jí)火災(zāi)中，電氣火災(zāi)發(fā)生率高達(dá)54.7%［1］。漏電保護(hù)一直是漏電火災(zāi)和人身觸電事故防護(hù)最重要的一環(huán)［2］，隨著交直流混合電網(wǎng)建設(shè)的推進(jìn)，不可避免地產(chǎn)生不同頻率交流以及直流漏電［3］，傳統(tǒng)AC/A型漏電互感器已無(wú)法滿(mǎn)足檢測(cè)需求。目前，我國(guó)依舊以AC型以及A型電子式漏電保護(hù)器為主導(dǎo)，針對(duì)新型漏電保護(hù)器的研發(fā)還處在起步階段，市場(chǎng)被國(guó)外技術(shù)所壟斷，國(guó)內(nèi)可供選擇的產(chǎn)品少，并且價(jià)格昂貴，僅用于安全級(jí)別很高的場(chǎng)合［4］。武一等［5］提出了一種基于磁調(diào)制原理的檢測(cè)方法進(jìn)行交直流漏電檢測(cè)，但采用正負(fù)雙電源供電，電路復(fù)雜；王隆偉等［6］采用雙磁芯結(jié)構(gòu)，激勵(lì)源用半波激勵(lì)信號(hào)設(shè)計(jì)磁調(diào)制互感器，但易造成“零點(diǎn)漂移”且體積大，無(wú)法滿(mǎn)足微型漏電保護(hù)器的體積要求。

本文針對(duì)單磁芯結(jié)構(gòu)，提出了一種基于單電源磁通門(mén)互感器的漏電檢測(cè)電路，通過(guò)檢測(cè)二次側(cè)線(xiàn)圈的電流信號(hào)，達(dá)到檢測(cè)漏電信號(hào)的目的。選取鈷基非晶合金材料作為互感器磁芯［7］，其具有較高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度和初始磁導(dǎo)率，有利于提高互感器檢測(cè)靈敏度，性?xún)r(jià)比高。設(shè)計(jì)漏電檢測(cè)電路對(duì)不同類(lèi)型的漏電流進(jìn)行檢測(cè)，并通過(guò)Multisim仿真檢驗(yàn)電路準(zhǔn)確性。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該方法滿(mǎn)足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)GB/T 22794—2017對(duì)漏電檢測(cè)的要求。

1 磁通門(mén)漏電互感器原理分析

漏電互感器是漏電檢測(cè)系統(tǒng)的核心元件［8］，大多數(shù)漏電檢測(cè)系統(tǒng)的電源電壓模塊采用一路正負(fù)雙電源輸出對(duì)檢測(cè)電路供電，另一路輸出3.3 V給單片機(jī)供電，電路復(fù)雜。本文采用單電源供電，開(kāi)關(guān)電源完成交流輸入后經(jīng)變換處理得到直流單電源，同時(shí)給檢測(cè)模塊以及CPU供電。采用的單電源磁通門(mén)互感器原理如圖1所示。圖中，環(huán)形磁芯采用高磁導(dǎo)率材料；磁芯繞組起激勵(lì)與檢測(cè)作用，匝數(shù)為N2；Ui為激勵(lì)電壓；UR為基準(zhǔn)電壓；Rs為采樣電阻；R1、R2為分壓電阻。當(dāng)采樣電阻Rs上的電壓達(dá)到設(shè)定閾值Ur時(shí)，激勵(lì)電壓高低電平翻轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生方波激勵(lì)電壓。

圖1 單電源磁通門(mén)互感器原理

當(dāng)有漏電流ip產(chǎn)生時(shí)，漏電信號(hào)通過(guò)互感器耦合到激勵(lì)電流中，磁芯產(chǎn)生磁場(chǎng)偏置，破壞原有磁場(chǎng)對(duì)稱(chēng)性，導(dǎo)致激勵(lì)電流波形不對(duì)稱(chēng)，反饋到采樣電阻上的電壓偏移量平均值為

通過(guò)傅里葉變換可知，周期信號(hào)的電壓平均值與頻譜直流分量成正比［9］，即

式中：u為采樣電阻瞬時(shí)電壓；T為激勵(lì)信號(hào)周期。

通過(guò)檢測(cè)激勵(lì)電流的變化量從而實(shí)現(xiàn)漏電檢測(cè)［10］。在實(shí)踐中，常采用分段線(xiàn)性模型擬合磁芯的磁化曲線(xiàn)［11］，更簡(jiǎn)潔直觀(guān)，簡(jiǎn)化的磁化曲線(xiàn)如圖2所示。

