基于单电源磁通门原理的漏电检测电路设计

2021-02-11卢志军迟长春

上海电机学院学报 2021年5期

卢志军，迟长春

（上海电机学院电气学院，上海 201306）

随着社会经济的不断发展，电能的应用越来越广泛，电气设备及用电量急剧增加，电网结构日益复杂。同时人们用电安全意识的薄弱，用电设备的不正当使用，以及线路中产生剩余电流而引发的电气火灾的概率也在不断增加。据应急管理部消防救援局统计，2018—2020年之间，我国共接报火灾72.2万起，其中电气火灾占比高达39.9%，在较大火灾及以上等级火灾中，电气火灾发生率高达54.7%［1］。漏电保护一直是漏电火灾和人身触电事故防护最重要的一环［2］，随着交直流混合电网建设的推进，不可避免地产生不同频率交流以及直流漏电［3］，传统AC/A型漏电互感器已无法满足检测需求。目前，我国依旧以AC型以及A型电子式漏电保护器为主导，针对新型漏电保护器的研发还处在起步阶段，市场被国外技术所垄断，国内可供选择的产品少，并且价格昂贵，仅用于安全级别很高的场合［4］。武一等［5］提出了一种基于磁调制原理的检测方法进行交直流漏电检测，但采用正负双电源供电，电路复杂；王隆伟等［6］采用双磁芯结构，激励源用半波激励信号设计磁调制互感器，但易造成“零点漂移”且体积大，无法满足微型漏电保护器的体积要求。

本文针对单磁芯结构，提出了一种基于单电源磁通门互感器的漏电检测电路，通过检测二次侧线圈的电流信号，达到检测漏电信号的目的。选取钴基非晶合金材料作为互感器磁芯［7］，其具有较高的饱和磁感应强度和初始磁导率，有利于提高互感器检测灵敏度，性价比高。设计漏电检测电路对不同类型的漏电流进行检测，并通过Multisim仿真检验电路准确性。经实验验证，该方法满足国际标准GB/T 22794—2017对漏电检测的要求。

1 磁通门漏电互感器原理分析

漏电互感器是漏电检测系统的核心元件［8］，大多数漏电检测系统的电源电压模块采用一路正负双电源输出对检测电路供电，另一路输出3.3 V给单片机供电，电路复杂。本文采用单电源供电，开关电源完成交流输入后经变换处理得到直流单电源，同时给检测模块以及CPU供电。采用的单电源磁通门互感器原理如图1所示。图中，环形磁芯采用高磁导率材料；磁芯绕组起激励与检测作用，匝数为N2；Ui为激励电压；UR为基准电压；Rs为采样电阻；R1、R2为分压电阻。当采样电阻Rs上的电压达到设定阈值Ur时，激励电压高低电平翻转，从而产生方波激励电压。

图1 单电源磁通门互感器原理

当有漏电流ip产生时，漏电信号通过互感器耦合到激励电流中，磁芯产生磁场偏置，破坏原有磁场对称性，导致激励电流波形不对称，反馈到采样电阻上的电压偏移量平均值为

通过傅里叶变换可知，周期信号的电压平均值与频谱直流分量成正比［9］，即

式中：u为采样电阻瞬时电压；T为激励信号周期。

通过检测激励电流的变化量从而实现漏电检测［10］。在实践中，常采用分段线性模型拟合磁芯的磁化曲线［11］，更简洁直观，简化的磁化曲线如图2所示。

图2 磁化曲线分段线性简化模型

图中，Bs为磁芯饱和磁感应强度；Hs为饱和磁场强度。曲线沿时间线t0→t1→t2→t3→t2→t1→t0做周期运动。在t0时刻，磁芯反向饱和，激励电流为反向峰值；在t0～t1时刻，激励电流上升至正向小电流；在t1～t2时刻，磁芯不饱和，激励电流缓缓上升；t2～t3时刻，磁芯正向饱和，激励电流达到正向峰值且电压极性反转；后半周期以此类推直至一个周期结束。

2 硬件设计

2.1 互感器设计

磁芯是互感器核心器件，采取单电源供电方式时需考虑矫顽力、高初始磁导率等特点，还需考虑低饱和磁场强度的磁芯材料，以便在磁滞曲线上表现出较“矮”的特性，以适用于较低激励信号幅值的情况，简化电路设计。

激磁频率f作为互感器核心指标［12］，有

一般，电压越大，频率越低，磁芯越容易饱和。但本文采用单电源供电设计，电压幅值应尽可能小，为了满足检测要求，需要较大频率。低电压受单片机供电电压限制，降低了电路功率；高频激励信号则提高了检测高频漏电范围以及精度。本文激磁电压选取+5 V，为了能检测到1 kHz的高频漏电，还原采样波形，根据香农采样定理［13］，激磁频率应大于漏电频率的最高频率的两倍及以上，故激磁频率选取2 kHz，代入式（3）得

