一种全电流敏感的剩余电流检测方法*

陈永亮, 高孝天

(1.上海电科电器有限公司, 上海 200063; 2.上海电器科学研究所(集团)有限公司, 上海 200063)

一种全电流敏感的剩余电流检测方法*

陈永亮1, 高孝天2

(1.上海电科电器有限公司, 上海 200063; 2.上海电器科学研究所(集团)有限公司, 上海 200063)

提出了一种针对全电流敏感的剩余电流检测方法,不仅满足交流型及脉动直流型剩余电流的检测,而且实现了平滑直流的检测,满足现阶段B型剩余电流的设计需求与应用。对直流恒定磁场信号进行调制处理,并通过解调电路等实现了平滑直流型剩余电流的检测;交流型和脉动直流型剩余电流检测,采用电磁式的处理方法。检测方法不仅从理论上完成了两种检测电路的整合,而且试验上也验证了方案的可行性。

剩余电流动作保护器; B型剩余电流检测; 磁调制; 整合电路

0 引 言

剩余电流动作保护器(Residual Current Operated Protective Device,RCD)是一种在低压电网中广泛应用的安全保护电器,用来防止人身触电、电气火灾、因接地故障引起的人身伤害及电气设备损坏。剩余电流检测电路是RCD中重要组成部分之一,用于检测剩余电流及处理电路输出信号至执行器件,以保证保护电器的准确动作。RCD因其检测电流类型的不同,又可以分为AC型(交流)、A型(交流及脉动直流)、B型(交流、脉动直流、平滑直流)。

现阶段,国内市场上应用较多的RCD产品还是以AC型、A型为主,而B型因其使用场合有限,没有得到很好的研究开发和应用。随着直流能源应用的增多,以及变频器、逆变器等装置的广泛应用,这些相关设备产生的剩余电流并不全部由交流和脉动直流组成,而出现平滑直流或高频电流等情况,因此对于B型剩余电流检测,即全电流敏感型保护电路的研究也变得越来越重要。

全电流敏感型剩余电流检测电路中包含对于交流型和脉动直流型电流的检测,这两种剩余电流检测的技术相对比较成熟,无论是电磁式,还是电子式都有不少的技术方案能提供这方面的功能。平滑直流剩余电流的检测是B型剩余电流检测电路的重点及难点之一,常用的非接触式测量方法有霍尔传感器、磁调制器以及磁通门等。霍尔传感器容易受外部磁场干扰,且对于小电流的检测存在精度差、稳定性弱等不足,故在RCD中很少应用。磁通门传感器的灵敏度很高,比其他的固态性器件,如磁阻仪和霍尔传感器高出5个数量级,往往应用于空间弱磁场的相对测量,在RCD中难以适用。

磁调制的检测方法则是利用铁磁材料的非线性磁化曲线,通过交变的电磁激励,使互感器输出信号中反映出环境磁场的大小,从而检测出直流分量。当铁心磁导率随着激磁磁场强度变换时,二次线圈的感应电势中就会出现随着环境磁场强度变化的偶次谐波分量,而且当铁心处于周期性饱和工作状态时,偶次谐波分量会显著增大。对于环境磁场,铁心的周期性过饱和状态就像是一道门,通过这道门,磁通量被调制,能检测出环境磁场,继而可以应用于平滑直流剩余电流的检测电路中。

1 技术方案

1.1 平滑直流剩余电流检测方案

在交变对称电压或电流源激磁的铁心中,若同时存在直流恒定磁场,铁心中交变磁通的对称性就被破坏,磁通波形的正、负半波相位将发生变化,通过对输出电压中正、负半波相对位移的采样处理,继而得出直流偏置电流的大小和方向。常见的单铁心磁调制器模型如图1所示。该模型能较好地适用于平滑直流剩余电流检测电路的设计中。

图1 常见的单铁心磁调制器模型

高导磁率铁心上包含三个绕组。在相位差磁调制技术中,激磁电流Is通常采用三角波的形式,使铁心工作在正负过饱和状态。当主回路电流I0为平滑直流时,直流偏置电流的大小和方向则会反映在二次侧绕组输出波形上,具体表现在正负波形相位的变化量上。

磁调制激励波形和检测输出波形如图2所示。

作为采样信号的磁调制器输出波形,需要经过关键的解调电路才能变成处理电路所需的电平处理信号。解调的目的就是将方波的相位变化量提取出,主要由高阶低通滤波器构成。高阶低通滤波器电路图如图3所示。根据不同的激磁电流频率,输出方波的频率也不同,再设计对应低通滤波器进行解调,可将方波的相位变化量转换成一个可供放大比较的电平信号。

