基于磁调制式电流互感器的剩余电流检测

4特别策划基于磁调制式电流互感器的剩余电流检测陈作开1,2，许志红1,2（1. 福州大学电气工程与自动化学院，福建 福州 350108；2. 福建省新能源发电与电能变换重点实验室，福建 福州 350108）摘 要：针对传统电磁式电流互感器在检测脉动直流和平滑直流中存在的不足，文章提出了一种基于磁调制式电流互感器的剩余电流检测模块，结合dsPIC33FJ系列单片机,通过检测电流互感器二次侧线圈电流信号的低频分量，来获取剩余电流信号的大小和类型，并配合波形识别算法，以提高检测模块对各种剩余电流类型的识别灵敏度，将其应用到低压配电网的配电线路中，能够实现对交直流剩余电流的检测与保护。经过验证，该模块能够有效检测和识别剩余电流波形，满足设计要求。关键词：磁调制；低频分量；波形识别；低压配电网；交直流检测中图分类号：TM71 文献标志码：A DOI：10.19421/j.cnki.1006-6357.2019.12.0040 引言低压配电网中配电线路中漏电是造成电气火灾与人身触电伤亡事故的重要原因，给人们生命、财产安全带来极大威胁。由于用电设备或者是配电线路漏电不及时检测精度较低[3-4]，无法达到在复杂电流波形环境下准确检测剩余电流的目的。文献［5］提出在检测直流剩余电流存在的难点，文献［6］为了检测直流分量，提出以互感器二次侧线圈绕组输出信号的正负有效值之差作为反馈控制信号，来消除虚假平衡点，达到提高检测精度的排查，从而引发人身触电伤亡的事件屡见报道，另外，目的，但是电路复杂实用性较低。针对上述情况，本文中压配电网的故障绝大多数是单相接地故障，约占总故提出一种基于磁调制式电流互感器的剩余电流检测模块，障的60%~80%，在单相接地故障中，导线断线故障对结合dsPIC33FJ系列单片机，通过检测互感器二次侧线圈树枝放电等情况极易造成社会人身触电事故[1]。据统计，电流信号的低频分量，以达到检测交直流剩余电流的目2011~2016年，我国共发生电气火灾52.4万起，占全国火的，配合波形识别算法，进一步提高检测模块对各种剩灾总量的30%以上，2018年则上升为34%，其中重特大火灾中电气火灾占比高达70%，这些情况都极大地威胁到公众生命安全。随着用电设备的多样化，低压配电网配电线路中的剩余电流除了简单的工频交流信号以外，还有高频交流分量以及直流分量，当配电线路中的剩余电流为脉动直流或者是平滑直流时，传统电磁式电流互感器磁芯内部磁场会发生偏置，磁芯的磁场强度降低，导致电磁式电流互感器的检测灵敏度降低，对直流分量的[2]余电流类型的识别灵敏度，另外加上通信单元，当检测到线路中产生剩余电流时，该模块向上位机发送信息，实时监测配电线路剩余电流，以满足电网高效、安全的发展需求。1 剩余电流类型及相关检测方案随着用电设备以及非线性负载的广泛应用，低压配电网中的剩余电流种类也越来越复杂，根据国家标准GB/T 6829—2017《剩余电流动作保护电器（RCD）的一般要求》，描述的典型的接地故障电流种类分别有正基金项目：福建省2018科技创新领军人才资助项目。Supported by the Funding Program for Leading Talents in Scientific and Technological Innovation of Fujian Province.弦交流、双脉冲脉动直流、三脉冲脉动直流、平滑直流、0°脉动直流、90°脉动直流、135°脉动直流以及复合剩余电流，具体见图1。［引文信息］陈作开，许志红．基于磁调制式电流互感器的剩余电流检测［J］．供用电，2019．36（12）：22-28．CHEN Zuo kai，XU Zhi hong．Residual Current Detection Based on Magnetic Modulation Current Transformer［J］． Distribution & Utilization，2019，36（12）：22-28．