低压电力线通信导致漏电保护器误跳闸问题探讨

王立城，胡科军，高飞，陈静，王东山

（北京智芯微电子科技有限公司，北京 100192）

0 引 言

电力线通信（Power Line Communication，PLC）是指利用电力线作为媒体实现数据传输的一种通信技术，是一种连接到千家万户电表、未被充分开发利用的通信信道资源［1］。近几年，为贯彻落实国家阶梯电价政策，加快智能电网建设，电力行业全面开展了电力用户用电信息采集系统建设［2］。低压电力线载波通信已成为当前用电信息采集系统通信的主要手段，用于实现居民用户到配电变压器之间的通信，完成用户电表数据采集和费控等功能应用［3-4］。

但随着用电信息采集系统逐渐投入运行以后，国内部分区域的电力线载波集中抄表系统在载波通信过程中出现了一定程度的漏电保护器误跳闸现象。文献［5］通过火线对地耦合电容的模拟测试以及对漏电保护器工作机理的分析，发现了电力线载波信号在强度高于一定阈值时可能会引起漏电保护器动作。文献［6］为了弄清载波通信在什么条件下可导致漏电保护器误判跳闸，根据电磁兼容相关标准和漏电保护器相关标准，研究构建了载波通信对漏电保护器电磁兼容性试验系统。

从已有文献来看，认为载波通信是导致漏电保护器误跳闸的直接原因，并做了定性分析和实验室验证，但忽略了漏电保护器的性能差异和用电环境影响等因素。文章首先论述了漏电保护器跳闸机理，并对河北保定某小区误跳闸现场进行了实际测量和测试分析，然后结合小区用电环境从载波通信原理及影响量、漏电保护器抗扰性两方面得出了漏电保护器误跳闸是由漏电保护器设计性能、载波信号、电缆及负荷、电网噪声等多个方面造成的，其中漏电保护器的抗扰能力不足是导致其误跳闸的重要因素。

1 漏电保护器原理

漏电保护器，又称剩余电流动作保护装置，是防止直接接触电击事故和间接接触电击事故的有效措施之一，也是防止电气线路或电气设备接地故障引起电气火灾和电气设备损坏事故的技术措施［7-9］。按照国标GB 13955-2005的5.3节，要求单相 220 V电源供电的电气设备应优先选用二极二线式漏电保护器，且手持式电动工具、移动电器、家用电器等设备应优先选用额定剩余动作电流不大于30 mA，一般型（无延时）的漏电保护器。

单相电子式漏电保护器原理，如图1所示。它是由零序电流互感器、漏电脱扣器、信号检测放大及执行部分组成。正常情况下，低压电网相线对地漏电电流较小，达不到漏电保护器的动作值，因此漏电保护器不会动作。当被保护低压电网内发生漏电或人身触电等事故时，通过漏电保护器检测元件的电流达到动作电流值时，这时漏电保护器就会发出跳闸指令，使其所控制的电路断开。

图1 单相电子式漏电保护器原理图Fig.1 Principle diagram of single phase electronic leakage protector

漏电保护器采样剩余电流i0、火线电流iL、零线电流iN间关系为：

式中K为漏电保护器的放大倍数。

另外，考虑到人体接地触电承受时间影响，国家标准指导性技术文件GB／Z 6829-2008的5.4.12节，对一般型（无延时）的保护时间做了要求，满足额定剩余动作电流情况下的最大动作实现不超过0.3 s，并随着剩余电流增大做反时限保护。

漏电保护器跳闸判据：

式中I△n是额定剩余动作电流值，k是I△n的系数，T为剩余动作电流不同范围下的设定时间值，且随着I△n增大而减小。

2 误跳闸现场及测试分析

在保定市某低压电力线抄表小区，用户数268户，更换为载波智能电表后，部分用户的漏电保护器出现频繁误跳闸现象。从现场反应的情况来看，当集中器不工作时，漏电保护器无动作，当集中器正常运行10 s后即有部分用户误跳闸，初步判定漏电保护器误跳闸与载波收发有关系。

通过现场考察可知小区低压线路接地形式采用典型的TN-C-S方式，用户使用的低压漏电保护器厂家为国内某品牌，其额定电流为16 A，漏电保护电流IN为30 mA，动作时间t≤0.1 s。采用的载波通信产品的载波频率频120 kHz，调制方式BPSK，通信速率500 bps，动态路由组网。用户现场的家用电器相对较多（电冰箱、微波炉、电烤箱、抽油烟机、电热水器等），家中布线复杂，导致相线对地的分布电容比较大。现场测试的电参数和载波信道数据，见表1。

表1 小区现场测试数据Tab.1 Testing data obtained from residential areas

测得载波信号未发送时的电力线路噪声频谱，如图2所示。从图中可知，噪音水平在90 dBμV以下，并无明显的异常噪音，确定环境噪声对跳闸影响不大。

图2 载波未发送时信道噪声频谱Fig.2 Noise spectrum without the carrier signal

测得载波信号发送时的电力线噪声频谱，如图3所示。采用抄控器代替集中器抄表，连续发送载波数据帧，120 kHz载波信号明显，幅值约130 dBμV，出现漏电保护器跳闸现象。

