王 堯，李 奎，郭志濤，岳大為，牛 峰

(河北工業(yè)大學(xué)，天津300130)

1 引言

支路接地是直流系統(tǒng)的常見(jiàn)故障之一，若不及時(shí)排查，則可能引發(fā)嚴(yán)重的電力系統(tǒng)事故［1-3］。因此，必須對(duì)直流接地故障(絕緣故障)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。直流漏電流測(cè)量法是直流系統(tǒng)接地故障檢測(cè)方法的一種，該方法無(wú)須向直流系統(tǒng)注入任何信號(hào)，并且不受系統(tǒng)對(duì)地分布電容的影響，具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)［4-6］。

目前，可用于直流漏電流測(cè)量的互感器主要基于霍爾原理和磁調(diào)制原理［5-6］。由于直流漏電流是較大負(fù)載電流下的微弱的差值電流，對(duì)它的檢測(cè)不同于對(duì)單純小電流的檢測(cè)。相對(duì)而言，磁調(diào)制式電流互感器更適合于直流漏電流的檢測(cè)，這是因?yàn)?

(1)霍爾電流互感器由于磁芯中存在氣隙，極易受到外界大電流磁場(chǎng)的干擾而使檢測(cè)誤差增大［5-6，12］;磁調(diào)制式電流互感器磁芯中無(wú)氣隙，其抗干擾能力強(qiáng)，不易受外界磁場(chǎng)的干擾［6，13］。

(2)霍爾電流互感器當(dāng)受到電流沖擊后，容易產(chǎn)生剩磁而造成輸出零點(diǎn)漂移［5-6，12］;磁調(diào)制式電流互感器在周期性激磁電壓的作用下工作于深度磁飽和狀態(tài)，即使受到大電流的沖擊也能及時(shí)恢復(fù)，其工作特性穩(wěn)定、測(cè)量可重復(fù)性較高［6，13］。

(3)霍爾電流互感器容易受到溫度的影響而造成較大的零點(diǎn)漂移［5-6，12］;磁調(diào)制式電流互感器的溫度特性相對(duì)較好，不易受溫度變化的影響［6，13］。

現(xiàn)有的磁調(diào)制式電流互感器大都以倍頻磁調(diào)制器為核心構(gòu)成，通常具有雙磁芯結(jié)構(gòu)，通過(guò)檢測(cè)磁芯二次繞組輸出信號(hào)中的二次諧波分量來(lái)測(cè)量電流大小;其信號(hào)處理電路復(fù)雜，一般需經(jīng)信號(hào)放大、帶通濾波、相敏檢波和低通濾波等步驟，測(cè)量過(guò)程繁瑣［14］。并且，雙磁芯結(jié)構(gòu)的互感器還會(huì)因?yàn)閮蓚€(gè)磁芯結(jié)構(gòu)、尺寸及磁特性的不一致而造成虛假平衡點(diǎn)［7］，使檢測(cè)誤差增大。文獻(xiàn)［7］提出一種單磁芯結(jié)構(gòu)的磁調(diào)制式電流互感器，該互感器以二次繞組輸出信號(hào)的正負(fù)半波有效值之差作為反饋控制的誤差信號(hào)，實(shí)現(xiàn)“零磁通狀態(tài)”，從而消除虛假平衡點(diǎn);但其電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、實(shí)用性較差。因此，現(xiàn)有的磁調(diào)制式電流互感器不能很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)直流漏電流的測(cè)量。

本文提出一種基于單片機(jī)的單磁芯磁調(diào)制式直流漏電流互感器。其電路簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高，并具有RS485通訊接口，可與上位機(jī)組成直流系統(tǒng)接地故障巡回監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2 磁調(diào)制式直流漏電流互感器的檢測(cè)原理

磁調(diào)制式直流漏電流互感器的檢測(cè)原理如圖1所示，該互感器主要由環(huán)形磁芯、運(yùn)算放大器U1、采樣電阻 Rs、閾值電壓設(shè)置電阻 R1和 R2組成。其中，磁芯上繞有一個(gè)二次線圈，作為激磁和檢測(cè)繞組。線路中的直流漏電流指正負(fù)母線中的差值電流，即 ip=i++i－，正常情況下 ip=0。

圖1 磁調(diào)制式直流漏電流互感器的檢測(cè)原理Fig.1 Detecting principle of MM DC LCT

互感器磁芯由坡莫合金材料卷制而成，其初始磁導(dǎo)率高、剩磁和矯頑力低的特點(diǎn)。磁芯B-H磁化曲線如圖2(a)所示，可見(jiàn)磁化曲線是非線性的。為便于研究，忽略磁滯和渦流損耗，將磁芯B-H曲線分段線性化，并作如下分析:

