磁调制式直流漏电流互感器

王 尧，李 奎，郭志涛，岳大为，牛 峰

(河北工业大学，天津300130)

1 引言

支路接地是直流系统的常见故障之一，若不及时排查，则可能引发严重的电力系统事故［1-3］。因此，必须对直流接地故障(绝缘故障)进行在线监测。直流漏电流测量法是直流系统接地故障检测方法的一种，该方法无须向直流系统注入任何信号，并且不受系统对地分布电容的影响，具有明显的技术优势［4-6］。

目前，可用于直流漏电流测量的互感器主要基于霍尔原理和磁调制原理［5-6］。由于直流漏电流是较大负载电流下的微弱的差值电流，对它的检测不同于对单纯小电流的检测。相对而言，磁调制式电流互感器更适合于直流漏电流的检测，这是因为:

(1)霍尔电流互感器由于磁芯中存在气隙，极易受到外界大电流磁场的干扰而使检测误差增大［5-6，12］;磁调制式电流互感器磁芯中无气隙，其抗干扰能力强，不易受外界磁场的干扰［6，13］。

(2)霍尔电流互感器当受到电流冲击后，容易产生剩磁而造成输出零点漂移［5-6，12］;磁调制式电流互感器在周期性激磁电压的作用下工作于深度磁饱和状态，即使受到大电流的冲击也能及时恢复，其工作特性稳定、测量可重复性较高［6，13］。

(3)霍尔电流互感器容易受到温度的影响而造成较大的零点漂移［5-6，12］;磁调制式电流互感器的温度特性相对较好，不易受温度变化的影响［6，13］。

现有的磁调制式电流互感器大都以倍频磁调制器为核心构成，通常具有双磁芯结构，通过检测磁芯二次绕组输出信号中的二次谐波分量来测量电流大小;其信号处理电路复杂，一般需经信号放大、带通滤波、相敏检波和低通滤波等步骤，测量过程繁琐［14］。并且，双磁芯结构的互感器还会因为两个磁芯结构、尺寸及磁特性的不一致而造成虚假平衡点［7］，使检测误差增大。文献［7］提出一种单磁芯结构的磁调制式电流互感器，该互感器以二次绕组输出信号的正负半波有效值之差作为反馈控制的误差信号，实现“零磁通状态”，从而消除虚假平衡点;但其电路结构复杂、实用性较差。因此，现有的磁调制式电流互感器不能很好地实现对直流漏电流的测量。

本文提出一种基于单片机的单磁芯磁调制式直流漏电流互感器。其电路简单、测量精度高，并具有RS485通讯接口，可与上位机组成直流系统接地故障巡回监测系统。

2 磁调制式直流漏电流互感器的检测原理

磁调制式直流漏电流互感器的检测原理如图1所示，该互感器主要由环形磁芯、运算放大器U1、采样电阻 Rs、阈值电压设置电阻 R1和 R2组成。其中，磁芯上绕有一个二次线圈，作为激磁和检测绕组。线路中的直流漏电流指正负母线中的差值电流，即 ip=i++i－，正常情况下 ip=0。

图1 磁调制式直流漏电流互感器的检测原理Fig.1 Detecting principle of MM DC LCT

互感器磁芯由坡莫合金材料卷制而成，其初始磁导率高、剩磁和矫顽力低的特点。磁芯B-H磁化曲线如图2(a)所示，可见磁化曲线是非线性的。为便于研究，忽略磁滞和涡流损耗，将磁芯B-H曲线分段线性化，并作如下分析:

假定运算放大器输出电压的高电平为VH，低电平VL=－VH。当采样电阻上的电压分别达到+Vr和－Vr时，运算放大器的输出电平发生翻转，从而在电路中产生一个方波激励电压U(t)。其中，阈值电压 ±Vr=±R2×VH/(R1+R2)。

图2 磁芯的磁化曲线及其线性拟合Fig.2 Magnetic core B-H curve and its linear fitting

如图2(b)所示，U(t)在线圈中产生的最大磁场强度为 ±Hm(Hm＞Hs，Hs是磁芯的饱和磁场强度)，磁芯工作于深度磁饱和状态。当线路中没有直流漏电流时(ip=0)，磁芯B-H曲线关于原点对称。假定t=0时刻负向电压刚好结束，磁芯处于负向磁饱和，在激磁电压作用下，磁芯磁化曲线将沿着A→P1→Q1→B→Q1→P1→A的路径周期性地变化。由于磁化曲线的对称性，此时采样电阻上的电压波形(即线圈电流波形)正负对称，如图3曲线a。当线路中存在直流漏电流时(ip=i0)，磁芯的磁化路径在漏电流产生的偏置磁场(H0)作用下发生偏移，将沿着A→P2→Q2→B→Q2→P2→A的路径变化。此时，采样电阻上的电压波形不再对称，而是向负半轴偏移，如图3曲线 b。

图3 不同电流时采样电阻Rs的电压波形Fig.3 Voltage waveforms access of sampling Rs when different current is applied

由电路计算可知，当满足H0≪Hm时，采样电阻电压的偏移量在一周期内的平均值近似满足［8］:

