B+型剩余电流的数字化检测方案的研究

陈玲

摘要：随着变频设备在国民生产生活中的广泛应用，使低压配电网中产生大量的高次谐波，相应的变频直流剩余电流也随之增加，且高频剩余电流能量不弱，在一定条件下易引发火灾，而传统的剩余电流检测方式已不能满足日益变化的用电状况，文中首先阐述了剩余电流产生分类和危害，并对比分析了传统剩余电流检测方案的问题和不足，在B+型剩余电流检测技术的基础上，提出B+型剩余电流的数字化检测方案，采用芯片异构结构和神经网络AI智能算法相结合的方式，优化剩余电流检测的数字化和智能化处理，适应低压配电网的剩余电流检测需要，大大提升剩余电流检测的适用性和可靠性，对提高手段有效避免因线路漏电造成的火灾和人员伤害具有重要意义。

关键词：剩余电流;B+型;数字化方案;AI智能;神经网络;线路漏电

Research on Digital Detection Scheme of B+ Residual Current

CHEN Ling

（Fujian Metrology Institute， Fuzhou  350003， Fujian， China）

Abstract： With the wide application of variable frequency equipment in national production and life， a large number of high-order harmonics are generated in the low-voltage distribution network， and the corresponding variable-frequency DC residual current also increases， while the high-frequency residual current energy is not weak， which easily causes fire under certain conditions， and the traditional residual current detection method can no longer meet the changing power consumption conditions. This paper first expounds the classification and harm of residual current， and compares and analyzes the problems and shortcomings of the traditional residual current detection scheme. Based on the B+ type residual current detection technology， a digital detection scheme for B+ type residual current is proposed. The scheme adopts a combination of chip heterogeneous structure and neural network AI intelligent algorithm to optimize the digital and intelligent processing of residual current detection， meeting the needs of residual current detection of low-voltage distribution networks， and greatly improves the applicability and reliability of residual current detection. It is of great significance to improve the means to effectively avoid fire and personal injury caused by line leakage.

Key Words： Residual current; B+ type; Digital scheme; AI intelligence; Neural network; Line leakage

1前言

隨着我国智能用电的普及，各类用电设备不断增加，使用电线路越来越复杂，同时也大大增加因用电不当引发火灾的机率，通常超负荷运行、短路、接触不良、线路漏电等都会引发火灾，我国公安部消防局2020年最新统计数据显示，电气火灾占全国火灾25.2万起中的33.6%，死亡1183人，受伤775人，造成直接财产损失40.09亿元，其中由过剩电流、残余电流等线路，漏电引起的电气火灾占了很大一部分。由此可见，目前在生产、生活中普遍存在线路单相接地漏电故障，对人们生命和财产安全造成巨大的威胁[1]。防止此类电气火灾发生的有效防护措施就是在低压电网中安装剩余电流动作保护装置（residual current operated protective device，简称“RCD”）。国内外研究机构相关统计研究分析表明，安装于低压电网中的RCD，约90%以上的损坏是由相关电子器件损坏导致的，而目前我国95%以上的终端领域和100%的配电领域都采用电子式RCD，因此研究RCD的数字化检测方案具有极大的现实意义。

2 剩余电流的产生和分类

剩余电流是电网与地之间的故障电流，在用电测事故中，通过人的身体流入大地时，使电路主线路进出不相等时，瞬时矢量合成的有效值[2]。剩余电流一般是由于建筑设施中导线破损产生的，如老化导致的绝缘层破损、导线在钢管内划破、负荷过大严重发热等。线路漏电所表现出来的外在现象是产生异常的剩余电流，用电线路因分布电容、高次谐波、接地方式和相线组合等因素的影响会产生复杂多样的异常剩余电流形式[3]。剩余电流的大小可以直接反应线路漏电的严重程度，当线路中存在过大的异常剩余电流时，线路温度会不断地升高，持续升温如果得不到及时解决，就会导致线路烧毁从而引发火灾事故，危及生命及财产安全，因此通过检测线路的剩余电流是有效预防火灾、防止人身触电的重要手段。

