脉动直流剩余电流下AC型漏电断路器动作特性分析

李倩，李奎，王尧，王天朔，林靖怡,孙家豪

(1.河北工业大学 省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室，天津 300130；2.河北工业大学 河北省电磁场与电器可靠性重点实验室，天津 300130)

0 引 言

智能电网和能源互联网的快速发展推动了社会进步，但人身触电事故始终是用电安全中的重要问题，而漏电断路器是低压电网中设备发生漏电和人身触电时的重要保护装置[1]。由于配电网中用电设备的不平衡以及大量电力电子技术的非线性负荷接入，造成电网的电压和电流中出现大量谐波。间谐波和次谐波等谐波分量[2-3]产生后，漏电电流不再是单纯的正弦波，而是交直流混叠的复杂波形。

当含有整流及开关元件的配电网出现接地故障时，会产生不同波形的剩余电流[4-5]。如在三相电网电压通过整流桥、逆变桥控制电机的系统中，不同位置发生漏电故障时漏电电流波形均不相同：在三相电网电压输入端口发生漏电故障时，由于此处为对称的三相正弦电源电压，因此故障时漏电波形呈现标准正弦电流的特征；在整流桥与逆变桥之间发生故障时，故障电流以脉动直流电流波形为主；在逆变器出口侧发生漏电故障时，由于采用IGBT等功率开关器件，使漏电流中出现包含开关器件频率及其倍频分量的高频成分，其频率可达几十kHz。

随着漏电电流波形种类的增加，国内外学者对不同漏电电流波形的检测传感器设计以及检测方法进行了大量研究：朱遵义等[6]从剩余电流波形与产生磁通大小的关系出发，得到当剩余电流分量中含有直流分量时，磁感应线圈中产生的磁滞环面积减小，感应电压降低使剩余电流保护器拒动的结论;王尧等[7-8]采用基于信号频率与波形补偿的算法对剩余电流有效值进行补偿，实现对含平滑直流剩余电流的有效保护，并提出一种基于全相位傅里叶变换的磁调制交直流漏电检测方法对复杂漏电电流进行量测;白龙温等[9]通过阈值比较法建立针对脉动直流剩余电流的保护模型，开发了一款脉动直流剩余电流保护器，并进行了试验，验证其可靠性。

综上所述，国内外学者针对不同漏电电流波形的检测传感器设计以及检测方法进行了大量研究。目前，配电网中常采用AC型剩余电流漏电断路器进行漏电保护，随着配电网发生故障时漏电电流波形特征复杂程度的增加，AC型剩余电流漏电断路器常出现拒动或误动的现象。学者们的研究缺少对AC型剩余电流漏电断路器拒动或者误动原因的详细分析，因此，本文通过建立剩余电流互感器模型，并在AC型漏电断路器典型检测与保护电路基础上分析，发现脉动直流剩余电流中直流成分使剩余电流互感器输出波形失真，是导致漏电断路器不能正确动作的主要原因。通过对AC型漏电断路器的动作特性测试，进一步验证了在电力电子设备应用场合下，AC型漏电断路器不能对漏电进行准确保护。

1 脉动剩余电流对AC型漏电断路器动作的影响

1.1 脉动直流剩余电流

根据电路中采用的开关元件导通时触发角α的不同，峰值为Im的各类脉动直流剩余电流IN可表示为[10]

(1)

式中，触发角α的范围为(0，π)。

国家标准规定的典型脉动直流剩余电流主要包括半波、90°波和135°波，触发角为α时的脉动直流波形示意图如图1所示。

图1 脉动直流电流波形

由于IN为周期函数，对其进行傅里叶变换分解，得到

bnsin(nωt)]}，

(2)

式中，

当n≥2时，

综上，幅值为Im的脉动直流电流所包含的直流分量为

I0=Im(1+cosα/2π)。

(5)

脉动直流电流中包含的直流分量成分变化曲线如图2所示。当半波电流幅值一定时，脉动直流中的直流成分随着触发角α的增大而减小，直至触发角为π时直流分量降为0。

图2 脉动直流电流直流成分随触发角α的变化曲线

1.2 直流分量对AC型漏电断路器的影响

在仅考虑饱和引起的非线性情况下，分析电路一次侧中直流成分对漏电断路器中电流互感器二次侧输出的影响，电流互感器静态模型[11]如图3所示。

由磁通量守恒和KCL定律，可得

(6)

图3 电流互感器静态模型

式中：i1为互感器一次侧电流；i0为励磁电流；i2为二次侧电流；φ为二次侧线圈主磁通；互感器一次侧线圈匝数为1，二次侧线圈匝数为N2；R2、L2为二次侧负载电阻和电感。

