磁調制式直流漏電流互感器

王 堯，李 奎，郭志濤，岳大為，牛 峰

(河北工業大學，天津300130)

1 引言

支路接地是直流系統的常見故障之一，若不及時排查，則可能引發嚴重的電力系統事故［1-3］。因此，必須對直流接地故障(絕緣故障)進行在線監測。直流漏電流測量法是直流系統接地故障檢測方法的一種，該方法無須向直流系統注入任何信號，并且不受系統對地分布電容的影響，具有明顯的技術優勢［4-6］。

目前，可用于直流漏電流測量的互感器主要基于霍爾原理和磁調制原理［5-6］。由于直流漏電流是較大負載電流下的微弱的差值電流，對它的檢測不同于對單純小電流的檢測。相對而言，磁調制式電流互感器更適合于直流漏電流的檢測，這是因為:

(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的干擾而使檢測誤差增大［5-6，12］;磁調制式電流互感器磁芯中無氣隙，其抗干擾能力強，不易受外界磁場的干擾［6，13］。

(2)霍爾電流互感器當受到電流沖擊后，容易產生剩磁而造成輸出零點漂移［5-6，12］;磁調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，即使受到大電流的沖擊也能及時恢復，其工作特性穩定、測量可重復性較高［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漂移［5-6，12］;磁調制式電流互感器的溫度特性相對較好，不易受溫度變化的影響［6，13］。

現有的磁調制式電流互感器大都以倍頻磁調制器為核心構成，通常具有雙磁芯結構，通過檢測磁芯二次繞組輸出信號中的二次諧波分量來測量電流大小;其信號處理電路復雜，一般需經信號放大、帶通濾波、相敏檢波和低通濾波等步驟，測量過程繁瑣［14］。并且，雙磁芯結構的互感器還會因為兩個磁芯結構、尺寸及磁特性的不一致而造成虛假平衡點［7］，使檢測誤差增大。文獻［7］提出一種單磁芯結構的磁調制式電流互感器，該互感器以二次繞組輸出信號的正負半波有效值之差作為反饋控制的誤差信號，實現“零磁通狀態”，從而消除虛假平衡點;但其電路結構復雜、實用性較差。因此，現有的磁調制式電流互感器不能很好地實現對直流漏電流的測量。

本文提出一種基于單片機的單磁芯磁調制式直流漏電流互感器。其電路簡單、測量精度高，并具有RS485通訊接口，可與上位機組成直流系統接地故障巡回監測系統。

2 磁調制式直流漏電流互感器的檢測原理

磁調制式直流漏電流互感器的檢測原理如圖1所示，該互感器主要由環形磁芯、運算放大器U1、采樣電阻 Rs、閾值電壓設置電阻 R1和 R2組成。其中，磁芯上繞有一個二次線圈，作為激磁和檢測繞組。線路中的直流漏電流指正負母線中的差值電流，即 ip=i++i－，正常情況下 ip=0。

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

互感器磁芯由坡莫合金材料卷制而成，其初始磁導率高、剩磁和矯頑力低的特點。磁芯B-H磁化曲線如圖2(a)所示，可見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:

假定運算放大器輸出電壓的高電平為VH，低電平VL=－VH。當采樣電阻上的電壓分別達到+Vr和－Vr時，運算放大器的輸出電平發生翻轉，從而在電路中產生一個方波激勵電壓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)在線圈中產生的最大磁場強度為 ±Hm(Hm＞Hs，Hs是磁芯的飽和磁場強度)，磁芯工作于深度磁飽和狀態。當線路中沒有直流漏電流時(ip=0)，磁芯B-H曲線關于原點對稱。假定t=0時刻負向電壓剛好結束，磁芯處于負向磁飽和，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。由于磁化曲線的對稱性，此時采樣電阻上的電壓波形(即線圈電流波形)正負對稱，如圖3曲線a。當線路中存在直流漏電流時(ip=i0)，磁芯的磁化路徑在漏電流產生的偏置磁場(H0)作用下發生偏移，將沿著A→P2→Q2→B→Q2→P2→A的路徑變化。此時，采樣電阻上的電壓波形不再對稱，而是向負半軸偏移，如圖3曲線 b。

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

由電路計算可知，當滿足H0?Hm時，采樣電阻電壓的偏移量在一周期內的平均值近似滿足［8］:

式中，N2是二次繞組匝數。

由周期信號的傅里葉變換可知，信號電壓在一周期內的平均值與信號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值;a0是采樣電阻電壓頻譜的直流分量。