22供用电 2019.12DISTRIBUTION & UTILIZATION1:nipiSu tS()uoUrsUOUT⭮㵉㔬⤉UTHRT特别策划4IoIoIoIo䎞㻳ㅜ㒘I0°㕗Ⱀ䐒㒘t90°㕗Ⱀ䐒㒘t135°㕗Ⱀ䐒㒘ⶕ⼰㬄䈁⮈㒘ttt0t1−iψψs−is0ist2toI㯌㕗⨆㕗Ⱀ䐒㒘to㧞㕗⨆㕗Ⱀ䐒㒘Ito㠞⿍䐒㒘Itot3i图2 磁化曲线分段线性化模型Fig.2 Piecewise linearized model of the core magnetization curve图1 各类剩余电流波形Fig.1 Various residual current waveforms针对上述这几种典型的剩余电流，目前主流的检测方法有电磁式电流互感器法、霍尔电流传感器法以及磁调制式电流互感器法3种。电磁式电流互感器适用范围小，当剩余电流中存在直流分量时，电磁式电流互感器无法达到准确检测剩余电流的目的[7]，无法准确检测上述剩余电流波形。磁调制现象在某些文献以及互感器介绍中也称为磁通门技术[8]。由于磁调制式电流互感器始终工作在饱和状态，不易受外部磁场影响，抗干扰能力强。此外磁调制式电流互感器的响应速度快，对线路中所产生的剩余电流能够迅速动作。由于存在气隙，霍尔[9]图3 检测模块基本电路Fig.3 Basic circuit of detection module励磁方波电压在UOL和UOH这两者之间变化，二次_侧线圈电流变化范围在ITH到+ITH之间，ITH=UTH/RT，[10]电流传感器极易受外部磁场的干扰导致检测精度降低，_所以采样电阻RT上的电压变化范围在阈值电压UTH和相比于霍尔电流传感器在检测直流分量中存在检测精度+UTH之间，详见图4，理论上，该互感器的有效检测范低的问题，磁调制式电流互感器更加适用于检测脉动直_围为[nITH,+nITH]，在一个励磁周期内，采样电阻上的流以及平滑直流。电压平均值[17]见式（1）：2 磁调制式电流互感器在对磁调制式电流互感器进行分析前，先采用三段折线形式的分段线性化模型代表铁芯材料的B（H）曲线［或Ψ(i)曲线］，这样一来可以简化材料的饱和特性，同时可以忽略迟滞效应的影响，三段折线简化模型详见图2，这对推导出磁调制器的基本工作原理具有简洁、直观的优势，在分析实际模型中应用较多[11-16] （1）式中：是采样电阻在一个励磁周期内的平均电压；n为二次侧绕组匝数。图4为剩余电流IP=0时励磁方波电压和励磁电流波形，结合图2所示的磁芯磁化曲线分段线性化模型，在正向励磁电压UOH作用下，当激励磁场不断增大以致磁芯饱和时，二次侧绕组的磁链变化较小，电感L也小，励磁绕组感抗小，几乎可以忽略，即在t0~t1和t2~t3期间励磁电流上升速率快；磁芯工作在未饱和区域时，二次侧绕组磁链变化大，此时电感L值也大，励磁绕组感抗较大，所以当磁芯工作在不饱和期间内，即t1~t2内励磁电流变化缓慢。当采样电阻RT上的采样电压超过阈值电压+UTH时，电压比较器的输出电平翻转驱动励磁电压驱动芯片，开始在UOL电压下反向励磁，正负励磁交替进行，所以也称之为自激励振荡磁通门[17]。供用电 2019.1223。本文基于磁调制式电流互感器检测原理，其检测基本电路见图3，rs为线圈电阻，RT为采样电阻。互感器二次侧线圈电流流过采样电阻RT，当二次侧线圈电流达到阈值电流时ITH=UTH/RT，采样电阻的电压将达到电压比较器设定的阈值电压+UTH，电压比较器的输出电平将发生翻转，继而驱动励磁电压驱动芯片，最终产生一个正负幅值相等的高频方波励磁电压UOH和UOL，施加在二次侧绕组上，实现对磁芯的正反向励磁。DISTRIBUTION & UTILIZATION+5VU1⺃墏MOC3022Test⥃㬵㼀㦇4特别策划QU215105U/V0−5−10−15+ITHUOHt0t1t2t31007550250−25−50段小直流信号的叠加，通过检测励磁电流的变化，就可以达到检测各类剩余电流的目的。