假定運(yùn)算放大器輸出電壓的高電平為VH，低電平VL=－VH。當(dāng)采樣電阻上的電壓分別達(dá)到+Vr和－Vr時(shí)，運(yùn)算放大器的輸出電平發(fā)生翻轉(zhuǎn)，從而在電路中產(chǎn)生一個(gè)方波激勵(lì)電壓U(t)。其中，閾值電壓 ±Vr=±R2×VH/(R1+R2)。

圖2 磁芯的磁化曲線及其線性擬合Fig.2 Magnetic core B-H curve and its linear fitting

如圖2(b)所示，U(t)在線圈中產(chǎn)生的最大磁場(chǎng)強(qiáng)度為 ±Hm(Hm＞Hs，Hs是磁芯的飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度)，磁芯工作于深度磁飽和狀態(tài)。當(dāng)線路中沒(méi)有直流漏電流時(shí)(ip=0)，磁芯B-H曲線關(guān)于原點(diǎn)對(duì)稱。假定t=0時(shí)刻負(fù)向電壓剛好結(jié)束，磁芯處于負(fù)向磁飽和，在激磁電壓作用下，磁芯磁化曲線將沿著A→P1→Q1→B→Q1→P1→A的路徑周期性地變化。由于磁化曲線的對(duì)稱性，此時(shí)采樣電阻上的電壓波形(即線圈電流波形)正負(fù)對(duì)稱，如圖3曲線a。當(dāng)線路中存在直流漏電流時(shí)(ip=i0)，磁芯的磁化路徑在漏電流產(chǎn)生的偏置磁場(chǎng)(H0)作用下發(fā)生偏移，將沿著A→P2→Q2→B→Q2→P2→A的路徑變化。此時(shí)，采樣電阻上的電壓波形不再對(duì)稱，而是向負(fù)半軸偏移，如圖3曲線 b。

圖3 不同電流時(shí)采樣電阻Rs的電壓波形Fig.3 Voltage waveforms access of sampling Rs when different current is applied

由電路計(jì)算可知，當(dāng)滿足H0?Hm時(shí)，采樣電阻電壓的偏移量在一周期內(nèi)的平均值近似滿足［8］:

式中，N2是二次繞組匝數(shù)。

由周期信號(hào)的傅里葉變換可知，信號(hào)電壓在一周期內(nèi)的平均值與信號(hào)頻譜的直流分量成正比，即有

從而

式中，u是采樣電阻電壓的瞬時(shí)值;a0是采樣電阻電壓頻譜的直流分量。

因此，通過(guò)檢測(cè)采樣電阻電壓頻譜的直流分量可以測(cè)量直流漏電流的大小和方向，這就是磁調(diào)制式直流漏電流互感器的檢測(cè)原理。

從式(3)還可以看出，要增大互感器的檢測(cè)靈敏度，應(yīng)盡可能地減少二次繞組匝數(shù)并增大采樣電阻的阻值。但是，線圈匝數(shù)的減少會(huì)使激磁電壓頻率提高，進(jìn)而使濾波電路更加復(fù)雜，并會(huì)增加電路功耗。另一方面，為使磁芯達(dá)到深度飽和狀態(tài)，采樣電阻的阻值也不宜過(guò)大。所以，檢測(cè)電路的參數(shù)與檢測(cè)靈敏度之間存在最佳的匹配關(guān)系。

一般情況下，首先根據(jù)電路的驅(qū)動(dòng)能力確定采樣電阻的阻值，然后再根據(jù)直流漏電流的檢測(cè)范圍確定二次繞組匝數(shù)，即有

式中，i(t)max是線圈電流的最大值，一般應(yīng)小于20mA;ipmax是直流漏電流的最大值。

3 磁調(diào)制式直流漏電流互感器的實(shí)現(xiàn)

本文采用Atmega16單片機(jī)進(jìn)行磁調(diào)制式直流漏電流互感器設(shè)計(jì)，主要設(shè)計(jì)參數(shù)為:互感器的檢測(cè)范圍為 ±300mA，檢測(cè)誤差不大于 ±3%，供電電壓±15V，線性輸出電壓為0～5VDC，并具有開(kāi)關(guān)量輸出和RS485通訊接口。

3.1 硬件設(shè)計(jì)

如圖4所示，磁調(diào)制式直流漏電流互感器由磁芯、方波激磁電壓源、低通濾波器、信號(hào)放大、AT-mega16單片機(jī)、開(kāi)關(guān)量輸出、按鍵/LED和RS485通訊電路等部分組成。