圖2 磁化曲線(xiàn)分段線(xiàn)性簡(jiǎn)化模型

圖中，Bs為磁芯飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度；Hs為飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度。曲線(xiàn)沿時(shí)間線(xiàn)t0→t1→t2→t3→t2→t1→t0做周期運(yùn)動(dòng)。在t0時(shí)刻，磁芯反向飽和，激勵(lì)電流為反向峰值；在t0～t1時(shí)刻，激勵(lì)電流上升至正向小電流；在t1～t2時(shí)刻，磁芯不飽和，激勵(lì)電流緩緩上升；t2～t3時(shí)刻，磁芯正向飽和，激勵(lì)電流達(dá)到正向峰值且電壓極性反轉(zhuǎn)；后半周期以此類(lèi)推直至一個(gè)周期結(jié)束。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 互感器設(shè)計(jì)

磁芯是互感器核心器件，采取單電源供電方式時(shí)需考慮矯頑力、高初始磁導(dǎo)率等特點(diǎn)，還需考慮低飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度的磁芯材料，以便在磁滯曲線(xiàn)上表現(xiàn)出較“矮”的特性，以適用于較低激勵(lì)信號(hào)幅值的情況，簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)。

激磁頻率f作為互感器核心指標(biāo)［12］，有

一般，電壓越大，頻率越低，磁芯越容易飽和。但本文采用單電源供電設(shè)計(jì)，電壓幅值應(yīng)盡可能小，為了滿(mǎn)足檢測(cè)要求，需要較大頻率。低電壓受單片機(jī)供電電壓限制，降低了電路功率；高頻激勵(lì)信號(hào)則提高了檢測(cè)高頻漏電范圍以及精度。本文激磁電壓選取+5 V，為了能檢測(cè)到1 kHz的高頻漏電，還原采樣波形，根據(jù)香農(nóng)采樣定理［13］，激磁頻率應(yīng)大于漏電頻率的最高頻率的兩倍及以上，故激磁頻率選取2 kHz，代入式（3）得

當(dāng)磁芯材料選定時(shí)，Bs也隨之確定，此處選取鈷基非晶合金作為磁芯材料，測(cè)得Bs為0.58 T，代入式（4）得

由于電壓幅值限制，考慮需要一定的電壓使磁芯飽和，需在單電源電壓供電基礎(chǔ)上增大峰峰值，同時(shí)保證一定的檢測(cè)范圍，所以?xún)?yōu)先確定閾值電壓Ur分別為+4.1 V以及+0.9 V。為了降低功耗，閾值電流Ir越小越好，故選取Ir為10 mA，確定Rs電壓為150Ω，選定漏電檢測(cè)范圍為［-550，550］mA，即得到線(xiàn)圈匝數(shù)N2為55圈，代入式（6）可得有效截面積S為19.6 mm2。磁環(huán)有效截面積為

式中：d1為磁環(huán)外徑，mm；d2為磁環(huán)內(nèi)徑，mm；h為磁環(huán)的高，mm；c1、c2為磁環(huán)常數(shù)；l為有效平均磁路長(zhǎng)度。

由上述可得需要設(shè)計(jì)的磁芯外徑為18 mm，內(nèi)徑為10 mm，高為5 mm，有效磁路長(zhǎng)度為41.55 mm。實(shí)際設(shè)計(jì)的互感器磁芯主要參數(shù)如表1所示。實(shí)際設(shè)計(jì)值與理論計(jì)算值存在一定誤差，可通過(guò)互感器調(diào)節(jié)線(xiàn)圈匝數(shù)或閾值電壓等參數(shù)使誤差穩(wěn)定在可接受范圍之內(nèi)［14］。

表1 互感器磁芯參數(shù)

2.2 漏電檢測(cè)電路

根據(jù)圖2原理配置磁芯互感器，設(shè)計(jì)漏電檢測(cè)電路，如圖3所示。

圖3 漏電檢測(cè)電路

本文選取軌對(duì)軌運(yùn)算放大器進(jìn)行軌對(duì)軌輸出，確保輸出波形不失真，型號(hào)為SGM8052，由單電源Ui供電。電阻R2以及運(yùn)算放大器構(gòu)成正反饋電壓比較電路，以Ui2作為基準(zhǔn)電壓UR，將電阻R1、UR與運(yùn)放正向輸入端相連，使之輸出交變激勵(lì)電壓，激勵(lì)電壓為

通過(guò)R1、R2設(shè)置Ur，即

由互感器與采樣電阻Rs構(gòu)成勵(lì)磁回路，將ip耦合到激勵(lì)電流中，經(jīng)Rs輸出調(diào)制電壓信號(hào)Ui。Rs決定了最大激勵(lì)電流Ir的大小，即互感器檢測(cè)范圍，有

激勵(lì)電壓、電流與采樣電阻電壓波形如圖4所示。

圖4 激勵(lì)電壓、激勵(lì)電流與采樣電阻電壓波形

2.3 信號(hào)調(diào)理電路

為獲取激勵(lì)電流中的被測(cè)漏電信號(hào)，需對(duì)調(diào)制電壓信號(hào)Ui進(jìn)行磁解調(diào)處理。本文搭建的磁解調(diào)電路如圖5所示。

