电磁搅拌漏电流检测系统设计与应用

汪 亮，任 驰，余燕燕，邹志强，袁 鹏

（湖南中科电气股份有限公司，岳阳414000）

电磁搅拌（electromagnetic stirring，EMS）实质是借助在铸坯液相穴中感生的电磁力，强化钢水的运动。具体地说，搅拌器激发的交变磁场渗透到铸坯的钢水内，就在其中感应起电流，该感应电流与当地磁场相互作用产生电磁力，电磁力是体积力，作用在钢水体积元上，从而能推动钢水运动[1]。根据电磁搅拌器在铸机冶金长度上的不同安装位置大致有以下几种模式：结晶器电磁搅拌、二冷区电磁搅拌和凝固末端电磁搅拌[2]。电磁搅拌装置主要由给电磁感应器提供低频电源的专用变频电源，产生电磁场的电磁感应器， 冷却电磁感应器的冷却水路3部分组成[3]。为了满足电磁搅拌装置用电安全的要求，保证电磁搅拌装置运行稳定以及延长电磁搅拌装置的使用寿命，电磁搅拌装置设计有漏电流检测系统。电磁搅拌变频电源和电磁搅拌器因出现绝缘损坏时而发生漏电现象不仅极易导致技术人员触电危险或电源系统短路故障发生[4-5]，而且漏电现象还会影响电源搅拌变频电源系统中控制系统等弱电系统的稳定性和可靠性，因此准确的漏电流大小在线测量和监控对电磁搅拌装置系统安全、可靠以及稳定地运行具有重大的意义[6]。

目前漏电流大小测量比较常用的方法具有以下几种：①在电磁搅拌电源系统的供电进线处安装漏电断路器，当瞬时漏电流达到一定的阈值，断开电源系统的供电断路器。电磁搅拌专用变频电源尽管输出1～16 Hz 的低频电源， 但为了控制电磁搅拌电源输出电源的质量， 仍然采用高频SPWM 或SVPWM 载波来调制，如专利CN 102368606A 中所述高频电源和电源所带负载都对大地之间存在着寄生电容，高频SPWM 或SVPWM 载波经寄生电容会产生高频成分的漏电流流向大地，从而引起漏电断路器误动作[7]。②中国专利CN 204167875 U 提出了一种采用电压传感器测量直流母线电压纹波电压成分大小来判断漏电流的大小，因为直流母线电压纹波有效值成分只占直流母线电压平均值很小一部分，所以该专利中提出的方法很难保证漏电流测量精度[8]。③中国专利CN 102368606 U 中提出采用附加直流电源检测的方法，采用模拟电路设计，并且经过电阻分压和低通滤波器滤波等处理后再采样，该方法尽管具有保护全面即对地电容电流补偿、动作值整定简单的特点，但该方法采样电路需要与强电直接接触，具有容易对检测回路造成电磁干扰的缺陷，从而引起漏电检测误动作，同时因为电磁搅拌变频电源输出的为低频电源，低频信号和漏电流检测直流信号非常接近，往往采用截止频率很低的低通滤波器进行滤波，该滤波器对漏电流的有效信号也会进行衰减， 造成漏电流检测误差，而且截止频率很低的低通滤波器会降低漏电流的检测响应速度[9]。同时上述几种方法都存在一个缺陷，即未能分别对电磁搅拌电源系统和电磁搅拌器分别在线进行漏电流绝缘状况监测，只能监测整个系统装置的绝缘状况，一旦出现绝缘损坏，很难定位到底是电磁搅拌电源绝缘损坏还是电磁搅拌器绝缘损坏。

本文在前人研究设计应用的基础上，利用宁波浩恒机电科技有限公司的型号为CHH10-501 额定测量电流为10 A 的基于磁通门原理的漏电流传感器为核心，利用该传感器检测精度高、响应速度快、能源消耗低以及测量弱磁场范围宽的特点，设计了一种适合电磁搅拌系统装置的漏电流大小在线测量系统。