㏙⪦Ⳟ⤉⮈䁚3 模块的总体设计I/mA该剩余电流检测模块总体框架见图7，基于dsPIC33FJ系列单片机作为剩余电流检测模块的处理器，由磁调制式剩余电流互感器、剩余电流试验单元、dsPIC应用系统、显示单元、功能按键、剩余电流动作输出单元等组成。−ITH㏙⪦⮈㒘UOL−75−100图4 励磁方波电压和励磁电流波形Fig.4 Waveform of excitation square wave voltage and excitation current⪦⮘ 䐧㬞㬄䈁㾦⮈㒘⼦⪌ⶱ⤪㡘ゐネ⥃⭆㬄䈁䊋⮈㒘㬵䂊⭆䊋dsPIC䇇䇤㻖㵔㻵㬟㚄㌊A/D䓋⿜⮈㔘dsPIC⪇㏎㡘⹇㚽➕ポ㈈䎒⮈㔘㬄䈁⮈㒘Ⱀ䔘㭅⨗⭆䊋当剩余电流IP≠0时，相对于在磁芯中引进一个微弱直流电流信号In，在直流电流信号In产生的磁场作用下，磁芯形成一个偏置磁场，磁芯中交变磁通的对称性将会被破坏，以致励磁电流正负不对称，即磁芯达到正负饱和所对应的励磁电流大小不相等，测试结果见图5，在一个振荡周期内，当磁芯流过一个正向的剩余电流时，采样电阻上的平均电压为负值，即相对于IP=0时的输出电压而言整体下移，与式（1）表述相符。uRToIP㸋䎞㼓㩰⮈ⶕ㸜⮈㔘㵉㾦㚄㌊⮈䊕⮈㔘⤉㾯㬗⢑㰄ⳉ图7 检测模块基本框架Fig.7 Basic framework of the detection module3.1 硬件部分t3.1.1 剩余电流试验单元为方便检验剩余电流检测模块的检测可靠性，需要设计一个剩余电流试验单元。在互感器磁芯上绕加线圈作为剩余电流测试绕组，U1和U2为施加在剩余电流测试绕组两端的电压信号，通过外部功能按键，单片机接收指令后并输出动作信号使三极管Q导通，驱动光耦MOC3022，实现模拟产生剩余电流，试验电路详见图8，Test为单片机输出的驱动信号。图5 IP为正向时采样电阻的电压波形Fig.5 Voltage waveform of sampling resistor when IP direction is positive当磁芯流过一个反向的剩余电流时，采样电阻上的平均电压为正值，即相对于IP=0时采样电阻的输出电压而言整体上移，具体见图6。uRToIP㸋ⳕ㼓t图6 IP为反向时采样电阻的电压波形Fig.6 Voltage waveform of sampling resistor when IP direction is opposite这种通过检测励磁电流的变化量从而实现对剩余电流的检测，就是磁调制式电流互感器的检测原理，所以，当剩余电流信号为非正弦信号时，可以将其看作多24供用电 2019.12图8 剩余电流试验电路Fig.8 Test circuit of residual currentDISTRIBUTION & UTILIZATIONR3R11R6R7R8R9R10R1UinR2C3C1−+R4R5C4C2−+−+D1D2−特别策划43.1.2 互感器部分在磁调制式剩余电流互感器中，自激励振荡频率f是重要指标，它与检测精度以及能否检测到高频电流信号具有直接关系，f与励磁电压幅值UOH成正比，与磁芯截面积Ae、饱和磁感应强度BS和二次侧绕组匝数n成反比关系[17]Uout流电流，以及双脉冲和三脉冲直流共5种剩余电流波形+作频谱分析，结果见图9。，具体见式（2）：（2）90.00%80.00%70.00%60.00%50.00%40.00%30.00%20.00%10.00%0.00%DC 123456㾔⤉⪯㭞789100°90°135°㯌㕗⨆㧞㕗⨆ 在本文中，要求能够检测1000 Hz的正弦交流信号，所以理论上励磁频率达到2000 Hz就可以满足设计要求，互感器选用坡莫合金材料，磁芯有效截面积Ae大小见表1，受电源电压限制的同时，UOH取太高会增大电路损耗，所以UOH取12 V。在确定磁芯材料及大小的情况下，可调节的参数只有n，当f大于2 000 Hz时，结合式（2），计算得到n＜315时可满足要求。为了得到更高的方波励磁电压频率以提高互感器的灵敏度，可以适当减少n，通过计算及试验，当n减少到100匝时，虽然励磁频率有所上升，但会使得互感器的线性度降低且检测范围减少，另外，高频使得磁芯涡流损耗增大影响互感器寿命，综合考虑n取200，通过测试，f达到3.3 kHz，满足设计要求。