李 彤，尹志宏，張文斌

（昆明理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，云南昆明 650500）

0 引言

漏電保護(hù)是低壓用電保護(hù)中的一項(xiàng)重要技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于預(yù)防漏電火災(zāi)以及人身觸電傷亡事故的發(fā)生［1-2］。隨著電網(wǎng)的發(fā)展，電動(dòng)汽車充電樁、光伏逆變器等電力電子設(shè)備日益增多，當(dāng)這些設(shè)備發(fā)生漏電故障時(shí)，產(chǎn)生的漏電電流為交直流復(fù)合的復(fù)雜電流［3-4］。傳統(tǒng)的AC 型漏電保護(hù)開(kāi)關(guān)只能檢測(cè)工頻漏電電流，而不能檢測(cè)平滑直流和脈動(dòng)直流漏電電流，所以無(wú)法對(duì)交直流漏電電流進(jìn)行有效識(shí)別［5-9］。因此，如何實(shí)現(xiàn)交直流漏電電流的有效識(shí)別成為目前亟待解決的問(wèn)題。

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，能夠同時(shí)滿足交直流漏電檢測(cè)的漏電保護(hù)開(kāi)關(guān)被稱為B 型漏電保護(hù)開(kāi)關(guān)［10-11］。根據(jù)要求，B 型漏電保護(hù)開(kāi)關(guān)需要對(duì)突然施加及緩慢上升的1 kHz 及以下的正弦交流、脈動(dòng)直流、平滑直流等剩余電流波形進(jìn)行快速識(shí)別并發(fā)出動(dòng)作信號(hào)。因?yàn)椴煌l率、不同波形的漏電電流通過(guò)人體時(shí)產(chǎn)生的生理效應(yīng)不同，所以不同剩余電流波形的保護(hù)動(dòng)作閾值也不相同［12］。因此，需要對(duì)這些剩余電流進(jìn)行識(shí)別，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的要求分別設(shè)置不同的動(dòng)作閾值［10-11］。

近年來(lái)，許多學(xué)者提出基于磁調(diào)制原理的交直流漏電電流檢測(cè)方法［13-20］。磁調(diào)制電流檢測(cè)原理主要是利用鐵磁材料磁化曲線對(duì)稱、非線性的特點(diǎn)，通過(guò)將調(diào)制鐵芯中的被測(cè)電流磁動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)化為輸出電壓頻譜中的低頻諧波分量，然后經(jīng)信號(hào)解調(diào)最終實(shí)現(xiàn)交直流電流檢測(cè)［13］。這種檢測(cè)方法具有靈敏度高、溫度穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。但現(xiàn)有的磁調(diào)制電流檢測(cè)在交直流電流識(shí)別方面還存在以下問(wèn)題：①文獻(xiàn)［17］采用峰值計(jì)數(shù)法測(cè)量漏電電流頻率，但該方法只能識(shí)別具有頻率的漏電電流，而無(wú)法識(shí)別平滑直流漏電電流；②文獻(xiàn)［18］采用全相位傅里葉變換的數(shù)字解調(diào)方法，可同時(shí)對(duì)交直流漏電電流進(jìn)行識(shí)別，但該方法需要使用MATLAB 進(jìn)行全相位傅里葉變換，因此無(wú)法使用單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算求解。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出一種基于快速傅里葉變換的交直流漏電電流識(shí)別方法，采用磁通門交直流互感器進(jìn)行漏電電流檢測(cè)?；ジ衅鬏敵雠c漏電電流成正比的電壓信號(hào)，通過(guò)單片機(jī)對(duì)漏電信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換獲得其頻譜，將漏電信號(hào)頻譜與建立的特征庫(kù)進(jìn)行對(duì)比，從而識(shí)別出漏電電流波形。

1 磁通門交直流互感器結(jié)構(gòu)與工作原理

磁通門交直流互感器主要由開(kāi)口環(huán)形鐵芯、磁通門傳感器芯片、濾波放大電路組成?；ジ衅麒F芯上纏繞著待測(cè)線路，作為勵(lì)磁繞組，鐵芯起著聚磁的作用。由于漏電電流無(wú)法直接進(jìn)行檢測(cè)，目前的檢測(cè)方法都是測(cè)量火線與零線內(nèi)電流的矢量和，即剩余電流，其值為IΔn=IL+IN，從而等效測(cè)量出漏電電流大小。因此，可將火線與零線等效為一根通有電流IΔn的導(dǎo)線，當(dāng)線路中未發(fā)生漏電時(shí)，剩余電流IΔn=0；當(dāng)線路中發(fā)生漏電時(shí)，剩余電流IΔn≠0。此時(shí)剩余電流IΔn在聚磁環(huán)內(nèi)產(chǎn)生磁場(chǎng)，根據(jù)安培環(huán)路定理，磁環(huán)內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度B與剩余電流IΔn的關(guān)系為：

