李 彤，尹志宏，張文斌

（昆明理工大學機電工程學院，云南昆明 650500）

0 引言

漏電保護是低壓用電保護中的一項重要技術，被廣泛應用于預防漏電火災以及人身觸電傷亡事故的發(fā)生［1-2］。隨著電網的發(fā)展，電動汽車充電樁、光伏逆變器等電力電子設備日益增多，當這些設備發(fā)生漏電故障時，產生的漏電電流為交直流復合的復雜電流［3-4］。傳統(tǒng)的AC 型漏電保護開關只能檢測工頻漏電電流，而不能檢測平滑直流和脈動直流漏電電流，所以無法對交直流漏電電流進行有效識別［5-9］。因此，如何實現(xiàn)交直流漏電電流的有效識別成為目前亟待解決的問題。

根據國家標準，能夠同時滿足交直流漏電檢測的漏電保護開關被稱為B 型漏電保護開關［10-11］。根據要求，B 型漏電保護開關需要對突然施加及緩慢上升的1 kHz 及以下的正弦交流、脈動直流、平滑直流等剩余電流波形進行快速識別并發(fā)出動作信號。因為不同頻率、不同波形的漏電電流通過人體時產生的生理效應不同，所以不同剩余電流波形的保護動作閾值也不相同［12］。因此，需要對這些剩余電流進行識別，根據標準的要求分別設置不同的動作閾值［10-11］。

近年來，許多學者提出基于磁調制原理的交直流漏電電流檢測方法［13-20］。磁調制電流檢測原理主要是利用鐵磁材料磁化曲線對稱、非線性的特點，通過將調制鐵芯中的被測電流磁動勢轉化為輸出電壓頻譜中的低頻諧波分量，然后經信號解調最終實現(xiàn)交直流電流檢測［13］。這種檢測方法具有靈敏度高、溫度穩(wěn)定性好、抗干擾能力強等特點。但現(xiàn)有的磁調制電流檢測在交直流電流識別方面還存在以下問題：①文獻［17］采用峰值計數法測量漏電電流頻率，但該方法只能識別具有頻率的漏電電流，而無法識別平滑直流漏電電流；②文獻［18］采用全相位傅里葉變換的數字解調方法，可同時對交直流漏電電流進行識別，但該方法需要使用MATLAB 進行全相位傅里葉變換，因此無法使用單片機進行運算求解。

針對上述問題，本文提出一種基于快速傅里葉變換的交直流漏電電流識別方法，采用磁通門交直流互感器進行漏電電流檢測?；ジ衅鬏敵雠c漏電電流成正比的電壓信號，通過單片機對漏電信號進行快速傅里葉變換獲得其頻譜，將漏電信號頻譜與建立的特征庫進行對比，從而識別出漏電電流波形。

1 磁通門交直流互感器結構與工作原理

磁通門交直流互感器主要由開口環(huán)形鐵芯、磁通門傳感器芯片、濾波放大電路組成?；ジ衅麒F芯上纏繞著待測線路，作為勵磁繞組，鐵芯起著聚磁的作用。由于漏電電流無法直接進行檢測，目前的檢測方法都是測量火線與零線內電流的矢量和，即剩余電流，其值為IΔn=IL+IN，從而等效測量出漏電電流大小。因此，可將火線與零線等效為一根通有電流IΔn的導線，當線路中未發(fā)生漏電時，剩余電流IΔn=0；當線路中發(fā)生漏電時，剩余電流IΔn≠0。此時剩余電流IΔn在聚磁環(huán)內產生磁場，根據安培環(huán)路定理，磁環(huán)內磁感應強度B與剩余電流IΔn的關系為：

其中，l為磁路長度，μ為磁芯磁導率，N為勵磁繞組匝數。

磁通門傳感器是一種磁場測量元件，可檢測到沿其敏感軸方向的磁感應強度B，并輸出電壓信號V。電壓信號V與磁感應強度B的大小成正比，即：

其中，k1為比例系數，是一個常數，由芯片的匹配電路參數決定。

則輸出電壓信號V與剩余電流IΔn信號之間的關系滿足：

當磁態(tài)工作在磁滯回線的線性區(qū)時，由于比例系數k2也為常數，因此互感器輸出的電壓與待測電流之間呈線性關系。將電壓信號經濾波放大電路處理后，使用單片機的A/D 端口進行采集，然后將采集到的信號進行標定，即可得出比例系數k2，從而測算出待測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。

根據國標GB 16916.1—2014 和GB/T 22794—2017 的規(guī)定，B 型漏電保護開關對不同波形漏電電流的動作電流值不同，因此不僅要能同時檢測交流與直流，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，為波形識別提供依據。