圖4 磁調(diào)制式直流漏電流互感器原理框圖Fig.4 Schematic diagram of MM DC LCT

(1)方波激勵(lì)電壓源

方波激磁電壓源電路基于軌至軌輸入/輸出的高性能運(yùn)算放大器 LM6132，其輸出電壓擺幅為±12V，最大輸出電流可達(dá)±20mA。運(yùn)算放大器U1與磁芯線圈構(gòu)成自反饋式振蕩電路。根據(jù)第2節(jié)提出的設(shè)計(jì)原則，選取磁芯和電路參數(shù)如表1所示。

表1 磁芯和電路參數(shù)Tab.1 Magnetic core and circuit parameters

(2)低通濾波器

為獲得信號(hào)的直流分量，設(shè)計(jì)了一個(gè)三階巴特沃斯低通濾波器，其截止頻率為 f0=10Hz。如圖5所示，濾波電路由一個(gè)單位增益一階低通濾波器和一個(gè)多重反饋二階低通濾波器串聯(lián)組成。該濾波器具有良好的高頻衰減特性和失真特性、增益范圍大，并能夠降低對(duì)元件精度的要求［9］。

圖5 三階巴特沃斯低通濾波器Fig.5 3rdorder Butterworth LPF

濾波器的幅頻和相頻特性如圖6所示，可以看出，濾波器對(duì)400Hz以上的高次諧波信號(hào)的衰減達(dá)到－60dB以上，能夠很好地濾除信號(hào)中的諧波干擾，獲得直流分量。

圖6 濾波器的幅頻和相頻特性Fig.6 Amplitude-frequency and phase-frequency characteristics of LPF

(3)單片機(jī)及其外圍電路

AVR Atmega16單片機(jī)是直流漏電流互感器的控制核心，負(fù)責(zé)完成采樣、計(jì)算、報(bào)警和通訊等功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化測(cè)量和保護(hù)。單片機(jī)及其外圍電路如圖7所示。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件程序由主程序和中斷服務(wù)程序組成。程序結(jié)構(gòu)采取無(wú)限循環(huán)的前后臺(tái)式結(jié)構(gòu)，前臺(tái)程序通過(guò)中斷服務(wù)程序來(lái)處理各種事件，后臺(tái)程序主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)初始化。其中，漏電檢測(cè)部分的程序流程如圖8所示，其工作過(guò)程如下:

圖7 單片機(jī)及其外圍電路Fig.7 MCU and its peripheral circuit

圖8 漏電流檢測(cè)流程圖Fig.8 Flow chart of leakage current detection

上電后，單片機(jī)首先對(duì)I/O端口、中斷、A/D轉(zhuǎn)換和通訊接口進(jìn)行初始化。此后，如果有激磁電壓信號(hào)產(chǎn)生的中斷，單片機(jī)即啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換程序?qū)⑤斎氲哪M信號(hào)量化，從而計(jì)算出直流漏電流的大小并與設(shè)定的動(dòng)作值比較，若直流漏電流的值(IΔ)超過(guò)設(shè)定動(dòng)作值Id的一半而未達(dá)到動(dòng)作值時(shí)，則啟動(dòng)漏電報(bào)警程序并點(diǎn)亮報(bào)警指示燈;若直流漏電流達(dá)到或超過(guò)設(shè)定的動(dòng)作值時(shí)，單片機(jī)并不馬上發(fā)出動(dòng)作信號(hào)，而是先延時(shí)一段時(shí)間，如果采樣值仍大于設(shè)定動(dòng)作值則執(zhí)行漏電動(dòng)作程序，將漏電報(bào)警指示燈點(diǎn)亮，以告知用戶線路中出現(xiàn)漏電故障，此時(shí)開(kāi)關(guān)量輸出繼電器的觸點(diǎn)狀態(tài)也將發(fā)生改變。這樣可以有效避免干擾的影響，提高檢測(cè)可靠性。此外，單片機(jī)還可通過(guò)RS485總線與監(jiān)控主機(jī)(上位機(jī))通訊，向監(jiān)控主機(jī)報(bào)告故障電流值和發(fā)生漏電故障的線路編號(hào)，實(shí)現(xiàn)故障定位。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否合理，對(duì)磁調(diào)制式直流漏電流互感器作線性度測(cè)試，試驗(yàn)電流為－300～+300mA DC，檢測(cè)并記錄互感器輸出端的電壓。試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示，從圖9中可以看出，直流漏電流在－300～+300mA范圍內(nèi)互感器具有良好的測(cè)量精度，其測(cè)量誤差小于3%，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖9 互感器線性度試驗(yàn)結(jié)果及測(cè)量誤差Fig.9 Test results and measurement error