互感器只能感测一次侧线圈的交流分量，对直流分量则起到抑制作用，因此当互感器一次侧电路网络中剩余电流为脉动直流剩余电流时，二次侧由于无法感测其中的直流成分，从而引起二次侧的转换误差，使漏电保护器对剩余电流的检测不再准确。

剩余电流互感器一次侧直流分量变化对漏电断路器特性的影响[12]如图4所示。故障电流中不含直流分量时，对应的磁场强度如图4中曲线a所示，理想条件下，互感器二次侧输出波形与一次侧波形一致，当故障电流中包含直流分量I0、I1(I0

图4 直流分量对剩余电流互感器的影响

在不考虑脉动直流中包含的直流分量引起铁芯饱和情况下，互感器一次侧电流波形与二次侧输出波形如图5所示。当一次侧输入电流为脉动直流剩余电流时，结合上述分析脉动直流分量中包含直流成分的变化曲线可知，当触发角α越大，则其中包含的直流分量越大，则由于互感器不能将直流成分传变至二次侧，使得二次侧输出波形向纵轴负半轴产生漂移，漂移量等于一次侧输入电流中包含直流分量。

图5 忽略铁芯饱和时互感器输出的波形

当一次侧漏电流中包含的直流分量过大时，考虑铁芯饱和工作状态以及铁芯工作过程中的损耗情况，互感器一次侧电流与二次侧输出波形如图6所示，由于互感器铁芯进入磁饱和状态，磁感应强度变化量为0，二次侧输出电压为0，此后二次侧输出电压不再跟随一次侧电流变化，产生不同程度的畸变，此过程中直流分量越大，二次侧波形畸变越明显，达到负半轴最大后，由二次侧线圈的电感及电阻决定的时间常数(L/RL)以指数函数特性降低，直至下一个周期。

图6 计及铁芯饱和时互感器输出的波形

互感器一次侧输入触发角0°，频率50 Hz，幅值25 mA和50 mA的脉动直流剩余电流，负载100 Ω时，实际测量电流互感器二次侧输出电压分别如图7中(a)，(b)所示。由于脉动直流电流中的直流成分，引起互感器二次侧输出电压均向负半轴发生偏移，当半波剩余电流幅值25 mA时，互感器一次侧电流中的直流分量较低，互感器铁芯工作在线性区；当半波剩余电流幅值增加至50 mA时，直流分量随之增加，引起互感器铁芯工作状态进入饱和状态，二次侧电流不再跟随一次侧剩余电流变化，产生明显畸变，与理论分析保持一致。

图7 脉动直流剩余电流下电流互感器输出的波形

2 AC型漏电断路器典型电路结构

通用AC型漏电断路器检测电路分为分立元件电路和漏电保护专用芯片电路两种，一般通过阈值电流的比较实现漏电保护。

图8为典型分立元件式漏电检测电路原理图，电网电压通过整流桥转换为大于0的半波信号，作用在晶闸管阳极和阴极。当电网正常运行时，剩余电流互感器(RCT)感测电流为0，晶闸管的门极电流为0，处于关断状态；当电网中发生漏电故障时，由于零线与火线的电流矢量和不为0，互感器将此不平衡电流感应到二次侧，当在晶闸管的门极产生正向的触发电压时，晶闸管导通，脱扣器动作。而当剩余电流为负向的脉动剩余电流时，由于其在晶闸管门极形成负向的触发电压，此情况下漏电断路器不会动作，但由于互感器二次侧的电压畸变使二次侧输出波形向正半轴发生偏移，若此时偏移量大于晶闸管的门极电压，断路器才会动作，因此当脉动剩余电流的极性不同时，断路器的动作值也就会不同。

图8 基于分立元件的漏电检测电路

图9所示为基于VG54123的漏电保护电路原理，互感器二次侧的输出电压VT输送到集成电路的输入端(端口1与2)，此电压与VG54123芯片内部的基准电压VREF比较，当VT>VREF时，差分放大器输出端(端口7)电位立即变成高电位，经C4积分后打开触发驱动器，使可控硅SCR导通，驱动脱扣器动作。

图9 基于VG54123的漏电检测电路

Fig.9 Leakage detection circuit based on VG54123

基于VG54123的漏电检测电路与分立元件式漏电检测电路故障识别方法类似，不同之处在于：分立元件电路不考虑漏电电流超过阈值的持续时间，漏电电流一旦超过阈值就立即动作，因而其抗干扰能力相对较差；基于VG54123的漏电检测电路则具有短暂延时，该芯片与积分电容C4配合的时间常数τ通常为5 ms左右，即电路会滤除持续时间较短的脉冲，因此具有一定的抗干扰能力。同时，VG54123芯片内部的基准电压VREF受温度影响较小，动作特性比较稳定。

