一種全電流敏感的剩余電流檢測方法*

陳永亮, 高孝天

(1.上海電科電器有限公司, 上海 200063; 2.上海電器科學(xué)研究所(集團(tuán))有限公司, 上海 200063)

一種全電流敏感的剩余電流檢測方法*

陳永亮1, 高孝天2

(1.上海電科電器有限公司, 上海 200063; 2.上海電器科學(xué)研究所(集團(tuán))有限公司, 上海 200063)

提出了一種針對全電流敏感的剩余電流檢測方法,不僅滿足交流型及脈動直流型剩余電流的檢測,而且實(shí)現(xiàn)了平滑直流的檢測,滿足現(xiàn)階段B型剩余電流的設(shè)計(jì)需求與應(yīng)用。對直流恒定磁場信號進(jìn)行調(diào)制處理,并通過解調(diào)電路等實(shí)現(xiàn)了平滑直流型剩余電流的檢測;交流型和脈動直流型剩余電流檢測,采用電磁式的處理方法。檢測方法不僅從理論上完成了兩種檢測電路的整合,而且試驗(yàn)上也驗(yàn)證了方案的可行性。

剩余電流動作保護(hù)器; B型剩余電流檢測; 磁調(diào)制; 整合電路

0 引 言

剩余電流動作保護(hù)器(Residual Current Operated Protective Device,RCD)是一種在低壓電網(wǎng)中廣泛應(yīng)用的安全保護(hù)電器,用來防止人身觸電、電氣火災(zāi)、因接地故障引起的人身傷害及電氣設(shè)備損壞。剩余電流檢測電路是RCD中重要組成部分之一,用于檢測剩余電流及處理電路輸出信號至執(zhí)行器件,以保證保護(hù)電器的準(zhǔn)確動作。RCD因其檢測電流類型的不同,又可以分為AC型(交流)、A型(交流及脈動直流)、B型(交流、脈動直流、平滑直流)。

現(xiàn)階段,國內(nèi)市場上應(yīng)用較多的RCD產(chǎn)品還是以AC型、A型為主,而B型因其使用場合有限,沒有得到很好的研究開發(fā)和應(yīng)用。隨著直流能源應(yīng)用的增多,以及變頻器、逆變器等裝置的廣泛應(yīng)用,這些相關(guān)設(shè)備產(chǎn)生的剩余電流并不全部由交流和脈動直流組成,而出現(xiàn)平滑直流或高頻電流等情況,因此對于B型剩余電流檢測,即全電流敏感型保護(hù)電路的研究也變得越來越重要。

全電流敏感型剩余電流檢測電路中包含對于交流型和脈動直流型電流的檢測,這兩種剩余電流檢測的技術(shù)相對比較成熟,無論是電磁式,還是電子式都有不少的技術(shù)方案能提供這方面的功能。平滑直流剩余電流的檢測是B型剩余電流檢測電路的重點(diǎn)及難點(diǎn)之一,常用的非接觸式測量方法有霍爾傳感器、磁調(diào)制器以及磁通門等?；魻杺鞲衅魅菀资芡獠看艌龈蓴_,且對于小電流的檢測存在精度差、穩(wěn)定性弱等不足,故在RCD中很少應(yīng)用。磁通門傳感器的靈敏度很高,比其他的固態(tài)性器件,如磁阻儀和霍爾傳感器高出5個數(shù)量級,往往應(yīng)用于空間弱磁場的相對測量,在RCD中難以適用。

磁調(diào)制的檢測方法則是利用鐵磁材料的非線性磁化曲線,通過交變的電磁激勵,使互感器輸出信號中反映出環(huán)境磁場的大小,從而檢測出直流分量。當(dāng)鐵心磁導(dǎo)率隨著激磁磁場強(qiáng)度變換時,二次線圈的感應(yīng)電勢中就會出現(xiàn)隨著環(huán)境磁場強(qiáng)度變化的偶次諧波分量,而且當(dāng)鐵心處于周期性飽和工作狀態(tài)時,偶次諧波分量會顯著增大。對于環(huán)境磁場,鐵心的周期性過飽和狀態(tài)就像是一道門,通過這道門,磁通量被調(diào)制,能檢測出環(huán)境磁場,繼而可以應(yīng)用于平滑直流剩余電流的檢測電路中。

