商用中央空调的剩余电流监测系统

陈英武，樊可清，罗炳聪



商用中央空调的剩余电流监测系统

陈英武，樊可清，罗炳聪

（五邑大学 信息工程学院，广东 江门 529020）

商用中央空调在运行时会存在较小的剩余电流，若该剩余电流过大则说明空调系统可能存在故障漏电等情况. 为检测空调的剩余电流值，本文运用虚拟仪器技术，并搭配不同型号的剩余电流互感器构建了商用中央空调剩余电流监测系统. 实验证明，该检测系统可适用于不同型号的中央空调，具有适用性强、测试结果准确等优点.

商用中央空调；剩余电流；监测系统

商用中央空调内有多个三相负载（如压缩机、风机等）同时工作，内部供电线路复杂，其供电电压波形也含有一定的谐波，这些谐波会通过电机绕组的对地寄生电容和电机电缆线的对地寄生电容产生对地漏电流[1]，设备运行时会产生的正常剩余电流. 若剩余电流大小超过正常值，则说明产品质量出现问题，因此，对空调剩余电流的监测成为衡量产品质量的一个重要手段. 目前的剩余电流监测系统大多是将系统集成到配、变电综合配电箱中，对多个用户和多台设备的总剩余电流进行监测，其剩余电流范围在[2]；而现有的基于虚拟仪器电能质量监测系统，其监测对象主要是电网谐波、三相电压和电流不平衡率等，没有针对剩余电流的监测[3-4].

本文采用美国国家仪器公司（National Instruments，简称NI）的C系列电压测量模块、剩余电流互感器和NI LabVIEW软件，结合调理电路，实现对商用中央空调剩余电流的监测. 利用此监测系统，一方面对空调正常工作时的剩余电流大小进行检测，此值可以为空调剩余电流保护装置的选型提供参考依据，也可以判断设备质量是否合格；另一方面对出现故障漏电时较大的剩余电流自动进行数据记录，并报警，记录的数据方便研发人员后期查看，分析故障产生的原因.

1 剩余电流检测

1.1 剩余电流互感器

剩余电流是指通过电气线路的瞬时电流矢量和（用有效值表示）[5]，它是较大负载电流下的微弱差值电流. 用于检测剩余电流的互感器通常是非接触的，目前常用的非接触式的电流互感器主要有电磁式电流互感器、霍尔电流互感器和磁调制式电流互感器[6].

因监测系统主要用在空调测试实验室，其监测的商用中央空调属于定频空调，此类空调配电系统的接地式采用TN-S系统，并要求传感器装卸方便，所以可选用电磁式电流互感器. 电磁式电流互感器基于法拉第电磁感应原理来检测线路中的剩余电流，其工作原理如图1所示，图中、为线路负载电流；为互感器二次回路感应电流；为二次回路感应电压；为二次回路电阻.

图1 电磁式剩余电流互感器工作原理

1.2 剩余电流检测方法

根据磁动势平衡原理，一、二次绕组的电流应满足如下关系：

所选互感器铁芯磁导率较高，铁芯中各种损耗很小，因此所需励磁磁动势可忽略[7]，即：

由式（3）、（4）可得：

1.3 剩余电流检测波形

根据1.2中介绍的测试方法，对实际剩余电流进行监测，测试的原始电压波形如图2所示.

图2 剩余电流原始波形

2 剩余电流监测系统设计

2.1 剩余电流监测系统总体结构

基于虚拟仪器的剩余电流监测系统主要由硬件采集部分和软件数据处理部分构成. 硬件部分主要由剩余电流互感器、数据采集卡和计算机组成，用于感知被测的剩余电流，提取信号数据；软件部分对采集到的数字信号进行滤波、数据处理、统计分析以及结果显示等.

系统首先通过剩余电流互感器将需要检测的剩余电流信号通过二次回路电阻转换成采集卡可以采集的电压信号，之后利用采集卡和数据采集软件将此电压信号转换成计算机可以处理的数字信号，同时在计算机软件中对这些数字信号进行分析、处理、存储，最终将结果呈现给用户.

2.2 监测系统硬件选取

硬件是整个系统最基础的部分，主要负责将物理信号转换为二进制的数字信号.

互感器的选择：实际测试时是将连接商用中央空调的三根相线和中性线全部穿过互感器，而这些连接线直径较大，所选传感器的内孔径尺寸要满足测试要求，另外环境以及电磁干扰也需要考虑，因此联系某互感器生产厂家专门定制了以高磁导率镍钢或纳米晶为材料的互感器，其稳定性好，具有优异的平衡特性、并具有极强的抗电磁场干扰能力，工作温度范围为.

2.3 剩余电流监测系统软件设计

软件部分是虚拟仪器系统的主体，一方面负责控制硬件的工作，另一方面又负责对采集到的数据进行分析处理、显示和存储. 此检测系统的软件部分采用NI推出的图形化虚拟仪器专用软件开发平台LabVIEW实现，采用生产者/消费者模式，其流程图如图3所示.