表1 互感器相关参数Table1 Related parameters of transformerUOH/V12n/匝200BS/T0.7Ae/mm26.8f/Hz3.3k图9 典型剩余电流波形FFTFig.9 FFT of typical residual current waveform由图9可知，0°脉动直流频谱较为简单，90°以及135°的频谱集中在10次谐波内，而在双脉冲和三脉冲直流的频谱集中在5次谐波内。励磁电流的频谱只含奇次谐波，且其频率远大于剩余电流频率[7]，所以，为了尽量滤除励磁电流信号中的高频分量，同时也为了能够检测1 000 Hz正弦交流信号，将截止频率设置在1 000 Hz。选用巴特沃斯滤波器，该滤波器具有良好的高频衰减特性和失真特性，并且增益范围大，能够降低对元件精度的要求[18]。由两个多重反馈二阶低通滤波器串联，组合成一个四阶巴特沃斯低通滤波器，滤除励磁电流中的高频谐波分量。同时，为配合波形识别算法，信号经过滤波后需要经过精密绝对值电路，具体电路见图10。3.1.3 滤波模块设计滤波模块目的就是滤除励磁电流中除剩余电流以外的高频谐波分量，所以滤波器的截止频率f0是设计滤波器的一个重要参数。平滑直流和正弦交流信号频谱较为简单，选择滞后角为0°、90°和135°的单脉冲直图10 四阶巴特沃斯低通滤波电路和精密绝对值电路Fig.10 Fourth-order Butterworth low-pass filter circuit and precise absolute circuitDISTRIBUTION & UTILIZATION供用电 2019.1225㋋㬝ェ㰄⤉㾯㻖㭞yⷚ㈾y㝱⢑⮈㒘特别策划㏁㾮⧭㿓⨖㬝⿐4A/D⤪䂚I>ⰵ䇇⤉㾯䷱䐖󱷠3.2 软件部分䐙㬟⭧㑢⤃㼓㩰㸜NY软件部分主要是围绕波形识别展开，软件程序主要N⤪䂚ㆂ㭙󱷠Y㆙㧌A/D䐱ⰰ是由主程序以及中断服务程序组成，中断服务程序主要〛ⳃ⨗⡉⷇㾦⼦处理A/D中断、剩余电流测试、通信以及复位等事件，主程序负责初始化设置、数值显示以及功能按键检测等Ⳗ⿹䑘⧭㿓事件。按照GB/T 6829—2017，B型剩余电流保护器应能够对1 000 Hz以内的正弦交流、三脉冲直流、双脉冲直流、平滑直流、0°脉动直流、90°脉动直流以及135°脉动直流等典型的接地故障电流进行保护，该剩余电流检测模块的检测范围以B型剩余电流保护器所涵盖的波形来设计。图11为检频程序流程图，主要用于定期检测信号的频率，检频对象为采样电阻电压，当检频标志位为零时，启动定时器定时，经过一个周期后，定时器停止，通过定时器的定时时间来计算出信号频率，检频程序主要检测不同频率的正弦剩余电流，用于辅助识别信号类型。图12 电压中断服务程序流程图Fig.12 Flowchart of voltage interrupt service4 试验结果完成信号调理以及波形识别算法的编写后，对磁调制式剩余电流检测模块进行动作试验，实验现场见图13，主要包括剩余电流测试台、任意波形发生器、剩余电流检测模块以及相关电源。该剩余电流测试台，能够输出正弦交流电流、脉动直流电流（0°、90°、135°）、双脉冲脉动直流、三脉冲脉动直流、平滑直流电流等典型接地故障下的剩余电流类型，正弦电流信号的输出频率有50 Hz、60 Hz、150 Hz、400 Hz、700 Hz、1 kHz、2 kHz以及3 kHz能够满足目前AC型、A型、F型和B型4种类型的剩余电流保护器对动作波形的测试要求。㋋㬝Ⰹ㬒㡘Ⰹ㬒⤪䂚⮈䔉⮈䁚㾦⼦⹹⡶Ⰹ㬒㡘㣳㤆㒄ェ㰄㾦⼦㠖㔫ネ㠖㶋⧪󱷠YⳖ⿹䑘⧭㿓N㦯䅃⤉㾯ⳃ㪛㡘䐒㒘⮈䊕㬄䈁⮈㒘ネ⥃㚄㌊图11 检频流程图Fig.11 Flowchart of signal frequency detection㬄䈁⮈㒘⥃㬵䄨⮈㒘⿆ⶱ㡘图12为电压中断服务程序流程图，信号完成调理，进入单片机A/D采样端口，设定周期采样频率，每次采样完成后做累加计算，同时检测信号的峰值，在一个周期内完成采样累加计算后，将累加结果与该信号峰值的比值作为波形系数y，用于识别出剩余电流波形。