图2 磁调制激励波形和检测输出波形

图3 高阶低通滤波器电路图

当平滑直流剩余电流信号转换为一个幅值变化的电平信号时,再通过一些运算放大、绝对值以及比较等电路模块的集成处理,电平信号最终可转化为执行单元的驱动信号,从而满足了剩余电流保护电路的设计需求。

1.2 交流及脉动直流型剩余电流检测方案

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在交流及脉动直流剩余电流的检测上,采用电磁式方法,一方面其保护特性更容易被市场接受,另一方面电路简单,便于调试,其设计的难点就是电磁脱扣器和零序电流互感器的选用。其中对电磁脱扣器要求脱扣所需的能量要小,同时保证动作的可靠性、抗干扰性等。零序电流互感器的选用则应重点考虑其能量的输出和检测的精度,精度体现在线圈匝数上,能量的输出则要充分考虑铁心的尺寸。

零序电流互感器如图4所示,包含两组铁心,除了上方较小用于平滑直流检测的线圈外,下方还有用于电磁式电路的零序电流互感器,体积上明显比上方的线圈大。电磁式用互感器在设计上需要考虑输出能量的高低,因此铁心的内径应尽量小,以确保磁通的利用率,且铁心的材料、卷绕厚度及紧密度都不可忽视。

图4 零序电流互感器

零序电流互感器输出到磁通脱扣,则只需简单的二极管与电容组合的充电电路即可完成能量的积累和输出控制,但此处对于电磁脱扣器的动作电压值有较严格的要求,过小易引起误动作,而过大则直接影响驱动能力。

1.3 驱动整合电路

驱动整合电路是电磁脱扣器前端的最后电路。由于平滑直流检测电路和电磁式A型剩余电流检测电路处于不同的零序互感器系统,两者的相对地电平不统一,解决整合的问题直接关系到全电流检测的可行性。

简易驱动整合电路如图5所示。图5中,下方电路为电磁式剩余电流所使用的简易能量转换电路,与脱扣线圈对接。当出现A型剩余电流故障时,电路会将零序互感器产生的采样电流转换为脱扣线圈工作所需的能量;当未发生直流故障时,上端的三极管处于关断状态,电磁式电路的工作状态不会影响该部分电路的正常工作;当发生直流故障时,输出控制电流使三极管导通,继而电源直接加载到脱扣线圈两端,使其动作。两部分控制电路的输出信号互不干扰,即实现了脱扣的可靠整合。

图5 简易驱动整合电路

2 试验数据

2.1 平滑直流检测数据

平滑直流剩余电流检测试验框图如图6所示。缓慢调节可变电阻阻值,观察后端驱动信号的电平变化。设定当主回路出现30 mA平滑直流型剩余电流时,驱动信号从低电平至高电平转换,即发出驱动电磁脱扣器的信号。

图6 平滑直流剩余电流检测试验框图

平滑直流剩余电流检测试验数据如表1所示,其中电流表读数为驱动信号转换时的万用表读数。

表1 平滑直流剩余电流检测试验数据

由表1可见,试验结果较稳定,通过对采样及后端处理电路的参数调节,能较准确地反映平滑直流剩余电流的数值,且精度满足剩余电流保护电器的设计要求。

2.2 A型剩余电流检测数据

A型剩余电流检测框图如图7所示。直接将试品连接在剩余电流测试仪上,通过测试仪输出的电流值,来判断样品动作的正确性。

图7 A型剩余电流检测框图

缓慢施加剩余电流,实际检测的动作电流值如表2所示。

表2 施加A型剩余电流检测数据

由表2可见,A型剩余电流的检测也能达到一定的准确性,且完成了电磁式的检测特性与电子式平滑直流检测的整合。

3 结 语

本文重点解决了平滑直流剩余电流的采样难题,通过对于磁调制技术的理解和有效利用,搭建了单铁心磁调制器电路,实现了平滑直流信号的采样,再通过后续的滤波解调电路等,实现了对于直流偏置磁场的检测,同时处理了电磁式驱动信号与平滑直流检测电路的整合,达到了全电流敏感检测的目的。

随着直流能源应用的增多,以及变频器、逆变器等装置的广泛应用,对B型RCD的研究显得越来越重要。在实现了基本检测功能后,配合结构设计、电磁兼容等方面的研究,最终推进RCD产品性能的完善,以面向市场应用。

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[2] 陆俭国.中国电气大典第11卷 配电工程 低压电器[M].北京:中国电力出版社,2009.

[3] 杨风开.磁调制式直流小电流有源传感器[J].仪表技术与传感器,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

陈永亮(1984—),男,工程师,从事低压电器电子控制器及智能电器的研究。

上海智能电网终端用户设备产业技术创新战略联盟(二期)(12DZ0510400)

TM 502

B

1674-8417(2015)01-0039-04

2014-10-20

高孝天(1989—),男,从事低压电器电子控制器及智能电器的研发。