2 漏電電流波形特征庫建立

在國標GB 16916.1—2014 與GB/T 22794—2017 中，針對11 種不同的漏電電流波形制定了對應的動作閾值。要對這11 種漏電電流波形進行識別，需找出11 種波形的特征，具體步驟為：①產生標準的模擬漏電電流，使用單片機采集信號后進行快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT），從而獲得其頻譜組成；②對獲得的頻譜組成進行分析，找出每種波形頻譜特征，建立波形特征庫作為波形識別的判斷依據；③根據波形特征庫設計相應的識別算法，再產生模擬漏電電流，利用單片機采集信號后測試其能否正確識別波形，從而驗證算法是否可靠。

根據上述步驟，要實現(xiàn)多種交直流漏電電流波形識別，首先要使用單片機對國標規(guī)定的標準漏電電流波形進行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，為漏電電流的波形識別提供依據。

2.1 實驗裝置及原理

根據上文的分析，設計了如圖1 所示的實驗平臺。任意波形信號發(fā)生器用于產生漏電電流的波形信號，通過功率放大器為信號提供能量，再通過負載電阻RL產生漏電電流。負載線路在互感器鐵芯內產生磁場，令磁通門傳感器輸出電壓信號。利用STM32f103 單片機采集磁通門傳感器的輸出信號，然后對信號進行FFT，再通過串口將FFT 結果傳輸到計算機，并對其進行頻譜分析。其中，示波器的作用為觀察輸入與輸出信號，確認輸入信號沒有發(fā)生畸變。

Fig.1 Experimental circuit diagram of waveform data acquisition圖1 波形數據采集實驗線路圖

互感器鐵芯及其他組成部分參數如表1 所示，磁通門交直流互感器的磁芯為非晶合金材料。實際的磁芯、互感器及實驗裝置如圖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

Fig.2 Magnetic core，transformer and experimental device圖2 磁芯、互感器及實驗裝置

2.2 特征庫建立

首先使用單片機分別采集11 種漏電電流的波形數據，然后進行快速傅里葉變換，將結果通過串口輸出至電腦，對其頻譜組成進行分析。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，通過分析頻譜中典型頻率的組成即可識別出不同波形。要建立識別算法，必須從數值上準確定義漏電電流特征。因此，將頻譜中最高峰值定義為1，把頻譜所有數據進行歸一化，然后對典型頻率的數據進行統(tǒng)計與分析。其歸一化后的數據如表2 所示。

Table 2 Normalized data of typical frequency表2 典型頻率歸一化數據

2.3 波形識別算法

首先對典型頻率的數據進行分析，找出每個波形的典型特征，然后對這些典型特征進行歸納后建立波形特征庫，最后根據這些特征設計相應的識別算法。波形識別程序框圖如圖4 所示。

3 波形識別算法測試

3.1 實驗裝置及原理

為驗證識別算法是否正確，修改波形識別算法測試如圖5 所示。STM32f103 單片機內寫入了波形識別程序，產生11 種模擬剩余電流波形，測試單片機能否正確識別。單片機檢測到漏電信號后，首先對信號進行快速傅里葉變換，然后通過波形識別算法與建立的波形特征庫進行匹配，識別出漏電信號是哪一種波形。為更直觀地顯示識別結果，在檢測到漏電電流時，單片機將輸出頻率相同、占空比不同的方波。通過示波器觀察輸出方波的占空比，即可直觀判斷出識別結果是否正確。

3.2 測試結果

利用測試平臺產生了11 種漏電電流波形，觀察示波器波形并記錄測試結果，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試結果，如圖6 所示。在進行了多組實驗后，結果表明，該檢測方法可對11 種漏電電流波形進行識別，正確率達到95%。

Fig.4 Waveform recognition program block diagram圖4 波形識別程序框圖

Fig.5 Test diagram of waveform recognition algorithm圖5 波形識別算法測試圖

Fig.6 Identification results of typical leakage current圖6 典型漏電電流識別結果

Table 3 Test results of recognition algorithm表3 識別算法測試結果

4 結語

本文提出一種基于快速傅里葉變換的交直流漏電電流識別方法，采用具有聚磁環(huán)的磁調制交直流互感器，保證了交直流漏電電流檢測的準確性；采用快速傅里葉變換對漏電電流進行頻譜分析，降低了識別算法對處理器的要求。實驗結果表明，基于快速傅里葉變換的交直流漏電電流識別方法可滿足交直流漏電識別的要求，有效克服了傳統(tǒng)識別方法無法應用于單片機的問題，因此具有一定優(yōu)勢。后期將從時間性能上對算法作進一步優(yōu)化，以提高算法運行效率。