完成波形识别后，再计算该波形信号的有效值，与该波形对应设定的动作阈值作比较，如果大于设定阈值则指示灯亮并向上位机发出报告信号，否则，继续进行下一程序。26供用电 2019.12图13 实验现场Fig.13 Test site利用该剩余电流测试台对磁调制式剩余电流检测模块进行试验，经过多次测试，得到该模块在不同频率以及不同波形下的动作值，根据标准GB/T 6829—2017，表2中列出7种剩余电流在不同频率下的动作范围，同时列出其实测的动作值，具体数值范围详见表2。DISTRIBUTION & UTILIZATION特别策划4表2 剩余电流检测模块的动作特性测试Table2 Characteristic test of residual current detection module波形测试值正弦DC三脉冲双脉冲0°90°135°2520252724283350Hz动作范围15~3015~6015~6015~6010.5~427.5~423.3~42测试值3620-----150Hz动作范围15~7215~60-----测试值4020-----400Hz动作范围15~18015~60-----测试值4220-----1 000Hz动作范围30~42015~60-----注：标记“-”表示标准中没有相关要求，单位mA。根据国家标准GB/T 6829—2017，对于频率为50 Hz的剩余电流信号，正弦交流剩余电流的额定剩余动作电流IΔn为30 mA；平滑直流（DC）、三脉冲以及双脉冲的动作电流范围都是0.5IΔn~2IΔn；0°、90°以及0.25IΔn~1.4IΔn以及0.11IΔn~1.4IΔn。另外，当信号频率不同于50Hz时，对于正弦交流剩余电流信号，150 Hz下对应的动作电流范围为0.5IΔn~2.4IΔn；400 Hz下对应的动作电流范围为0.5IΔn~6IΔn；而1 000 Hz下对应的动作电流范围则为IΔn~14IΔn，具体动作范围见表2。由于国标中没有规定三脉冲、双脉冲、0°、90°以及135°这5种脉动直流剩余电流在150 Hz、400 Hz以及1 000 Hz频率下的动作范围，所以本文对以上3种频率下的脉动直流剩余电流的动作值不作考虑。块的动作值分别为25 mA、20 mA、25 mA、27 mA、24 mA、28 mA和33 mA。当正弦剩余电流的信号频率为150 Hz、400 Hz和1 000 Hz时，检测模块的动作值分别是36 mA、40 mA和42 mA，7种典型的剩余电流波形的动作值都在135°脉动直流的动作电流范围分别为0.35IΔn~1.4IΔn、国标规定的动作范围内，满足设计要求。5 结语磁调制式电流互感器，能够克服电磁式电流互感器在检测直流分量中存在的缺点，本文通过优化检测模块的电路结构以及重新设计磁调制式电流互感器的参数，可以适当提高励磁磁频率、减少发热，以达到增加检测电路性能以及提高电路寿命的目的，为研制高性能磁调制式电流互感器奠定基础。通过试验，该剩余电流检测模块不仅能够有效检测1 000 Hz以内的正弦交流信号，施加不同类型以及不同频率的剩余电流波形信号，还能准确检测以及识别各类脉动直流以及平滑直流信多次测试剩余电流检测模块的动作值。在工频50 Hz下，号，性能稳定，能够实现对交直流剩余电流的监控与保当施加正弦交流、平滑直流、三脉冲、双脉冲、0°、护，改善目前剩余电流保护现状，提高电网运行的安全 90°以及135°脉动直流这7种剩余电流波形时，检测模可靠性。参考文献［1］ 李天友，徐丙垠，薛永端，配电网高阻接地故障保护技术及其发展［J］．供用电，2018，35(5)：2-6，24．LI Tianyou， XU Bingyin， XUE Yongduan． High-impedance fault protection of distribution networks and its developments ［J］．