剩余电流波形发生装置的设计

陈作开，许志红

(福州大学电气工程与自动化学院，福建省新能源发电与电能变换重点实验室，福建 福州 350108)

0 引言

剩余电流保护对提高用电系统的安全性及可靠性具有重要作用，国内相关学者普遍是针对某些类型的剩余电流信号展开研究，得到针对该类型剩余电流的保护方法.但局部地区电力运行环境较为恶劣，且由于负载的差异性，产生的剩余电流种类也不尽相同，波形趋于多样化、复杂化.在剩余电流保护装置(residual current device, RCD)的动作特性试验中，尤其是B型剩余电流保护电器，需要多种剩余电流信号测试其性能，如何产生该类剩余电流保护器动作特性测试所需的多种电流波形是目前研究的热点.

在剩余电流检测方面，文献[1]针对电压型磁调制式剩余电流传感器，搭建其动态励磁电流变化过程模型，为设计电压型磁调制式剩余电流互感器提供依据.文献[2]设计一种磁调制式交直流敏感型剩余电流保护器，通过采用有效值补偿的方法提高检测精度，实验表明该剩余电流保护器满足标准要求，能实现对交直流剩余电流的保护.RCD的动作特性测试主要检验剩余电流保护电器动作可靠性，需要结合相关测试仪器对产品的性能进行检验[3]，众多学者对此展开研究.文献[4]以直接数字频率合成技术为基础，由现场可编程门阵列实现多通道任意波形的产生.文献[5]搭建OCL推挽功率放大电路，通过理论分析并设计硬件电路，设计的功率放大电路满足要求，最终能够得到电流信号，具有一定的应用前景.文献[6]根据信号特性设计功率放大电路从而获得复合波，能够满足剩余电流保护器对某类波形的测试要求.文献[7]设计一种用于检测B型剩余电流保护器动作特性的测试仪器，可产生多种电流信号满足现阶段所有类型剩余电流保护器的测试.文献[8-9]基于数字直接频率合成原理，设计一款B型剩余电流动作特性测试装置，输出电流能够满足现阶段对RCD的检测要求.在剩余电流保护领域，除了探讨在复杂波形条件下的剩余电流检测技术以外，对剩余电流动作特性测试方法也需展开研究.

本研究基于故障波形数据库，设计一套剩余电流波形发生装置，目的是产生多种波形条件下的电流信号用于剩余电流保护器的动作特性测试.利用LabVIEW作为上位机软件进行平台开发，将波形还原应用到剩余电流保护领域，目标波形通过上位机操作界面直接以模拟量的形式输出，设计信号隔离和功率放大电路，通过联合仿真验证方案的可行性.以FFT和THD值作为波形还原评价指标，通过实验进一步验证方案的可行性，装置能够输出多种波形条件下的剩余电流，能够用于剩余电流保护器的动作特性测试.此外，在一些高成本、难以重复操作的实验例如生物触电实验中，具有较好的可替代性和实用性，为研发新一代具有防人身触电保护功能的RCD提供测试信号，对改善剩余电流保护器性能，提高用电安全性具有现实意义.

1 装置整体设计

剩余电流波形发生装置整体设计方案如图1所示，整体操作流程可在LabVIEW上位机完成.基于剩余电流波形数据库，选取目标波形并截取所需输出波形，结合数据采集卡内部的AO功能，将波形数据文件转换成模拟量输出.经过信号隔离和功率放大模块最终输出目标电流，将还原的电流信号连接至RCD以测试其动作特性.最后，将还原波形与原始波形作相关特征分析，衡量波形还原的效果.

为了检验方案的可行性，需要结合LabVIEW与Multisim软件对各硬件电路进行联合仿真[10].在Multisim软件中搭建信号隔离和功率放大电路，LabVIEW上位机调用Multisim仿真电路，读取剩余电流波形数据文件并以模拟量的形式输出，作为仿真电路的外部激励信号源.同时，仿真电路实时响应，还原的波形数据在控件与仿真循环模块中上传到LabVIEW上位机界面.对其进行还原度分析，验证其各项指标是否满足设计要求，从而实现联合仿真过程.

2 剩余电流波形发生装置

2.1 剩余电流波形数据库

在低压配电系统中，日常所用电器产生的剩余电流主要是工频交流信号.但是在一些变频或者是高频设备应用场合，随着各种新型电器产品的大规模应用，配电网中的剩余电流类型愈发复杂，已由单一的工频正弦信号过渡为交流、脉动直流以及平滑直流叠加而成的复杂剩余电流信号，产生的剩余电流信号频率有所差异[11].图2中波形①～⑧为国标[12]列举的几种典型剩余电流信号.所以，设计的剩余电流发生装置能够准确输出以上几种电流信号，对生物触电电流信号也能准确还原输出，为研发新一代RCD提供测试平台.

图2 典型剩余电流波形Fig.2 Typical residual current waveforms

2.2 信号隔离电路

信号隔离电路是装置的一部分，设计该电路目的是切断控制侧和输出侧的地回路，完成信号的电气隔离以免外部强电对采集卡的冲击而造成永久性损坏.剩余电流波形发生装置包括上位机波形输出界面和硬件电路.硬件部分主要由信号隔离和功率放大两部分组成.信号隔离电路原理图如图3所示.