1 技術(shù)方案

1.1 平滑直流剩余電流檢測方案

在交變對稱電壓或電流源激磁的鐵心中,若同時存在直流恒定磁場,鐵心中交變磁通的對稱性就被破壞,磁通波形的正、負(fù)半波相位將發(fā)生變化,通過對輸出電壓中正、負(fù)半波相對位移的采樣處理,繼而得出直流偏置電流的大小和方向。常見的單鐵心磁調(diào)制器模型如圖1所示。該模型能較好地適用于平滑直流剩余電流檢測電路的設(shè)計(jì)中。

圖1 常見的單鐵心磁調(diào)制器模型

高導(dǎo)磁率鐵心上包含三個繞組。在相位差磁調(diào)制技術(shù)中,激磁電流Is通常采用三角波的形式,使鐵心工作在正負(fù)過飽和狀態(tài)。當(dāng)主回路電流I0為平滑直流時,直流偏置電流的大小和方向則會反映在二次側(cè)繞組輸出波形上,具體表現(xiàn)在正負(fù)波形相位的變化量上。

磁調(diào)制激勵波形和檢測輸出波形如圖2所示。

作為采樣信號的磁調(diào)制器輸出波形,需要經(jīng)過關(guān)鍵的解調(diào)電路才能變成處理電路所需的電平處理信號。解調(diào)的目的就是將方波的相位變化量提取出,主要由高階低通濾波器構(gòu)成。高階低通濾波器電路圖如圖3所示。根據(jù)不同的激磁電流頻率,輸出方波的頻率也不同,再設(shè)計(jì)對應(yīng)低通濾波器進(jìn)行解調(diào),可將方波的相位變化量轉(zhuǎn)換成一個可供放大比較的電平信號。

圖2 磁調(diào)制激勵波形和檢測輸出波形

圖3 高階低通濾波器電路圖

當(dāng)平滑直流剩余電流信號轉(zhuǎn)換為一個幅值變化的電平信號時,再通過一些運(yùn)算放大、絕對值以及比較等電路模塊的集成處理,電平信號最終可轉(zhuǎn)化為執(zhí)行單元的驅(qū)動信號,從而滿足了剩余電流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)需求。

1.2 交流及脈動直流型剩余電流檢測方案

回望歷史，中國改革開放的40年就是中國民營企業(yè)從無到有、由弱變強(qiáng)的40年。在中國市場經(jīng)濟(jì)發(fā)展的浪潮中，民營企業(yè)始終是弄潮兒，千帆競發(fā)、初心未改。它們不僅是中國“走出去”的主力軍，也是進(jìn)博會上將海外品牌“引進(jìn)來”的紅旗手。

在交流及脈動直流剩余電流的檢測上,采用電磁式方法,一方面其保護(hù)特性更容易被市場接受,另一方面電路簡單,便于調(diào)試,其設(shè)計(jì)的難點(diǎn)就是電磁脫扣器和零序電流互感器的選用。其中對電磁脫扣器要求脫扣所需的能量要小,同時保證動作的可靠性、抗干擾性等。零序電流互感器的選用則應(yīng)重點(diǎn)考慮其能量的輸出和檢測的精度,精度體現(xiàn)在線圈匝數(shù)上,能量的輸出則要充分考慮鐵心的尺寸。

零序電流互感器如圖4所示,包含兩組鐵心,除了上方較小用于平滑直流檢測的線圈外,下方還有用于電磁式電路的零序電流互感器,體積上明顯比上方的線圈大。電磁式用互感器在設(shè)計(jì)上需要考慮輸出能量的高低,因此鐵心的內(nèi)徑應(yīng)盡量小,以確保磁通的利用率,且鐵心的材料、卷繞厚度及緊密度都不可忽視。

圖4 零序電流互感器

零序電流互感器輸出到磁通脫扣,則只需簡單的二極管與電容組合的充電電路即可完成能量的積累和輸出控制,但此處對于電磁脫扣器的動作電壓值有較嚴(yán)格的要求,過小易引起誤動作,而過大則直接影響驅(qū)動能力。

1.3 驅(qū)動整合電路

驅(qū)動整合電路是電磁脫扣器前端的最后電路。由于平滑直流檢測電路和電磁式A型剩余電流檢測電路處于不同的零序互感器系統(tǒng),兩者的相對地電平不統(tǒng)一,解決整合的問題直接關(guān)系到全電流檢測的可行性。