其中，l為磁路長(zhǎng)度，μ為磁芯磁導(dǎo)率，N為勵(lì)磁繞組匝數(shù)。

磁通門傳感器是一種磁場(chǎng)測(cè)量元件，可檢測(cè)到沿其敏感軸方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度B，并輸出電壓信號(hào)V。電壓信號(hào)V與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小成正比，即：

其中，k1為比例系數(shù)，是一個(gè)常數(shù)，由芯片的匹配電路參數(shù)決定。

則輸出電壓信號(hào)V與剩余電流IΔn信號(hào)之間的關(guān)系滿足：

當(dāng)磁態(tài)工作在磁滯回線的線性區(qū)時(shí)，由于比例系數(shù)k2也為常數(shù)，因此互感器輸出的電壓與待測(cè)電流之間呈線性關(guān)系。將電壓信號(hào)經(jīng)濾波放大電路處理后，使用單片機(jī)的A/D 端口進(jìn)行采集，然后將采集到的信號(hào)進(jìn)行標(biāo)定，即可得出比例系數(shù)k2，從而測(cè)算出待測(cè)線路中的剩余電流大小，這就是磁通門交直流互感器的工作原理。

根據(jù)國(guó)標(biāo)GB 16916.1—2014 和GB/T 22794—2017 的規(guī)定，B 型漏電保護(hù)開(kāi)關(guān)對(duì)不同波形漏電電流的動(dòng)作電流值不同，因此不僅要能同時(shí)檢測(cè)交流與直流，還要具體分辨出其波形。由于互感器輸出的電壓波形與剩余電流的波形相同，兩者之間存在比例k2，因此二者的頻譜組成也相同，可通過(guò)分析電壓波形頻譜獲得漏電電流波形頻譜，從而提取出漏電電流波形特征，為波形識(shí)別提供依據(jù)。

2 漏電電流波形特征庫(kù)建立

在國(guó)標(biāo)GB 16916.1—2014 與GB/T 22794—2017 中，針對(duì)11 種不同的漏電電流波形制定了對(duì)應(yīng)的動(dòng)作閾值。要對(duì)這11 種漏電電流波形進(jìn)行識(shí)別，需找出11 種波形的特征，具體步驟為：①產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的模擬漏電電流，使用單片機(jī)采集信號(hào)后進(jìn)行快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT），從而獲得其頻譜組成；②對(duì)獲得的頻譜組成進(jìn)行分析，找出每種波形頻譜特征，建立波形特征庫(kù)作為波形識(shí)別的判斷依據(jù)；③根據(jù)波形特征庫(kù)設(shè)計(jì)相應(yīng)的識(shí)別算法，再產(chǎn)生模擬漏電電流，利用單片機(jī)采集信號(hào)后測(cè)試其能否正確識(shí)別波形，從而驗(yàn)證算法是否可靠。

根據(jù)上述步驟，要實(shí)現(xiàn)多種交直流漏電電流波形識(shí)別，首先要使用單片機(jī)對(duì)國(guó)標(biāo)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)漏電電流波形進(jìn)行FFT，獲取其頻譜組成后再分析其特征，建立漏電電流波形特征庫(kù)，為漏電電流的波形識(shí)別提供依據(jù)。

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置及原理

根據(jù)上文的分析，設(shè)計(jì)了如圖1 所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。任意波形信號(hào)發(fā)生器用于產(chǎn)生漏電電流的波形信號(hào)，通過(guò)功率放大器為信號(hào)提供能量，再通過(guò)負(fù)載電阻RL產(chǎn)生漏電電流。負(fù)載線路在互感器鐵芯內(nèi)產(chǎn)生磁場(chǎng)，令磁通門傳感器輸出電壓信號(hào)。利用STM32f103 單片機(jī)采集磁通門傳感器的輸出信號(hào)，然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行FFT，再通過(guò)串口將FFT 結(jié)果傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，并對(duì)其進(jìn)行頻譜分析。其中，示波器的作用為觀察輸入與輸出信號(hào)，確認(rèn)輸入信號(hào)沒(méi)有發(fā)生畸變。

Fig.1 Experimental circuit diagram of waveform data acquisition圖1 波形數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)線路圖

互感器鐵芯及其他組成部分參數(shù)如表1 所示，磁通門交直流互感器的磁芯為非晶合金材料。實(shí)際的磁芯、互感器及實(shí)驗(yàn)裝置如圖2 所示。