1 磁通门技术漏电流传感器原理

磁通门电流传感器工作原理是基于铁芯材料的非线性磁化特性，其敏感元件为高磁导率、容易饱和材料制成的铁芯， 有两个绕组围绕该铁芯：一个是激励线圈，另一个为信号线圈。在交变磁场激励信号的磁化作用下，铁芯的导磁率特性发生周期性饱和与非饱和的变化，从而使围绕在铁芯上的感应线圈感应出反应外界磁场的信号。如图1所示，对激励线圈加以角频率为ω 的正弦激励电流，产生激励磁场He=Hm·sin ωt（Hm为激励磁场强度幅值），所测环境磁场强度为H0，则可以推导出磁芯内部磁感应强度B，以及信号线圈中产生的感应电动势U0，公式为

图1 磁通门漏电流传感器工作原理Fig.1 Principle of fluxgate leakage current sensor

因为磁通门传感器是利用被测磁场中高导磁率磁芯在交变磁场的饱和激励下，其磁感应强度与磁场强度的非线性关系来测量弱磁场的。这种物理现象对被测环境磁场来说好像是一道门，通过这道门，相应的磁通量即被调制，并产生感应电动势。利用这种现象来测量电流所产生的磁场，从而间接的达到测量电流的目的。如图2所示，磁通门输出有效信号中只含有激励信号的偶次谐波，并且其中二次谐波分量幅值最大；磁通门输出噪声信号中只含有其奇次谐波， 而且幅值最大的是基波和三次谐波。噪声信号中幅值最大的两种谐波分量分布在磁通门有效输出信号幅度最大的二次谐波的两侧。因此，磁通门漏电流往往采用二次谐波法能够有效消除磁通门输出的噪声信号，二次谐波检测法原理如图3所示。

图2 磁芯磁感应强度随磁场强度变化曲线Fig.2 Magnetic induction intensity of magnetic core varies with magnetic field intensity

图3 二次谐波检测法原理图Fig.3 Second harmonic detection method schematic diagram

2 漏电流检测系统设计

2.1 方案设计

基于磁通门技术电磁搅拌漏电流检测系统如图4所示，在电磁搅拌专用变频电源的主电源进线处安装1 个1# 基于磁通门技术型号为CHH10-501漏电流传感器，用于检测电磁搅拌专用变频电源和电磁搅拌器两者总漏电流大小；在电磁搅拌专用变频电源的出线处安装1 个2# 基于磁通门技术型号为CHH10-501 漏电流传感器，用于检测电磁搅拌器线圈的漏电流大小；2# 漏电流传感器输出的漏电流模拟信号经信号处理单元后送入微处理器的2#ADC 模拟采样通道，用于微处理器实时判断电磁搅拌器线圈的绝缘状况； 将1# 漏电流传感器输出的信号经1# 数据信号处理单元后的模拟值减去2#漏电流传感器输出的信号经2# 数据信号处理单元后的模拟值再送入微处理器1#ADC 模拟采样通道，用于微处理器实时判断电磁搅拌专用变频电源漏电流的大小。

图4 电磁搅拌漏电流检测方案示意图Fig.4 Schematic diagram of electromagnetic stirring leakage current detection scheme

2.2 电磁搅拌漏电流检测系统组成

电磁搅拌漏电流检测系统如图5所示。1# 型号为CHH10-501 的漏电流传感器和2# 型号为CHH10-501 的漏电流传感器分别检测电磁搅拌变频电源的进线处电流的矢量和以及电磁搅拌变频电源的出线处矢量和。漏电流传感器原边矢量额定测量电流为10 A， 原副边匝比为1∶1000；1# 采集单元、1# 数据信号处理单元和2# 采集单元、2# 数据信号处理单元以及微处理器全部集成在电磁搅拌变频电源的核心控制板。

图5 电磁搅拌漏电流检测系统框图Fig.5 Block diagram of electromagnetic stirring leakage current detection system