簡易驅(qū)動整合電路如圖5所示。圖5中,下方電路為電磁式剩余電流所使用的簡易能量轉(zhuǎn)換電路,與脫扣線圈對接。當(dāng)出現(xiàn)A型剩余電流故障時,電路會將零序互感器產(chǎn)生的采樣電流轉(zhuǎn)換為脫扣線圈工作所需的能量;當(dāng)未發(fā)生直流故障時,上端的三極管處于關(guān)斷狀態(tài),電磁式電路的工作狀態(tài)不會影響該部分電路的正常工作;當(dāng)發(fā)生直流故障時,輸出控制電流使三極管導(dǎo)通,繼而電源直接加載到脫扣線圈兩端,使其動作。兩部分控制電路的輸出信號互不干擾,即實(shí)現(xiàn)了脫扣的可靠整合。

圖5 簡易驅(qū)動整合電路

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.1 平滑直流檢測數(shù)據(jù)

平滑直流剩余電流檢測試驗(yàn)框圖如圖6所示。緩慢調(diào)節(jié)可變電阻阻值,觀察后端驅(qū)動信號的電平變化。設(shè)定當(dāng)主回路出現(xiàn)30 mA平滑直流型剩余電流時,驅(qū)動信號從低電平至高電平轉(zhuǎn)換,即發(fā)出驅(qū)動電磁脫扣器的信號。

圖6 平滑直流剩余電流檢測試驗(yàn)框圖

平滑直流剩余電流檢測試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示,其中電流表讀數(shù)為驅(qū)動信號轉(zhuǎn)換時的萬用表讀數(shù)。

表1 平滑直流剩余電流檢測試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表1可見,試驗(yàn)結(jié)果較穩(wěn)定,通過對采樣及后端處理電路的參數(shù)調(diào)節(jié),能較準(zhǔn)確地反映平滑直流剩余電流的數(shù)值,且精度滿足剩余電流保護(hù)電器的設(shè)計(jì)要求。

2.2 A型剩余電流檢測數(shù)據(jù)

A型剩余電流檢測框圖如圖7所示。直接將試品連接在剩余電流測試儀上,通過測試儀輸出的電流值,來判斷樣品動作的正確性。

圖7 A型剩余電流檢測框圖

緩慢施加剩余電流,實(shí)際檢測的動作電流值如表2所示。

表2 施加A型剩余電流檢測數(shù)據(jù)

由表2可見,A型剩余電流的檢測也能達(dá)到一定的準(zhǔn)確性,且完成了電磁式的檢測特性與電子式平滑直流檢測的整合。

3 結(jié) 語

本文重點(diǎn)解決了平滑直流剩余電流的采樣難題,通過對于磁調(diào)制技術(shù)的理解和有效利用,搭建了單鐵心磁調(diào)制器電路,實(shí)現(xiàn)了平滑直流信號的采樣,再通過后續(xù)的濾波解調(diào)電路等,實(shí)現(xiàn)了對于直流偏置磁場的檢測,同時處理了電磁式驅(qū)動信號與平滑直流檢測電路的整合,達(dá)到了全電流敏感檢測的目的。

隨著直流能源應(yīng)用的增多,以及變頻器、逆變器等裝置的廣泛應(yīng)用,對B型RCD的研究顯得越來越重要。在實(shí)現(xiàn)了基本檢測功能后,配合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電磁兼容等方面的研究,最終推進(jìn)RCD產(chǎn)品性能的完善,以面向市場應(yīng)用。

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[2] 陸儉國.中國電氣大典第11卷 配電工程 低壓電器[M].北京:中國電力出版社,2009.

[3] 楊風(fēng)開.磁調(diào)制式直流小電流有源傳感器[J].儀表技術(shù)與傳感器,2008(10):9-11.

Residual Current Detection Method Sensitive to Total Current

CHEN Yongliang1, GAO Xiaotian2

(1.Shanghai Electric Appliance Science and Technology Co., Ltd., Shanghai 200063, China; 2.Shanghai Electrical Apparatus Research Institute(Group) Co., Ltd., Shanghai 200063, China)

This paper proposed a residual current detection method and circuit which is sensitive to all kinds of current.It can meet the needs and applications of residual current detection for type B.Constant DC magnetic field signal is modulated and processed,and detected by demodulator circuit for smooth DC type residual current.AC type and pulsing DC type residual current detection adopts electromagnetic processing.The circuit not only theoretically completes the integration of the two detection circuit,but also verifies the feasibility of the scheme in the experiment.

residual current operated protective device; type B residual current detection; magnetic modulation; integrated circuit

陳永亮(1984—),男,工程師,從事低壓電器電子控制器及智能電器的研究。

上海智能電網(wǎng)終端用戶設(shè)備產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟(二期)(12DZ0510400)

TM 502

B

1674-8417(2015)01-0039-04

2014-10-20

高孝天(1989—),男,從事低壓電器電子控制器及智能電器的研發(fā)。