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

從式(3)還可以看出，要增大互感器的檢測靈敏度，應盡可能地減少二次繞組匝數并增大采樣電阻的阻值。但是，線圈匝數的減少會使激磁電壓頻率提高，進而使濾波電路更加復雜，并會增加電路功耗。另一方面，為使磁芯達到深度飽和狀態，采樣電阻的阻值也不宜過大。所以，檢測電路的參數與檢測靈敏度之間存在最佳的匹配關系。

一般情況下，首先根據電路的驅動能力確定采樣電阻的阻值，然后再根據直流漏電流的檢測范圍確定二次繞組匝數，即有

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

3 磁調制式直流漏電流互感器的實現

本文采用Atmega16單片機進行磁調制式直流漏電流互感器設計，主要設計參數為:互感器的檢測范圍為 ±300mA，檢測誤差不大于 ±3%，供電電壓±15V，線性輸出電壓為0～5VDC，并具有開關量輸出和RS485通訊接口。

3.1 硬件設計

如圖4所示，磁調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、信號放大、AT-mega16單片機、開關量輸出、按鍵/LED和RS485通訊電路等部分組成。

圖4 磁調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/輸出的高性能運算放大器 LM6132，其輸出電壓擺幅為±12V，最大輸出電流可達±20mA。運算放大器U1與磁芯線圈構成自反饋式振蕩電路。根據第2節提出的設計原則，選取磁芯和電路參數如表1所示。

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

(2)低通濾波器

為獲得信號的直流分量，設計了一個三階巴特沃斯低通濾波器，其截止頻率為 f0=10Hz。如圖5所示，濾波電路由一個單位增益一階低通濾波器和一個多重反饋二階低通濾波器串聯組成。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400Hz以上的高次諧波信號的衰減達到－60dB以上，能夠很好地濾除信號中的諧波干擾，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)單片機及其外圍電路

AVR Atmega16單片機是直流漏電流互感器的控制核心，負責完成采樣、計算、報警和通訊等功能，實現數字化測量和保護。單片機及其外圍電路如圖7所示。

3.2 軟件設計

軟件程序由主程序和中斷服務程序組成。程序結構采取無限循環的前后臺式結構，前臺程序通過中斷服務程序來處理各種事件，后臺程序主要負責系統初始化。其中，漏電檢測部分的程序流程如圖8所示，其工作過程如下:

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

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

上電后，單片機首先對I/O端口、中斷、A/D轉換和通訊接口進行初始化。此后，如果有激磁電壓信號產生的中斷，單片機即啟動A/D轉換程序將輸入的模擬信號量化，從而計算出直流漏電流的大小并與設定的動作值比較，若直流漏電流的值(IΔ)超過設定動作值Id的一半而未達到動作值時，則啟動漏電報警程序并點亮報警指示燈;若直流漏電流達到或超過設定的動作值時，單片機并不馬上發出動作信號，而是先延時一段時間，如果采樣值仍大于設定動作值則執行漏電動作程序，將漏電報警指示燈點亮，以告知用戶線路中出現漏電故障，此時開關量輸出繼電器的觸點狀態也將發生改變。這樣可以有效避免干擾的影響，提高檢測可靠性。此外，單片機還可通過RS485總線與監控主機(上位機)通訊，向監控主機報告故障電流值和發生漏電故障的線路編號，實現故障定位。

4 試驗驗證

為驗證設計是否合理，對磁調制式直流漏電流互感器作線性度測試，試驗電流為－300～+300mA DC，檢測并記錄互感器輸出端的電壓。試驗結果如圖9所示，從圖9中可以看出，直流漏電流在－300～+300mA范圍內互感器具有良好的測量精度，其測量誤差小于3%，滿足設計要求。

圖9 互感器線性度試驗結果及測量誤差Fig.9 Test results and measurement error

5 結論

本文提出一種單磁芯結構的磁調制式直流漏電流互感器。該互感器基于Atmega16單片機，通過檢測磁芯二次繞組輸出信號的直流分量來測量直流漏電流的大小，只需經過低通濾波和信號放大即可實現對信號的檢測，從而簡化了電路結構。其測量精度高，并具有RS485通訊接口，可與上位機組成直流系統接地故障巡回監測系統，實現數字化測量與保護。經試驗驗證，所設計的磁調制式直流漏電流互感器的測量誤差小于3%，能夠滿足直流系統接地故障巡回監測的要求。

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