当磁芯材料选定时，Bs也随之确定，此处选取钴基非晶合金作为磁芯材料，测得Bs为0.58 T，代入式（4）得

由于电压幅值限制，考虑需要一定的电压使磁芯饱和，需在单电源电压供电基础上增大峰峰值，同时保证一定的检测范围，所以优先确定阈值电压Ur分别为+4.1 V以及+0.9 V。为了降低功耗，阈值电流Ir越小越好，故选取Ir为10 mA，确定Rs电压为150Ω，选定漏电检测范围为［-550，550］mA，即得到线圈匝数N2为55圈，代入式（6）可得有效截面积S为19.6 mm2。磁环有效截面积为

式中：d1为磁环外径，mm；d2为磁环内径，mm；h为磁环的高，mm；c1、c2为磁环常数；l为有效平均磁路长度。

由上述可得需要设计的磁芯外径为18 mm，内径为10 mm，高为5 mm，有效磁路长度为41.55 mm。实际设计的互感器磁芯主要参数如表1所示。实际设计值与理论计算值存在一定误差，可通过互感器调节线圈匝数或阈值电压等参数使误差稳定在可接受范围之内［14］。

表1 互感器磁芯参数

2.2 漏电检测电路

根据图2原理配置磁芯互感器，设计漏电检测电路，如图3所示。

图3 漏电检测电路

本文选取轨对轨运算放大器进行轨对轨输出，确保输出波形不失真，型号为SGM8052，由单电源Ui供电。电阻R2以及运算放大器构成正反馈电压比较电路，以Ui2作为基准电压UR，将电阻R1、UR与运放正向输入端相连，使之输出交变激励电压，激励电压为

通过R1、R2设置Ur，即

由互感器与采样电阻Rs构成励磁回路，将ip耦合到激励电流中，经Rs输出调制电压信号Ui。Rs决定了最大激励电流Ir的大小，即互感器检测范围，有

激励电压、电流与采样电阻电压波形如图4所示。

图4 激励电压、激励电流与采样电阻电压波形

2.3 信号调理电路

为获取激励电流中的被测漏电信号，需对调制电压信号Ui进行磁解调处理。本文搭建的磁解调电路如图5所示。

图5 磁解调电路

磁解调电路是由五阶巴特沃斯低通滤波器组成的滤波电路，能使设计的滤波器衰减速度加快，更好地对耦合的激励电压信号进行解调处理。截止频率fc是滤波器的关键技术指标，为了能够检测1 kHz的高频电流，滤除高频信号，滤波截止频率设为1.5 kHz，通过查找巴特沃斯滤波器系数表确定了阶数滤波器的各项系数，如表2所示。其中，b、c均为滤波器归一化系数［15］。

一阶滤波器主要参数为R4、C2，选定C2为标称值10/fcμF，截止频率1.5 kHz。由表2可知，滤波器系数b为0，根据每节截止频率

表2 巴特沃斯低通滤波器设计数据表

可得滤波器第1节截止频率fm1=1.5kHz，故C2选择满足标称值的最大值为22 nF，通过截止频率

可得

取R4=5 kΩ。

通过二阶巴特沃斯滤波器设计电阻R5、R6、R7、电容C3以及C4等参数，满足

式中：K为信号放大倍数。

由上述条件设计的结构具有良好的衰减特性［16］，能更好地衰减高频信号。由表2可得系数b为1.618 034，根据式（12）可知，二节滤波截止频率为

选定C4为22 nF，为了让C3有实数解，需满足，选取放大倍数为6，则C3为1 nF。将其代入式（15），可得

取实际值R5=6.6 kΩ，R6=43 kΩ，R7=39 kΩ。同理可得fm3=1349 Hz，C7=22 nF，C6=1 nF，R8=R9=28 kΩ，R10=14 kΩ。通过Multisim分别对磁解调电路的截止频率以及放大倍数进行仿真验证，确保设计参数的准确性，如图6所示。

图6 Multisim仿真验证磁调制电路设计参数结果

3 实验检测

软硬件完成后进行漏电检测实验，分别对直流、脉动直流以及不同频率的交流漏电流进行检测［17］。施加不同幅值的漏电实测结果如表3所示。针对非直流剩余电流的检测结果如表4所示。对正弦交流、半波、90°波、135°波检测的相对误差如图7所示。

表3 不同幅值直流漏电流检测结果mA

表4 有效值为20 mA的正弦交流、脉动直流检测结果mA

由图7可知，当频率一定时，该检测方法对正弦交流最有效，对135°波检测精度略差；当波形一定时，频率越高，检测精度越低。对正弦交流检测误差在5%以内；对半波被测电流检测误差在12%以内；对90°波被测电流的检测误差在16%以内；对135°波被测电流，当频率在900 Hz范围内，检测误差最高达19.8%，当频率达到1 kHz时，误差最大。结果显示，基于磁通门传感器的漏电检测方法检测误差基本符合漏电保护的标准要求，满足不同类型漏电的检测。