Distribution & Utilization，2018，35（5）：2-6，24．［2］谢正荣，单立辉，时庆兵，等．电气火灾早期预警及监测前沿技术探讨［J］．建筑电气，2019，38（8）：39-44．XIE Zhengrong， SHAN Lihui， SHI Qingbing， et al．Discussion on advance technology of early warning and monitoring for electrical fire［J］．Building Electricity，2019，38（8）：39-44．［3］LUO X，DU Y，WANG X H， et al． Tripping characteristics of residual current devices under nonsinusoidal currents ［J］． IEEE Transactions on Industry 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College of Electrical Engineering and Automation Fuzhou University，Fuzhou 350108，China；2. Fujian Key Laboratory of New Energy Generation and Power Conversion，Fuzhou 350108，China）Abstract: Focus on the shortcomings of traditional electromagnetic residual current transformers in detecting pulsed DC and smooth DC, this paper presents a residual current detection module based on magnetic modulation current transformer. Combined with dsPIC33FJ series MCU, the current value and type of the residual current signal are obtained by detecting the low frequency component of the secondary side current signal of the transformer. Waveform recognition algorithm is used to improve the detection sensitivity of the detection module for various residual current. Then applies it to the distribution line of the low voltage distribution network, which can detect and protect the residual current of AC and DC. Through testing, the module can detect and identify residual current waveforms effectively to meet design requirements.Key words: magnetic modulation; low frequency component; waveform recognition; low voltage distribution network; AC/DC detection28供用电 2019.12DISTRIBUTION & UTILIZATION