剩余电流按其表现特征和波形状态可分为4类，具体的分类特点及应用场景如表1所示。

随着电器日益科技化、复杂化，人们接触的漏电不再是传统的正弦交流漏电，目前传统使用的AC型剩余电流保护装置仍存在触电风险。国外如德国已禁止使用AC型剩余电流保护装置。以交流电动充电系统为例，车辆在使用的过程中，难免会有颠簸振动、器件老化等问题，可能会使得车载充电机内的绝缘出现问题[4]，使交流充电过程中的不同位置的失效模式有多种可能，可能会产生AC、A、F、B型剩余电流。

3传统剩余电流检测方案

3.1剩余电流保护装置的原理

剩余电流保护装置结构一般由剩余电流传感器、电子信号放大器、剩余电流脱机器和机械开关电器或报警装置等部分组成[5]。剩余电流保护装置原理就是利用差流检测的方法，通过检测线路中相线和中性线电流瞬时值的代数和，包括中性线的三相不平衡电流和谐波电流，由传感器采集感应电流，再经过信号放大，最后通过比较线路正常时的泄漏电流和故障时的接地故障电流之和，经过对剩余电流设定值的比较，判定是否需要线路保护，当确定实际检测的剩余电流超过设定值时，保护装置根据动作信号执行跳闸动作，从而断开电路并报警[6]。其原理图和结构示意图如图1和图2所示。

3.2 剩余电流保护装置的不足

智能电器的普及应用使用电线路的用电状态更趋复杂性，交流线路中的直流分量在不断增加，并且也加大了直流剩余电流的产生，这对剩余电流保护装置的检测能力提出了更高的要求[7]。以AC型剩余电流保护装置为例，当主回路出现直流剩余电流，会造成磁环铁芯的预先磁化，导致检测装置脱扣值偏移，进入磁饱和区，检测会失准或无法正常工作。直流剩余电流下AC型的磁化曲线如图3所示。而对于A型剩余电流保护装置，磁化特性更强，能够在较小的脉动型直流剩余电流下正常工作;但当主回路出现较大的平滑型直流剩余电流，剩余电检测仍会失准无法正常工作，带来巨大的安全隐患。直流剩余电流下A型的磁化曲线如图4所示。

随着变频技术的发展，因其节能效果明显及在电动机运行调速方面的优势，变频器应用越来越深入国民生产生活的各个领域，不管民用、商用还是工业建设中都会使用到变频设备。变频器整流过程和逆变过程中都会产生高次谐波，并且设备内部电路存在Y电容，及设备的电缆、机壳、绕组等部件与地之间存在的寄生电容，都会因高次谐波产生剩余电流。从防火的角度来看，高频剩余电流能量不弱，在一定条件下会引发火灾。变频器中的高频、高脉冲比常规信号高，频率高达几十KHz或几百KHz，仅配置A型、AC型和B型剩余电流保护的系统很难确保检测的可靠性。

3.3传统剩余电流检测方案

传统剩余电流检测方案存在很大的局限性，因其采用元件相对固定，不支持修改，软件辅助少，激励电压大，功耗较高，温度使用范围受限，无法测算剩余电流大小和剩余电流类型，不支持智能化分析等，已经无法够满足日益变化的线路剩余电流检测，传统剩余电流检测方案示意图如图5所示。传统剩余电流保护装置的线圈容易损坏，并且线圈是否损坏难以直接判断，需要辅助人工定点定期检查，而人工检查则会造成线路跳闸，会降低线路检测的可靠性，增加额外的工作量。由于A型、AC型和B型等剩余电流保护装置已经不足以满足新型用电线路中剩余电流的检测，因此提出B+型剩余电流保护装置以解决此问题。

4  B+型剩余电流的数字化检测方案

4.1  B+型剩余电流检测技术

B+型剩余电流检测在原有B型剩余电流检测的基础上，将高频剩余电流的检测频率增加到150kHz，B+型剩余电流检测是基于磁通门的原理，采用了单磁芯和单绕组结构的剩余电流传感器，为提高可靠性，将检测绕组和激磁绕组设为同一绕组，利用磁芯的饱和现象来调制被测量磁场，在激励源的磁化作用下，使磁芯发生饱和和非饱和的周期性变化，通过感应磁场变化，检测绕组中的电流变化从而获知相线与中性线之间的剩余电流。