Table 1 Parameters of transformer core and other parts（partial）表1 互感器鐵芯及其他組成部分參數(shù)

Fig.2 Magnetic core，transformer and experimental device圖2 磁芯、互感器及實(shí)驗(yàn)裝置

2.2 特征庫(kù)建立

首先使用單片機(jī)分別采集11 種漏電電流的波形數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行快速傅里葉變換，將結(jié)果通過(guò)串口輸出至電腦，對(duì)其頻譜組成進(jìn)行分析。由于漏電電流頻率主要集中在1kHz 及以下，因此選擇頻譜范圍為0～1 400Hz，分別繪制頻譜圖以觀察其特征。由于波形種類較多，在此處展示其中兩種特征明顯的波形頻譜圖。典型漏電電流的頻譜圖如圖3 所示。

Fig.3 Spectrum of typical leakage current圖3 典型漏電電流頻譜圖

由頻譜圖可分析出，11 種漏電電流的頻譜存在明顯差異，其頻譜峰值主要集中在0Hz、10Hz、50Hz、100Hz、150Hz、400Hz 和1 000Hz。將這些頻率定為典型頻率，通過(guò)分析頻譜中典型頻率的組成即可識(shí)別出不同波形。要建立識(shí)別算法，必須從數(shù)值上準(zhǔn)確定義漏電電流特征。因此，將頻譜中最高峰值定義為1，把頻譜所有數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化，然后對(duì)典型頻率的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析。其歸一化后的數(shù)據(jù)如表2 所示。

Table 2 Normalized data of typical frequency表2 典型頻率歸一化數(shù)據(jù)

2.3 波形識(shí)別算法

首先對(duì)典型頻率的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，找出每個(gè)波形的典型特征，然后對(duì)這些典型特征進(jìn)行歸納后建立波形特征庫(kù)，最后根據(jù)這些特征設(shè)計(jì)相應(yīng)的識(shí)別算法。波形識(shí)別程序框圖如圖4 所示。

3 波形識(shí)別算法測(cè)試

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置及原理

為驗(yàn)證識(shí)別算法是否正確，修改波形識(shí)別算法測(cè)試如圖5 所示。STM32f103 單片機(jī)內(nèi)寫入了波形識(shí)別程序，產(chǎn)生11 種模擬剩余電流波形，測(cè)試單片機(jī)能否正確識(shí)別。單片機(jī)檢測(cè)到漏電信號(hào)后，首先對(duì)信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換，然后通過(guò)波形識(shí)別算法與建立的波形特征庫(kù)進(jìn)行匹配，識(shí)別出漏電信號(hào)是哪一種波形。為更直觀地顯示識(shí)別結(jié)果，在檢測(cè)到漏電電流時(shí)，單片機(jī)將輸出頻率相同、占空比不同的方波。通過(guò)示波器觀察輸出方波的占空比，即可直觀判斷出識(shí)別結(jié)果是否正確。

3.2 測(cè)試結(jié)果

利用測(cè)試平臺(tái)產(chǎn)生了11 種漏電電流波形，觀察示波器波形并記錄測(cè)試結(jié)果，如表3 所示。

由于波形種類較多，在此處僅展示其中兩種典型漏電電流波形的測(cè)試結(jié)果，如圖6 所示。在進(jìn)行了多組實(shí)驗(yàn)后，結(jié)果表明，該檢測(cè)方法可對(duì)11 種漏電電流波形進(jìn)行識(shí)別，正確率達(dá)到95%。

Fig.4 Waveform recognition program block diagram圖4 波形識(shí)別程序框圖

Fig.5 Test diagram of waveform recognition algorithm圖5 波形識(shí)別算法測(cè)試圖

Fig.6 Identification results of typical leakage current圖6 典型漏電電流識(shí)別結(jié)果

Table 3 Test results of recognition algorithm表3 識(shí)別算法測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出一種基于快速傅里葉變換的交直流漏電電流識(shí)別方法，采用具有聚磁環(huán)的磁調(diào)制交直流互感器，保證了交直流漏電電流檢測(cè)的準(zhǔn)確性；采用快速傅里葉變換對(duì)漏電電流進(jìn)行頻譜分析，降低了識(shí)別算法對(duì)處理器的要求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于快速傅里葉變換的交直流漏電電流識(shí)別方法可滿足交直流漏電識(shí)別的要求，有效克服了傳統(tǒng)識(shí)別方法無(wú)法應(yīng)用于單片機(jī)的問(wèn)題，因此具有一定優(yōu)勢(shì)。后期將從時(shí)間性能上對(duì)算法作進(jìn)一步優(yōu)化，以提高算法運(yùn)行效率。