图3 载波发送时电力线信道噪声频谱Fig.3 Noise spectrum with the carrier signal

载波数据连续发送时漏电流出现明显的增加（约26 mA），导致在抄表的过程中，漏电保护器偶尔出现跳闸现象，进一步验证了误跳闸与载波通信有关。另外，测得家用电器的电源滤波电路中相线对地和零线对地有220 nF左右（f0＝120 kHz）的等效Y电容，多种电器同时接入电力线中，相当多个等效Y电容并联，增大了相线对地的等效电容。

3 PLC信号导致跳闸机理及影响量

3.1 电力线载波通信导致误跳闸机理

以保定某误跳闸小区为例，其低压抄表台区用户线路和负荷对地泄漏电流形成图，如图4所示。台区可分为配电室、户外、户内三段，户外非架空线路零线多采取多点接地，考虑到安全性要求户内或电表后端安装漏电保护器。在居民用户家中，家用电器和较长距离电源走线会对地产生等效耦合电容，造成对地电流泄漏。

图4 台区载波信号泄漏电流回路Fig.4 Signal leakage current loop of residential areas

图中C1为家用电器产生的等效电容；C2为电源线对地产生的等效电容；iL为火线电流，包括线路间回路电流和线路对地漏电流等；iz为零线电流，包括线路间回路电流。i0为剩余电流，包括家用电器iC1、家用电器iC2、谐波iH、噪声iN、载波信号iC等线路对地漏电流。

若漏电流大于零且小于漏电保护器漏电动作电流值i0时，即判据0＜iR＜i0，漏电保护器不动作。

若漏电流大于漏电保护器漏电动作电流值时，即判据iR＞i0，满足一定时间要求时，漏电保护器跳闸。

从式（1）来看，导致漏电保护器保护剩余电流增大是多因素的，电力线载波通信信号仅是导致漏电保护器误跳闸原因之一。

3.2 PLC信号漏电流影响量分析

首先计算载波信号在线路和地之间产生的漏电流。考虑到BPSK调制方式在电力线通信技术中较多且抗干扰性强，因此选择BPSK调制信号作为分析对象。

BPSK载波电压信号的时域表达式［10-11］：

式中｛an｝为双极性二进制数字序列，an取值为±1；Tb为二进制符号间隔；gT是脉宽为Tb的单个矩形脉冲；ωc是调制载波角频率；A为电压信号振幅。

考虑到低压配电系统零线是在最近的变电所接地，这里假定零线的对地的电压等于零（实际不一定为零，这里仅为计算方便），则耦合到单相火线和零线之间的载波信号可以认为是单相火线与地之间的泄露电信号，那么BPSK载波信号因单相火线对地电容产生的对地漏电流可以表示为：

式中C为单相火线对地等效电容。

式（4）可看成分段函数，把式（4）带入式（5）求导可得：

对于漏电流的国家标准都是以有效值来定义的，因此漏电流大小的测量采用交流信号有效值的测量方法，计算公式如下：

式中T为漏电保护器漏电流采样计算周期；i（t）为漏电流。

把式（6）带入式（7），可得：

式中在漏电流采样计算周期内余弦积分为零（漏电流采样周期通常为工频周期，即20 ms，而BPSK载波信号频率通常为数十至数百kHz）。

若取单相火线对地等效电容C为10 nF，BPSK载波信号峰值为+3 V，载波频率120 kHz，可算得该模型下电力线载波信号因对地电容产生的对地漏电流约为16 mA。按DL／T 698标准载波通信设备的最大输出信号电平不大于134 dBμV，若对应载波信号峰值约为5 V，这样在上述条件下便能产生约26.6 mA漏电流，已接近额定漏电动作电流为30 mA及以下的高灵敏度型漏电保护器的动作门限。而现场相线存在对地电容为12 nF，载波信号电平为130 dBμV，在漏电保护器抗扰性较差的情况下，载波信号对地漏电流与系统中工频、噪声等导致的泄露电流叠加在一起完全可超过漏电保护器的动作电流门限。因此，在火线对地电容较大情况下，载波信号理论上是可能导致漏电保护器误跳闸的。

4 漏电保护器抗扰性分析

虽然从理论上大致计算载波信号产生的漏电流可能达到漏电保护器的动作电流门限，并不意味着一定会触发漏电保护器动作，这还要看其对漏电流信号的处理方式。

如图5所示，对普遍采用的是电子式漏电保护器，其一般由三个基本环节组成，即检测元件、中间环节和执行单元。

图5 电子式漏电保护器原理图Fig.5 Principle diagram of electronic leakage protector

剩余电流互感器将漏电电流按一定变比转化成小电流信号（mA级），经低通滤波并转化成电压信号后再通过运算放大器和单片机控制系统对漏电信号进行处理和动作控制。其中低通滤波器有其固定的通带带宽，如果随载波同频率变化的漏电流频谱带宽位于低通滤波器通带带宽内，则经过电压转化、放大以及单片机采样计算之后其产生的漏电电流将纳入系统漏电流；反之则不包括载波产生的漏电流。典型的滤波处理电路，如图6所示，以此为例可以做一个定量的计算和分析。