图3 剩余电流监测系统软件流程图

生产者/消费者模式如图4所示，有2个While循环（上面为主循环、下面为从循环）和若干个“队列”内置函数（Queue）构成. 该设计模式可以把数据的采集生成过程和数据的计算分析过程分开独立进行，相互之间的干扰较小. 采用了队列的数据存储方式（FIFO），通过队列这种数据结构把生产者中得到的数据传递到消费者中[8].

图4 剩余电流监测系统软件程序框图

在图4中，生产者主要负责数据采集，将模拟信号转换成计算机可以处理的数字信号，为后面消费者进行计算分析提供有效的数据源；消费者主要负责对数据进行分析处理、结果显示、剩余电流波形显示、数据实时保存、报警信息显示和存储. 报警的信息的存储采用手动方式，当剩余电流值超过预警值时就会有报警信息弹出，点击程序前面板的“保存报警信息”按钮，如图5所示，即可将报警信息自动保存到Excel工作表中.

图5 系统前面板

在系统前面板中，也可对数据保存路径以及剩余电流报警值进行设置，测得的剩余电流能实时显示波形和大小，报警信息中包含具体的时间标识.

3 测试结果对比验证

对比验证方案采用NI 9227电流测试模块实现，同时检测设备各相电流，并将各相电流进行矢量合成，将所测结果与剩余电流监测系统所测结果进行对比分析. NI 9227是一个4通道电流输入模块，可提供4个同步采样隔离模拟输入通道的连接，ADC分辨率为24位，使用内部主时基时的采样率最大值可达，适合测量标称和最高的每通道峰值电流.

所用验证原理图如图6所示，利用NI9227的AI0和AI1通道分别测试流过相和相的电流，并在计算机中对所测得电流做矢量合成，在负载的与GND之间串接一个电阻，根据所选用的电阻值不同，模拟负载产生的不同接地泄漏电流，同时使用剩余电流监测系统测试负载的剩余电流，测试结果如表1所示（表1仅列出部分测试数据）.

4 结束语

该剩余电流监控系统检测的剩余电流主要是工频、正弦剩余电流信号，所采用的剩余电流互感器为电磁式剩余电流互感器，对于非工频、非正弦的复杂波形剩余电流信号还无法进行有效的检测，若需对复杂波形的剩余电流进行监测，可考虑使用磁调制式电流互感器作为剩余电流检测元件；因所用NI 9205输入范围选用，其所能测的剩余电流值小于，可通过软件编程实现对较大剩余电流值的监测，设定阈值，当剩余电流值超过阈值时，选用较大的输入范围进行数据采集；另外考虑到NI 9205通道较多，可选取合适的电压和电流传感器监测空调的电能质量.

[1] 陈坤，夏明. 变频器前端漏电保护开关的研究和应用[J]. 自动化技术与应用，2008, 27(1): 133-134, 69.

[2] 王成楷，杨子钦，傅景源. 智能型低压电网剩余电流远程监测保护智能装置的研究与应用[J]. 低压电器，2012(24): 23-27.

[3] 齐超，刘伟健，王烨，等. 基于LabVIEW电能质量监测系统的研究[J]. 哈尔滨商业大学学报，2014, 30(4): 468-473.

[4] 刘世洁，杨光，李哲. 基于虚拟仪器技术的分布式电能质量监测系统[J]. 电子测量技术，2014, 37(8): 93-96.

[5] International Electrotechnical Commission. IEC/TR 60755, General requirements for residual current operated protective devices [S]. Geneva: International Electrotechnical Commission, 2008.

[6] 王尧. 复杂波形条件下剩余电流检测技术研究[D]. 天津：河北工业大学，2012.

[7] 王彦文，白树斌，郑淳，等. 电子式与电磁式电流互感器的差异及其应用[J]. 电机电器，2012, 31(11): 58-61.

[8] 张希. 基于LabVIEW的电能质量监测系统[D]. 西安：西安科技大学，2009.

[责任编辑：韦 韬]

Research on the Residual Current Monitoring System for Commercial Central Air-conditioning

CHENYing-wu, FANKe-qing, LUOBing-cong

(School of Information Engineering, Wuyi University, Jiangmen 529020, China)

There is a small residual current when the commercial central air-conditioning is at run time. If the excess current is too large, then there probably exists fault leakage in the air conditioning system. In order to detect the residual current value of air-conditioning, this study built a monitoring system for commercial central air-conditioning using the virtual instrument technology and mutual inductors for different types of the residual currents. Experiments show that the detection system can be applied to different types of central air conditioning and has the advantages of strong applicability and accurate test results.

commercial central air-conditioning; residual currents; monitoring systems

1006-7302（2015）03-0070-05

TM933.1

A

2014-12-16

陈英武（1986—），男，河南永城人，在读硕士生，主要研究方向为工程测试与信号处理；樊可清，教授，博士，硕士生导师，通信作者，研究方向为智能信息处理与工程诊断、测试技术与工程信号处理.