式中，N2是二次绕组匝数。

由周期信号的傅里叶变换可知，信号电压在一周期内的平均值与信号频谱的直流分量成正比，即有

从而

式中，u是采样电阻电压的瞬时值;a0是采样电阻电压频谱的直流分量。

因此，通过检测采样电阻电压频谱的直流分量可以测量直流漏电流的大小和方向，这就是磁调制式直流漏电流互感器的检测原理。

从式(3)还可以看出，要增大互感器的检测灵敏度，应尽可能地减少二次绕组匝数并增大采样电阻的阻值。但是，线圈匝数的减少会使激磁电压频率提高，进而使滤波电路更加复杂，并会增加电路功耗。另一方面，为使磁芯达到深度饱和状态，采样电阻的阻值也不宜过大。所以，检测电路的参数与检测灵敏度之间存在最佳的匹配关系。

一般情况下，首先根据电路的驱动能力确定采样电阻的阻值，然后再根据直流漏电流的检测范围确定二次绕组匝数，即有

式中，i(t)max是线圈电流的最大值，一般应小于20mA;ipmax是直流漏电流的最大值。

3 磁调制式直流漏电流互感器的实现

本文采用Atmega16单片机进行磁调制式直流漏电流互感器设计，主要设计参数为:互感器的检测范围为 ±300mA，检测误差不大于 ±3%，供电电压±15V，线性输出电压为0～5VDC，并具有开关量输出和RS485通讯接口。

3.1 硬件设计

如图4所示，磁调制式直流漏电流互感器由磁芯、方波激磁电压源、低通滤波器、信号放大、AT-mega16单片机、开关量输出、按键/LED和RS485通讯电路等部分组成。

图4 磁调制式直流漏电流互感器原理框图Fig.4 Schematic diagram of MM DC LCT

(1)方波激励电压源

方波激磁电压源电路基于轨至轨输入/输出的高性能运算放大器 LM6132，其输出电压摆幅为±12V，最大输出电流可达±20mA。运算放大器U1与磁芯线圈构成自反馈式振荡电路。根据第2节提出的设计原则，选取磁芯和电路参数如表1所示。

表1 磁芯和电路参数Tab.1 Magnetic core and circuit parameters

(2)低通滤波器

为获得信号的直流分量，设计了一个三阶巴特沃斯低通滤波器，其截止频率为 f0=10Hz。如图5所示，滤波电路由一个单位增益一阶低通滤波器和一个多重反馈二阶低通滤波器串联组成。该滤波器具有良好的高频衰减特性和失真特性、增益范围大，并能够降低对元件精度的要求［9］。

图5 三阶巴特沃斯低通滤波器Fig.5 3rdorder Butterworth LPF

滤波器的幅频和相频特性如图6所示，可以看出，滤波器对400Hz以上的高次谐波信号的衰减达到－60dB以上，能够很好地滤除信号中的谐波干扰，获得直流分量。

图6 滤波器的幅频和相频特性Fig.6 Amplitude-frequency and phase-frequency characteristics of LPF

(3)单片机及其外围电路

AVR Atmega16单片机是直流漏电流互感器的控制核心，负责完成采样、计算、报警和通讯等功能，实现数字化测量和保护。单片机及其外围电路如图7所示。

3.2 软件设计

软件程序由主程序和中断服务程序组成。程序结构采取无限循环的前后台式结构，前台程序通过中断服务程序来处理各种事件，后台程序主要负责系统初始化。其中，漏电检测部分的程序流程如图8所示，其工作过程如下:

图7 单片机及其外围电路Fig.7 MCU and its peripheral circuit

图8 漏电流检测流程图Fig.8 Flow chart of leakage current detection

上电后，单片机首先对I/O端口、中断、A/D转换和通讯接口进行初始化。此后，如果有激磁电压信号产生的中断，单片机即启动A/D转换程序将输入的模拟信号量化，从而计算出直流漏电流的大小并与设定的动作值比较，若直流漏电流的值(IΔ)超过设定动作值Id的一半而未达到动作值时，则启动漏电报警程序并点亮报警指示灯;若直流漏电流达到或超过设定的动作值时，单片机并不马上发出动作信号，而是先延时一段时间，如果采样值仍大于设定动作值则执行漏电动作程序，将漏电报警指示灯点亮，以告知用户线路中出现漏电故障，此时开关量输出继电器的触点状态也将发生改变。这样可以有效避免干扰的影响，提高检测可靠性。此外，单片机还可通过RS485总线与监控主机(上位机)通讯，向监控主机报告故障电流值和发生漏电故障的线路编号，实现故障定位。

4 试验验证

为验证设计是否合理，对磁调制式直流漏电流互感器作线性度测试，试验电流为－300～+300mA DC，检测并记录互感器输出端的电压。试验结果如图9所示，从图9中可以看出，直流漏电流在－300～+300mA范围内互感器具有良好的测量精度，其测量误差小于3%，满足设计要求。

图9 互感器线性度试验结果及测量误差Fig.9 Test results and measurement error

5 结论

本文提出一种单磁芯结构的磁调制式直流漏电流互感器。该互感器基于Atmega16单片机，通过检测磁芯二次绕组输出信号的直流分量来测量直流漏电流的大小，只需经过低通滤波和信号放大即可实现对信号的检测，从而简化了电路结构。其测量精度高，并具有RS485通讯接口，可与上位机组成直流系统接地故障巡回监测系统，实现数字化测量与保护。经试验验证，所设计的磁调制式直流漏电流互感器的测量误差小于3%，能够满足直流系统接地故障巡回监测的要求。

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