图3 信号隔离电路Fig.3 Signal isolation circuit

选用双光电二极管结构的线性光耦进行电路设计，光耦输出两部分电流，分别为反馈电流与输出电流.前者经过I1-U1反馈电路将电压信号反馈回输入端，减少信号失真提高电路线性度. 后者经过I2-U2输出电路将电压信号输出到同相比例放大电路实现输出信号增益调节.由运放的工作特性以及双极性光耦HCNR201的传输特性，可计算电路的传输增益A0. 通过调节电阻参数，将A0设置为1，达到只隔离不放大的效果.A0的表达式如下：

(1)

由上式可见，信号隔离电路的输出与输入信号呈线性关系，且输出增益可调.其与各个电阻参数相关，可根据电路要求设计器件参数，调节电阻值使电路增益A0为1，完成信号隔离的目的.

2.3 功率放大电路

图3中Uout为经过隔离的目标信号，无法驱动负载产生所需电流.为了使该模拟量信号具有带载能力，需要对其进行功率放大，功率放大电路如图4所示.剩余电流保护电器动作特性测试对目标电流信号具有精度要求，要求输出电流满足设计要求.

图4 功率放大电路Fig.4 Power amplifier circuit

使用线性功率放大器中失真度低和转换效率高的甲乙类OCL功率放大器[13]，为了使Q3、Q4可靠导通，功率放大电路采用了两级结构.Uin为经过隔离电路的信号源，信号经过运放U1完成比例放大，U2对输入信号及由负载侧的反馈信号进行差分放大，其中R6、R7、R8和R9共同组成偏置电路，其中R7、R8的压降作为三极管Q1、Q2的偏置电压使其进入导通状态，R12和R13同样作为偏置电阻为下一级功率三极管Q3、Q4提供偏置电压使其处于微导通状态，消除交越失真[14]，U3为反馈电路，以负载电阻电压信号为反馈量，能有效抑制波形失真，稳定工作点以减少漂移.功率放大电路输出电压为Uo，负载RL=RL1+RL2，输出功率为Po，有：

功率三极管管压降：

VCE(t)=VCC-Uosinωt

(2)

负载瞬时电流：

(3)

负载RL功率：

(4)

其中，Uo=VCC-VCES，当忽略三极管管压降时，Uo≈VCC，以此估算最大输出功率. 由于功率三极管Q3和Q4在一个周期内交替导通，工作时间为半个周期，则：

三极管管耗：

(5)

由于VCC与RL为定值，VCC取15 V，功率管管耗PQ只与输出电压大小有关，功率管管耗最大值PQ, max由输出电压Uo决定，输出电压Uo幅值在VCC以内，还原的电流信号其有效值基本在三极管的工作范围以内，有：

三极管管耗为：

(6)

在该功放电路中，功率管Q3、Q4选用对管2N3055和MJD2955，其电气典型参数为15 A、50 V、115 W，两者结构对称且参数一致使得工作点稳定；Q1和Q2组成的前级驱动电路能够直接使其进入微导通状态，共同组成最后一级的功率放大电路，能够向外部负载电阻提供足够的信号功率，最终输出目标电流信号.

3 联合仿真

3.1 LabVIEW与Multisim联合仿真设置

图5 联合仿真原理图Fig.5 Co-simulation schematic

为了验证剩余电流波形还原装置设计方案的可行性，需要结合LabVIEW上位机程序与Multisim搭建的隔离功放电路进行联合仿真，仿真原理图如图5所示.在Multisim软件搭建信号隔离与功率放大电路，LabVIEW上位机控制部分则是输出原始波形信号作为信号隔离与功率放大仿真电路的激励源.数据交互端口是Io1和Io2，分别是上位机模拟量输出端口和功放电路还原输出电流信号采集端口.在LabVIEW软件的控件与仿真循环模块下，以设置的仿真时长、步长和采样率等信息，调用Multisim仿真电路进行电路仿真.两个软件在每个仿真步长内交互数据，上位机同时显示原始波形和仿真输出波形，以傅里叶分析作为衡量仿真输出波形的指标，将原始信号与仿真还原输出电流信号进行对比，最终验证方案的可行性.

3.2 典型剩余电流仿真分析

选取90°脉动直流剩余电流信号和一组动物触电信号对本方案进行验证, 90°脉动直流信号仿真结果如图6所示.该类漏电信号多见于电力电子整流设备中，所含谐波分量较大，黑色信号为原始信号，作为仿真电路外部激励源，红色虚线为装置还原输出电流，从时域上看波形重合度高，整体还原效果较好，即使在电流变化率较大的区域如10 ms处也不存在失真或畸变现象.

对还原前后的信号进行FFT分解，所得结果如图7所示，谐波含量较大故分解到3 kHz，信号还原前后各频率节点下都具有较好的跟随性，不存在频段丢失的现象，信号在时频域都有较好的输出效果.