图6 漏电流滤波电路Fig.6 Leakage current filter circuit

图6中漏电流互感器中的感应电流通过电阻R1，将信号转换为毫伏级电压信号，调节R1可以调整电流与电压的比例关系，电容C1起高频滤波作用，R2为放大器的输入电阻，二极管起限幅作用，防止高压损坏后面的放大电路，采用集成运放构成的同相比例放大电路将输入回路与后面的测量电路隔离开来，放大器不从输入回路中获取电流，从而减少对输入回路（互感器）的影响。R1和C1并联对于互感器感应漏电流I构成低通滤波器，其传输函数可以表示为：

式中fp为该低通滤波器截止频率。

当fp＝120 kHz；C1＝0.1μF时；R1≈13Ω。如果载波信号频谱位于该低通滤波器通带之内，则转换后的漏电电压信号将包含载波分量，再经后续放大、单片机AD采样和计算有效值后的总漏电电流将有可能大于漏电保护器动作电流，从而引发漏电保护器跳闸。

上述可知在相线存在对地电容的情况下，电力线载波信号能产生一定的对地漏电流，并且其随对地等效电容、载波信号振幅和频率的增大而增大。另外，当载波信号频谱位于感应漏电流信号处理电路中低通滤波器通带范围内，就有可能导致漏电保护器误跳闸。

5 实验验证

为了验证电力线载波信号导致漏电保护器跳闸影响程度和漏电保护器的抗扰特点，搭建了模拟实验系统，如图7所示。

图7 漏电保护器误跳闸模拟实验系统Fig.7 Simulation test system for the error tripping of leakage protector

图中系统采用的设备，包括：隔离变压器、人工阻抗网络、漏电保护器、模拟负载、对地等效电容、信号发生器、功率放大器、耦合器、频谱仪、漏电测试仪等。信号发生器可产生不同频率的载波信号，通过功放把差模信号注入到电力线上，发送信号电平。隔离变压器实现220 Vac电压隔离和阻抗变换，变比1：1，功率1 kVA。模拟负载模拟现场家电负荷，功率12 kW。对地等效电容模拟线路和家电设备的对地电容，容值 12.2 nF。

实验1：选取与现场同型号的DZ267L-32 C16、极性为2P的漏电保护器，验证不同载波频率和调制方式信号下漏电保护器是否跳闸。载波信号电平5 V，发送数据帧长度60 Byte，发送间隔3帧／秒。漏电保护器的跳闸现象，如表2。

从实验数据来看，该漏电保护器剩余电流低通检测回路的上限截止频率约340 kHz。结合3.2节公式（8）在漏电保护器低通滤波通带范围内，载波频率越高越容易造成漏电保护器误跳闸，且与调制方式和负荷关系不大。也可知该漏电保护器产品的剩余电流低通检测回路的上限截止频率设计值不合适。

表2 不同载波频率和调制方式下的漏电保护器跳闸差异Tab.2 Leakage protector tripping under different carrier frequencies and modulation modes

实验2：在相同载波信号下，选取国外知名品牌与国内厂家同型号漏电保护器进行对比测试。载波信号：载波频率120 kHz，信号电平5 V，发送帧长60 Byte。漏电保护器的跳闸现象见表3。

表3 相同载波信号下不同厂家漏电保护器跳闸差异Tab.3 Tripping difference between leakage protectors from different manufacturers under the same carrier signal

从实验情况来看，国内漏电保护器产品的容易产生误跳闸现象，国外品牌漏电保护器均未发现误跳闸现象。可知，国内漏电保护器在抗扰度方面与国外品牌存在差距，有必要提升剩余电流检测回路的滤波器设计指标。

6 结束语

论述了漏电保护器基本原理和电力线载波抄表现场误跳闸现象，并结合低压台区线路和设备分布结构论述了电力线载波导致漏电保护器跳闸的机理、电力线载波通信导致的影响以及漏电保护器的抗扰特性。从而得知，现场选用的载波抄表模块、漏电保护器种类、接入电力线的负载本身特性以及接入方式等均是引起误跳闸的因素，而电力线载波信号是导致漏电保护器误跳闸的重要因素之一。另外，漏电保护器是否误跳闸也取决于漏电保护器的抗扰能力，其剩余电流低通滤波器的上限截止频率越高越容易导致漏电保护器误跳闸。

另外，通过实验验证了不同载波信号下对漏电保护器误跳闸的影响以及相同载波信号下国内外不同厂商漏电保护器的抗扰性能差异。进一步验证了改善载波信号带外噪声、缩短发送数据长度、降低发送电平等均可降低漏电保护器误跳闸的可能，而提高漏电保护器的抗扰能力才是减少漏电保护器误跳闸的较佳措施。本文可为载波通信现场误跳闸现象分析、电力线载波通信产品和漏电保护器产品技术改进提供参考。