低壓電力線通信導致漏電保護器誤跳閘問題探討

王立城，胡科軍，高飛，陳靜，王東山

（北京智芯微電子科技有限公司，北京 100192）

0 引 言

電力線通信（Power Line Communication，PLC）是指利用電力線作為媒體實現數據傳輸的一種通信技術，是一種連接到千家萬戶電表、未被充分開發利用的通信信道資源［1］。近幾年，為貫徹落實國家階梯電價政策，加快智能電網建設，電力行業全面開展了電力用戶用電信息采集系統建設［2］。低壓電力線載波通信已成為當前用電信息采集系統通信的主要手段，用于實現居民用戶到配電變壓器之間的通信，完成用戶電表數據采集和費控等功能應用［3-4］。

但隨著用電信息采集系統逐漸投入運行以后，國內部分區域的電力線載波集中抄表系統在載波通信過程中出現了一定程度的漏電保護器誤跳閘現象。文獻［5］通過火線對地耦合電容的模擬測試以及對漏電保護器工作機理的分析，發現了電力線載波信號在強度高于一定閾值時可能會引起漏電保護器動作。文獻［6］為了弄清載波通信在什么條件下可導致漏電保護器誤判跳閘，根據電磁兼容相關標準和漏電保護器相關標準，研究構建了載波通信對漏電保護器電磁兼容性試驗系統。

從已有文獻來看，認為載波通信是導致漏電保護器誤跳閘的直接原因，并做了定性分析和實驗室驗證，但忽略了漏電保護器的性能差異和用電環境影響等因素。文章首先論述了漏電保護器跳閘機理，并對河北保定某小區誤跳閘現場進行了實際測量和測試分析，然后結合小區用電環境從載波通信原理及影響量、漏電保護器抗擾性兩方面得出了漏電保護器誤跳閘是由漏電保護器設計性能、載波信號、電纜及負荷、電網噪聲等多個方面造成的，其中漏電保護器的抗擾能力不足是導致其誤跳閘的重要因素。

1 漏電保護器原理

漏電保護器，又稱剩余電流動作保護裝置，是防止直接接觸電擊事故和間接接觸電擊事故的有效措施之一，也是防止電氣線路或電氣設備接地故障引起電氣火災和電氣設備損壞事故的技術措施［7-9］。按照國標GB 13955-2005的5.3節，要求單相 220 V電源供電的電氣設備應優先選用二極二線式漏電保護器，且手持式電動工具、移動電器、家用電器等設備應優先選用額定剩余動作電流不大于30 mA，一般型（無延時）的漏電保護器。

單相電子式漏電保護器原理，如圖1所示。它是由零序電流互感器、漏電脫扣器、信號檢測放大及執行部分組成。正常情況下，低壓電網相線對地漏電電流較小，達不到漏電保護器的動作值，因此漏電保護器不會動作。當被保護低壓電網內發生漏電或人身觸電等事故時，通過漏電保護器檢測元件的電流達到動作電流值時，這時漏電保護器就會發出跳閘指令，使其所控制的電路斷開。

圖1 單相電子式漏電保護器原理圖Fig.1 Principle diagram of single phase electronic leakage protector

漏電保護器采樣剩余電流i0、火線電流iL、零線電流iN間關系為：

式中K為漏電保護器的放大倍數。

另外，考慮到人體接地觸電承受時間影響，國家標準指導性技術文件GB／Z 6829-2008的5.4.12節，對一般型（無延時）的保護時間做了要求，滿足額定剩余動作電流情況下的最大動作實現不超過0.3 s，并隨著剩余電流增大做反時限保護。

漏電保護器跳閘判據：

式中I△n是額定剩余動作電流值，k是I△n的系數，T為剩余動作電流不同范圍下的設定時間值，且隨著I△n增大而減小。

2 誤跳閘現場及測試分析

在保定市某低壓電力線抄表小區，用戶數268戶，更換為載波智能電表后，部分用戶的漏電保護器出現頻繁誤跳閘現象。從現場反應的情況來看，當集中器不工作時，漏電保護器無動作，當集中器正常運行10 s后即有部分用戶誤跳閘，初步判定漏電保護器誤跳閘與載波收發有關系。

通過現場考察可知小區低壓線路接地形式采用典型的TN-C-S方式，用戶使用的低壓漏電保護器廠家為國內某品牌，其額定電流為16 A，漏電保護電流IN為30 mA，動作時間t≤0.1 s。采用的載波通信產品的載波頻率頻120 kHz，調制方式BPSK，通信速率500 bps，動態路由組網。用戶現場的家用電器相對較多（電冰箱、微波爐、電烤箱、抽油煙機、電熱水器等），家中布線復雜，導致相線對地的分布電容比較大。現場測試的電參數和載波信道數據，見表1。

表1 小區現場測試數據Tab.1 Testing data obtained from residential areas

測得載波信號未發送時的電力線路噪聲頻譜，如圖2所示。從圖中可知，噪音水平在90 dBμV以下，并無明顯的異常噪音，確定環境噪聲對跳閘影響不大。

圖2 載波未發送時信道噪聲頻譜Fig.2 Noise spectrum without the carrier signal

測得載波信號發送時的電力線噪聲頻譜，如圖3所示。采用抄控器代替集中器抄表，連續發送載波數據幀，120 kHz載波信號明顯，幅值約130 dBμV，出現漏電保護器跳閘現象。