图6 90°脉动直流信号与仿真输出信号Fig.6 90° pulsating DC signal and simulation output signal

图7 90°脉动直流信号FFT分析Fig.7 FFT analysis of 90° pulsating DC signal

3.3 生物触电电流仿真结果

以下为动物触电信号仿真, 结果如图8、图9所示.该类信号难以设计对应的硬件电路进行还原输出，除了进行触电实验以外难以获取且实验成本高.本研究提出的波形还原输出则可提供较好的解决方案.

图8中，黑色信号为动物触电原始电流信号，幅值随时间呈不规律变化，具有较大的随机性.红色信号为经过联合仿真该装置还原输出电流，即使在电流畸变较为严重的区域如红圈标记部分.电流变化率也能准确地跟随原始信号，波形重合度高.观察仿真输出电流过零前后，从侧面反映该功率放大电路不存在交越失真.从图9的FFT分解结果看，信号幅值集中在低频，主要为工频信号，含有3次、5次等谐波分量但含量较少，各频率节点下都具有较好的跟随性，仿真结果满足设计要求.

图8 原始触电信号与仿真输出信号Fig.8 Original electric shock signal and simulation output signal

图9 原始触电信号FFT分析Fig.9 FFT analysis of original electric shock signal

4 实验验证

4.1 实验装置

根据方案设计并调试硬件电路，结合上位机操作界面对上述实验进行验证，选取典型的交直流剩余电流和动物触电信号对本方案进行验证，以FFT和THD值等指标衡量波形还原输出效果.剩余电流波形发生装置的硬件电路如图10所示，包括电源、信号隔离电路及功率放大电路.剩余电流保护电器需要进行多种波形条件下的动作特性试验以检验其性能，所以对该装置的设计要求是能够输出国标列举的典型剩余电流波形且电流幅值可调.

图10 装置硬件部分Fig.10 Restoration device

4.2 典型剩余电流

装置的波形还原输出部分基于LabVIEW上位机操作界面，将波形数据文件以模拟量的形式输出，经过信号隔离和功率放大最终达到准确还原输出的目的，输出的剩余电流信号最终用于测试RCD的动作特性.90°脉动直流剩余电流信号的实验结果如图11所示，由图可知，输出电流波形还原精度高，整体上不存在失真.频谱分析结果如图12所示.从图中可得，各频率节点整体跟随性良好，不存在频谱丢失现象.

4.3 生物触电电流

动物触电信号实验结果如图13、图14所示.图13中黄色信号为原始触电电流波形，红色信号为该装置还原输出的触电电流信号，图14为两者的FFT分析结果.在电流波形畸变较为严重的区域如红圈标记部分，还原效果较好，从输出电流的过零点可知电路不存在交越失真现象.结合图14的信号频谱，在低频区域不存在频段丢失的情况，各频率节点下具有较好的跟随性，输出信号满足设计要求.目前该装置输出电流幅值可达2A且大小可调，通过上位机操作平台就可达到控制输出电流类型及大小的目的，能够输出复杂波形条件下的交直流剩余电流信号以及生物触电信号，为研发新一代具有生物触电保护功能的剩余电流保护器提供测试信号.

图11 90°脉动直流信号与还原信号Fig.11 90° pulsating DC signal and restored signal

图12 两90°脉动直流信号FFT分析 Fig12 FFT analysis of two 90° pulsating DC signals

图13 原始触电信号与还原信号Fig.13 Original electric shocksignal and restored signal

图14 两触电信号FFT分析Fig.14 FFT analysis of two electric shock signals

4.4 还原度分析

时频分析方法在非平稳信号分析中得到越来越多的应用[15]，据此对几种典型剩余电流信号和触电信号进行总谐波失真度分析，将所得的THD结果作误差对比，结果如表1所示.

表1 信号输出前后THD值对比

实验结果表明，剩余电流波形发生装置能够高度还原数据库的波形，时域和频域特性也能够较好的体现.在时域上不存在波形畸变现象，即使是在波形畸变较为严重、变化率较大的区域，输出电流信号也不会出现振荡或者是交越失真现象；在频域上不会存在频段丢失.通过计算信号还原前后的THD值，所测试的多组数据都在2%以内，相对误差较小，装置的整体性能满足设计要求，输出电流信号能用于开关测试.

5 结语

基于故障波形数据库设计一套剩余电流波形发生装置，基于信号特性设计信号隔离和功率放大电路，通过联合仿真验证该方案的可行性.完成硬件电路的调试，结合上位机操作界面，对多种剩余电流波形进行实验验证，选取信号FFT变换结果和THD值作为衡量信号还原输出指标.结果表明，输出电流信号在时域具有较高还原度，各频率节点下都具有较好的跟随性，信号还原前后其THD误差在2%以内.目前该装置设置的输出电流幅值在2 A以内，所得结果满足测试要求.设计的剩余电流动作特性测试方法，能够为B型(全电流敏感型)剩余电流保护器的动作特性测试提供测试信号.此外，该方案在一些难以重复操作的实验，例如触电实验中，具有较好的应用前景，能够为研发新型的、具有防人身触电保护的剩余电流保护电器提供测试信号，对提高低压配网用电的安全性、可靠性具有实际意义.