线路正常运行时，通常剩余电流为零。为保证剩余电流检测的有效可靠，需要通过DSP控制模块的程序设定一个自检周期，针对高频剩余电流的检测频率，发送一个特定频率的自检电流，对剩余电流检测通道进行周期性自检，并通过离散傅立叶变换来获取信号的频域特征，以区分自检电流和线路上的剩余电流，大大提高自检的可靠性。

4.2数字化检测方案

在B+型剩余电流检测技术的基础上，方案采用芯片异构结构和神经网络AI智能算法相结合的方式来实现。数字化方案集成高速DSP单元、神经网络算法单元、B+型剩余电流检测单元，利用主CPU系统和协处理器系统的同步异构处理方式，结合多维度数据采集与神经网络卷积AI算法，可自由调节参数以适配不同场景（I△n 值的软件调整），具备低电压、低功耗，并具有使用温度-25℃～65℃的温补提升，精确区分剩余电流大小和剩余电流类型等特点。

数字化检测方案首先对线圈激励控制、交/直流剩余电流、专用采集电路、高速高精度AD和温湿度等参数进行数据采集。为了简化结果分析，需要对采集的原始数据进行平滑处理，辨别并剔除异常值，再对饱和时间、不同激励区间上升速率、磁场变化率和不同频点的分析等进行数字化处理，同时进行一致性、剩磁、温湿度、LN穿线不平衡和LN电流误差的数字化补偿。再利用神经网络进行数据拟合以及拟合数据的窗口化处理，形成拟合曲线，从而寻找相关变化点，最终通过AI智能判别得到剩余电流大小和剩余电流类型。数字化剩余电流检测方案示意图如图6所示，方案针对脉动直流剩余电流的检测结果如图7所示。

4.3方案演示

运用B+型剩余电流的数字化检测方案，分别测试交流剩余电流信号、交流叠加直流剩余电流信号、脉动直流剩余电流信号，得到的结果如图7～图9所示。测试结果表明系统能够采集更大数据量并进行曲线拟合，能够更好地提取图片的整体和局部信息，在多通道特征信息处理上具备较大的优势，并可通过模型参数的修改从而调整方案适应性，充分发挥数字化数据分析处理和辨别决策的优势。

5 结语

文中提出芯片异构结构和神经网络AI智能算法的B+型剩余电流的数字化检测方案，用于检测低压电网中各类型剩余电流。该方案充分利用集成芯片技术和神经网络AI建模的优势，相对于传统的剩余电流检测方案，不仅提高了检测的精确性和可靠性，减少了误判和漏判，同时因采用了大数据量采集分析，提升自动化程度和智能预警能力，减少人工投入，大大提高了效率。此方案可应用在剩余电流保护装置的上下环节，对于防止因剩余电流导致的线路漏电提出了有效手段，对避免因漏电造成的火灾、设备损坏和人员伤害，提高供用电安全具有重要价值。

参考文献

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[2]寇瑞，杨跃军.剩余电流保护装置原理与接线分析[J]. 山西电力，2006，000（002）：50-51，69.

[3]李孟，方厚善，安平.基于ARM控制器的剩余电流保护器检测的研究[J].电器与能效管理技术，2015（22）：21-23.

[4]刘金琰，邹建华，胡宏宇.剩余电流动作保护器在电动汽车充电系统的应用[J].电器与能效管理技术，2016（24）：72-75.

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[6]吴志明，严文交，周凤灵.信号注入式的剩余电流检测电路智能自检方法[J].贵州电力技术，2016，19（2）：81-83.

[7]李奎，戴逸华，牛峰，等.基于触发角识别的脉动直流剩余电流有效值检测方法[J].电力自动化设备，2017，37（5）：80-84.[2]寇瑞，杨跃军.剩余电流保护装置原理与接线分析[J].