5 結(jié)論

本文提出一種單磁芯結(jié)構(gòu)的磁調(diào)制式直流漏電流互感器。該互感器基于Atmega16單片機(jī)，通過(guò)檢測(cè)磁芯二次繞組輸出信號(hào)的直流分量來(lái)測(cè)量直流漏電流的大小，只需經(jīng)過(guò)低通濾波和信號(hào)放大即可實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的檢測(cè)，從而簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)。其測(cè)量精度高，并具有RS485通訊接口，可與上位機(jī)組成直流系統(tǒng)接地故障巡回監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化測(cè)量與保護(hù)。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，所設(shè)計(jì)的磁調(diào)制式直流漏電流互感器的測(cè)量誤差小于3%，能夠滿足直流系統(tǒng)接地故障巡回監(jiān)測(cè)的要求。

［1］鮑諺，姜久春，張維戈，等(Bao Yan，Jiang Jiuchun，Zhang Weige，et al.).新型直流系統(tǒng)絕緣在線監(jiān)測(cè)方法(Novel on-line insulation supervising method for DC system)［J］.高電壓技術(shù)(High Voltage Engineering)，2011，37(2):333-337.

［2］王友仁，崔江，劉新峰(Wang Youren，Cui Jiang，Liu Xinfeng).直流系統(tǒng)在線絕緣檢測(cè)技術(shù)研究(On line insulation detection and earth point fault location for DC distribution system)［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)(Chinese Journal of Scientific Instrument)，2005，26(8):849-852.

［3］趙夢(mèng)欣，陳國(guó)峰，余偉成(Zhao Mengxin，Chen Guofeng，Yu Weicheng).直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)的直流漏電流法改進(jìn)方案(Modification of DC leakage method for DC system insulation monitoring)［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化(Automation of Electric Power Systems)，2009，33(14):83-88.

［4］孫鳴，馬娟(Sun Ming，Ma Juan).直流系統(tǒng)微機(jī)型絕緣監(jiān)測(cè)裝置電阻選擇(The resistor selection of microcomputer-based insulation monitor for DC system)［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制(Power System Protection and Control)，2009，39(4):128-131.

［5］吳平安，張少海，易志明(Wu Pingan，Zhang Shaohai，Yi Zhiming).直流系統(tǒng)漏電檢測(cè)方法的比較(Comparison of methods for detecting grounding faults of DC system)［J］.華北電力技術(shù)(North China Electric Power)，2003，(2):52-54.

［6］Fleischer K，Munnings R S.Power system analysis for direct current(DC)distribution system ［J］.IEEE Trans.on Industry Application，1996，32(5):982-989.

［7］李維波，毛承雄，陸繼明(Li Weibo，Mao Chengxiong，Lu Jiming).基于飽和電抗器結(jié)構(gòu)下的新型直流比較儀原理(Principle of a novel DC comparator centered on the structure of saturable reactor)［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化(Automation of Electric Power Systems)，2005，29(4):77-81.

［8］Milan M Ponjavic'，Radivoje M Duric.Nonlinear modeling of the self-oscillating fluxgate current sensor［J］.IEEE Sensors Journal，2007，7(11):1546-1553.

［9］遠(yuǎn)坂俊昭(Toshiaki Enzaka).測(cè)量電子電路設(shè)計(jì)濾波器篇(Keisoku no Tameno Filter Kairosekkei)［M］.北京:科學(xué)出版社 (Beijing:Science Press)，2005.

［10］8-bit AVR MCU with 16KB programmable Flash.Atmel Inc.，2003.

［11］Wang Yao，Li Kui，Liu Can，et al.Study on modeling and simulation of AC/DC sensitive residual current transformer［A］.Proceeding of 1st International Conference on Electric Power Equipment-SwitchingTechnology［C］.Xi'an，China，2011.692-696.

［12］李亮，闕沛文，陳亮(Li Liang，Que Peiwen，Chen Liang).新型霍爾互感器在電流檢測(cè)中的應(yīng)用(Current detection based on new hall-effect sensor)［J］.儀表技術(shù)與互感器(Instrument Technique and Sensor)，2005，(4):3-7.

［13］James Lenz，Alan S Edelstein.Magnetic sensors and their applications［J］.IEEE Sensors Journal，2006，6(3):631-649.

［14］向小民，曾維魯，高學(xué)軍(Xiang Xiaomin，Zeng Weilu，Gao Xuejun).一種新式磁調(diào)制直流電流測(cè)量方法(A new method of direct current measurement based on magnettor)［J］.華中理工大學(xué)學(xué)報(bào)(Journal of Huazhong University of Science and Technology)，1998，26(12):65-67.