圖5 磁解調(diào)電路

磁解調(diào)電路是由五階巴特沃斯低通濾波器組成的濾波電路，能使設(shè)計(jì)的濾波器衰減速度加快，更好地對(duì)耦合的激勵(lì)電壓信號(hào)進(jìn)行解調(diào)處理。截止頻率fc是濾波器的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，為了能夠檢測(cè)1 kHz的高頻電流，濾除高頻信號(hào)，濾波截止頻率設(shè)為1.5 kHz，通過(guò)查找巴特沃斯濾波器系數(shù)表確定了階數(shù)濾波器的各項(xiàng)系數(shù)，如表2所示。其中，b、c均為濾波器歸一化系數(shù)［15］。

一階濾波器主要參數(shù)為R4、C2，選定C2為標(biāo)稱(chēng)值10/fcμF，截止頻率1.5 kHz。由表2可知，濾波器系數(shù)b為0，根據(jù)每節(jié)截止頻率

表2 巴特沃斯低通濾波器設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)表

可得濾波器第1節(jié)截止頻率fm1=1.5kHz，故C2選擇滿(mǎn)足標(biāo)稱(chēng)值的最大值為22 nF，通過(guò)截止頻率

可得

取R4=5 kΩ。

通過(guò)二階巴特沃斯濾波器設(shè)計(jì)電阻R5、R6、R7、電容C3以及C4等參數(shù)，滿(mǎn)足

式中：K為信號(hào)放大倍數(shù)。

由上述條件設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)具有良好的衰減特性［16］，能更好地衰減高頻信號(hào)。由表2可得系數(shù)b為1.618 034，根據(jù)式（12）可知，二節(jié)濾波截止頻率為

選定C4為22 nF，為了讓C3有實(shí)數(shù)解，需滿(mǎn)足，選取放大倍數(shù)為6，則C3為1 nF。將其代入式（15），可得

取 實(shí) 際 值R5=6.6 kΩ，R6=43 kΩ，R7=39 kΩ。同理可得fm3=1349 Hz，C7=22 nF，C6=1 nF，R8=R9=28 kΩ，R10=14 kΩ。通過(guò)Multisim分別對(duì)磁解調(diào)電路的截止頻率以及放大倍數(shù)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，確保設(shè)計(jì)參數(shù)的準(zhǔn)確性，如圖6所示。

圖6 Multisim仿真驗(yàn)證磁調(diào)制電路設(shè)計(jì)參數(shù)結(jié)果

3 實(shí)驗(yàn)檢測(cè)

軟硬件完成后進(jìn)行漏電檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，分別對(duì)直流、脈動(dòng)直流以及不同頻率的交流漏電流進(jìn)行檢測(cè)［17］。施加不同幅值的漏電實(shí)測(cè)結(jié)果如表3所示。針對(duì)非直流剩余電流的檢測(cè)結(jié)果如表4所示。對(duì)正弦交流、半波、90°波、135°波檢測(cè)的相對(duì)誤差如圖7所示。

表3 不同幅值直流漏電流檢測(cè)結(jié)果mA

表4 有效值為20 mA的正弦交流、脈動(dòng)直流檢測(cè)結(jié)果mA

由圖7可知，當(dāng)頻率一定時(shí)，該檢測(cè)方法對(duì)正弦交流最有效，對(duì)135°波檢測(cè)精度略差；當(dāng)波形一定時(shí)，頻率越高，檢測(cè)精度越低。對(duì)正弦交流檢測(cè)誤差在5%以?xún)?nèi)；對(duì)半波被測(cè)電流檢測(cè)誤差在12%以?xún)?nèi)；對(duì)90°波被測(cè)電流的檢測(cè)誤差在16%以?xún)?nèi)；對(duì)135°波被測(cè)電流，當(dāng)頻率在900 Hz范圍內(nèi)，檢測(cè)誤差最高達(dá)19.8%，當(dāng)頻率達(dá)到1 kHz時(shí)，誤差最大。結(jié)果顯示，基于磁通門(mén)傳感器的漏電檢測(cè)方法檢測(cè)誤差基本符合漏電保護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)要求，滿(mǎn)足不同類(lèi)型漏電的檢測(cè)。

圖7 非直流漏電流檢測(cè)相對(duì)誤差

4 結(jié) 論

基于單電源磁通門(mén)原理的漏電傳感器有效克服了電磁式漏電流傳感器無(wú)法檢測(cè)含直流分量的漏電流的缺點(diǎn)，同時(shí)在原有雙電源磁通門(mén)原理基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)，簡(jiǎn)化電路，降低了生產(chǎn)成本。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該方法檢測(cè)誤差符合漏電保護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)要求，能滿(mǎn)足對(duì)平滑直流、脈動(dòng)直流以及不同頻率交流漏電流的檢測(cè)。