2.3 硬件电路设计

漏电流传感器输出的电流信号，在核心控制板首先经I/V 转换电路， 将电流信号经电阻R100 和R200 转换为电压信号，再经双运放全波整流电路将交流信号整成脉冲直流，再经积分滤波电路滤成平滑直流电压信号，2# 平滑直流信号直接送至微处理器的2#ADC 采样通道，平滑电压信号大小代表电磁搅拌器线圈漏电流大小，1# 平滑直流电压信号和2# 平滑直流电压信号经硬件电路差分减法电路后送至1#ADC 采样通道，此平滑电压信号差值大小代表电磁搅拌专用变频电源的漏电流大小，采样电路和信号处理单元电路如图6所示。

图6 采样电路和信号处理单元电路Fig.6 Sampling circuit and signal processing unit circuit

图中R108，C101 以及R208，C201 组成低通积分滤波器， 取电阻R108，R208 的阻值为10 kΩ，电容C101，C201 的容值为33 μF， 这样经计算截止频率为运算放大器U301，U302，U303 和电阻R301，R302，R303，R304 组成差分放大器， 运算放大器U301，U302 为电压跟随器，用于增强带负载能力。运算放大器U102，U103，电阻R101，R102，R103，R104，R105，R106，R107 以及D101为双运放的全波整流电路，同样运算放大器U202，U203，电阻R201，R202，R203，R204，R205，R206，R207 以及D201 也为双运放的全波整流电路，电阻R100 和电阻R200 为电阻阻值为300 Ω 的采样电阻， 漏电流传感器CHH10-501 输出的0～10 mA 的电流信号经电阻R100 和R200 转换为0～3 V 的电压信号。

3 试验验证

本文采用主电路方案进行漏电流测试验证试验，S1 和R3 用于模拟电磁搅拌专用变频电源的绝缘状况漏电流大小测量试验，S2 和R4 用于模拟电磁搅拌器的绝缘状况漏电流大小测量试验。试验中的供电变压器为三相380VAC， 经整流后滤波成平滑直流为Udc=380 V×1.414≈540 V， 当电磁搅拌系统装置正常工作时，取电阻R3 和R4 分别为200 Ω和100 Ω 时，以及分别单独合闸上S1 开关、单独合闸合上S2 开关和S1，S2 全部都合闸上， 用示波器测量核心控制器上Vout1-Vout2和Vout2上的模拟电压值大小，示波器测量值如表1所示，漏电流大小测试试验原理如图7所示，S1 合闸时流经R3 的电流波形如图8所示，S2 合闸时流经R4 的电流波形如图9所示，变频电源实际运行时合闸S1，S2 触摸屏上显示的漏电流大小如图10所示。

图7 漏电流大小测试试验原理图Fig.7 Leakage current size test schematic diagram

图8 S1 合闸时流经R3 的电流波形Fig.8 Waveform of current flowing through R3 when S1 is closed

图9 S2 合闸时流经R4 的电流波形Fig.9 Waveform of current flowing through R4 when S2 is closed

图10 变频电源实际运行时合闸S1 和S2 触摸屏上显示的漏电流大小Fig.10 Waveform of actual leakage current displayed on the touch screen when S1 and S2 is closed

表1 不同开关状态时1#ADC 和2#ADC 采集电压大小Tab.1 Acquisition voltage of 1#ADC and 2#ADC under different switching states

4 结语

本漏电流检测系统采用基于磁通门技术的漏电流传感器测量电磁搅拌器系统装置的漏电流大小，大大提高了漏电流测量系统的精度，并采用硬件减法电路来区分电磁搅拌专用变频电源和电磁搅拌器各自的漏电流大小，能够快速准确地判断整个电磁搅拌系统装置各个部分的绝缘状况。通过试验结果表明， 本电磁搅拌漏电流检测系统测量精度、稳定性等都达到了预期的设计要求，具有成本低廉、调试方便的优势，并且成功地应用在湖南中科电气股份有限公司的第五代电磁搅拌专用变频电源的核心控制板上，在电磁搅拌领域具有相当大的实际工程应用价值。