3 剩余电流互感器动态仿真分析

将铁芯实测磁化曲线用反正切函数拟合，且忽略磁滞和涡流损耗[13-15]，得到铁芯的磁化曲线方程

B=0.31×arctan (0.86×H)。

(7)

铁芯实测的磁滞曲线如图10所示，当磁场强度H绝对值大于20 A/m时，铁芯进入饱和状态。

图10 铁芯磁滞曲线

利用MATLAB/Simulink建立RCT动态仿真模型，包括剩余电流模块、RCT模块和采样电阻(RL)，剩余电流传感器主要设计参数如表1所示。剩余电流模块由正弦波和方波叠加，输出分别为0°，90°，135°的脉动直流信号，通过示波器同时观测输入电流信号、感应电压信号、铁芯磁感应强度B、磁场强度H以及磁导率μ。

表1 剩余电流互感器主要设计参数

正弦波有效值50 mA时的半波剩余电流的仿真结果如图11所示。对一个周期T内的仿真波形进行分析，可以看出，在半波电流起始阶段铁芯处于线性工作区，此时RCT按正弦规律输出感应电压；当磁场强度H超过20 A/m后，铁芯进入磁饱和区，其磁导率μ接近于0，RCT输出电压迅速降为0并反向增加，直至半周期结束，反向电压达到最大值；此后由于半波电流变为0，RCT处于自由放电过程，其感应电压按指数规律衰减，放电时间常数为L/RL(L为RCT电感量)。

正弦波有效值100 mA，触发角90°时的脉动直流剩余电流的仿真结果如图12所示，当磁场强度大于20 A/m时，铁芯进入磁饱和状态，此时互感器二次侧输出电压波形同样发生明显畸变。

正弦波有效值100 mA，触发角135°时的脉动直流剩余电流的仿真结果如图13所示，由H-t曲线可知，磁场强度远小于饱和磁场强度，此时互感器铁芯工作状态维持在线性区，不足以导致互感器二次侧电压发生畸变。

图11 半波剩余电流仿真结果

Fig.11 Simulation results under half-wave residual current

图12 90°波剩余电流仿真图

4 AC型漏电断路器非线性剩余电流下动作特性测试

GB1T 6829—2017《剩余电流动作保护电器(RCD)的一般要求》中不同电流形式下脱扣电流限值[16]如表2所示。

表2 脉动直流剩余电流脱扣电流限值

图13 135°波剩余电流仿真图

选取5台不同厂家生产的AC型漏电断路器(分别编号RCD1～RCD5)，对表2中的3种脉动直流剩余电流形式进行漏电动作特性测试，其中RCD1～RCD2采用漏电保护专用芯片(VG54123)电路，RCD3～RCD5采用分立元件电路。被测试品的额定剩余动作电流IΔn均为30 mA，测试正弦剩余电流和各脉动直流剩余电流下断路器动作时的有效值，结果如表3所示，所有试品的正弦交流漏电动作值均在15～30 mA间，满足标准要求。比较脉动直流剩余电流下的动作电流值与表2中规定的动作电流值可知，在触发角为0°的正向负向脉动直流电流输入情况下，5台AC型漏电断路器的动作值均超过标准中上限值1.4IΔn(42 mA)，虽然极性不同对应的动作特性也不同，但是均不能实现可靠动作；在剩余电流为90°脉动直流剩余电流时，采用漏电保护芯片的RCD1和RCD2动作值均超过42 mA，不能实现可靠动作，采用分立元件检测电路，由于电路结构中元件的选取，动作电流值分散性很大；在剩余电流为135°脉动直流剩余电流时，各断路器在42 mA上限值时均不能动作。

表3 脉动直流剩余电流下漏电动作特性测试结果

因此，在剩余电流为脉动直流的应用场合下，采用漏电保护芯片以及采用分立元件电路检测的AC型漏电断路器均不能实现可靠动作，也就不能达到漏电保护的目的。

5 结 论

(1)理论和实际测试结果分析发现，剩余电流中的直流分量是导致剩余电流互感器二次侧输出波形畸变的主要原因。

(2)采用MATLAB/Simulink建立剩余电流互感器动态仿真模型，在互感器一次侧输入半波、90°波、135°波时，验证当一次侧剩余电流中直流分量过大，使互感器铁芯进入饱和工作状态时，互感器二次侧输出波形发生明显畸变。

(3)完成半波，90°波，135°正负极脉动直流剩余电流下AC型漏电断路器动作特性的测试，验证在脉动直流剩余电流下，由直流分量引起的饱和畸变是造成AC型漏电断路器不能可靠动作的主要原因，电路结构是造成脉动直流极性不同时动作特性不一致的主要原因。