圖3 載波發送時電力線信道噪聲頻譜Fig.3 Noise spectrum with the carrier signal

載波數據連續發送時漏電流出現明顯的增加（約26 mA），導致在抄表的過程中，漏電保護器偶爾出現跳閘現象，進一步驗證了誤跳閘與載波通信有關。另外，測得家用電器的電源濾波電路中相線對地和零線對地有220 nF左右（f0＝120 kHz）的等效Y電容，多種電器同時接入電力線中，相當多個等效Y電容并聯，增大了相線對地的等效電容。

3 PLC信號導致跳閘機理及影響量

3.1 電力線載波通信導致誤跳閘機理

以保定某誤跳閘小區為例，其低壓抄表臺區用戶線路和負荷對地泄漏電流形成圖，如圖4所示。臺區可分為配電室、戶外、戶內三段，戶外非架空線路零線多采取多點接地，考慮到安全性要求戶內或電表后端安裝漏電保護器。在居民用戶家中，家用電器和較長距離電源走線會對地產生等效耦合電容，造成對地電流泄漏。

圖4 臺區載波信號泄漏電流回路Fig.4 Signal leakage current loop of residential areas

圖中C1為家用電器產生的等效電容；C2為電源線對地產生的等效電容；iL為火線電流，包括線路間回路電流和線路對地漏電流等；iz為零線電流，包括線路間回路電流。i0為剩余電流，包括家用電器iC1、家用電器iC2、諧波iH、噪聲iN、載波信號iC等線路對地漏電流。

若漏電流大于零且小于漏電保護器漏電動作電流值i0時，即判據0＜iR＜i0，漏電保護器不動作。

若漏電流大于漏電保護器漏電動作電流值時，即判據iR＞i0，滿足一定時間要求時，漏電保護器跳閘。

從式（1）來看，導致漏電保護器保護剩余電流增大是多因素的，電力線載波通信信號僅是導致漏電保護器誤跳閘原因之一。

3.2 PLC信號漏電流影響量分析

首先計算載波信號在線路和地之間產生的漏電流。考慮到BPSK調制方式在電力線通信技術中較多且抗干擾性強，因此選擇BPSK調制信號作為分析對象。

BPSK載波電壓信號的時域表達式［10-11］：

式中｛an｝為雙極性二進制數字序列，an取值為±1；Tb為二進制符號間隔；gT是脈寬為Tb的單個矩形脈沖；ωc是調制載波角頻率；A為電壓信號振幅。

考慮到低壓配電系統零線是在最近的變電所接地，這里假定零線的對地的電壓等于零（實際不一定為零，這里僅為計算方便），則耦合到單相火線和零線之間的載波信號可以認為是單相火線與地之間的泄露電信號，那么BPSK載波信號因單相火線對地電容產生的對地漏電流可以表示為：

式中C為單相火線對地等效電容。

式（4）可看成分段函數，把式（4）帶入式（5）求導可得：

對于漏電流的國家標準都是以有效值來定義的，因此漏電流大小的測量采用交流信號有效值的測量方法，計算公式如下：

式中T為漏電保護器漏電流采樣計算周期；i（t）為漏電流。

把式（6）帶入式（7），可得：

式中在漏電流采樣計算周期內余弦積分為零（漏電流采樣周期通常為工頻周期，即20 ms，而BPSK載波信號頻率通常為數十至數百kHz）。

若取單相火線對地等效電容C為10 nF，BPSK載波信號峰值為+3 V，載波頻率120 kHz，可算得該模型下電力線載波信號因對地電容產生的對地漏電流約為16 mA。按DL／T 698標準載波通信設備的最大輸出信號電平不大于134 dBμV，若對應載波信號峰值約為5 V，這樣在上述條件下便能產生約26.6 mA漏電流，已接近額定漏電動作電流為30 mA及以下的高靈敏度型漏電保護器的動作門限。而現場相線存在對地電容為12 nF，載波信號電平為130 dBμV，在漏電保護器抗擾性較差的情況下，載波信號對地漏電流與系統中工頻、噪聲等導致的泄露電流疊加在一起完全可超過漏電保護器的動作電流門限。因此，在火線對地電容較大情況下，載波信號理論上是可能導致漏電保護器誤跳閘的。

4 漏電保護器抗擾性分析

雖然從理論上大致計算載波信號產生的漏電流可能達到漏電保護器的動作電流門限，并不意味著一定會觸發漏電保護器動作，這還要看其對漏電流信號的處理方式。

如圖5所示，對普遍采用的是電子式漏電保護器，其一般由三個基本環節組成，即檢測元件、中間環節和執行單元。

圖5 電子式漏電保護器原理圖Fig.5 Principle diagram of electronic leakage protector

剩余電流互感器將漏電電流按一定變比轉化成小電流信號（mA級），經低通濾波并轉化成電壓信號后再通過運算放大器和單片機控制系統對漏電信號進行處理和動作控制。其中低通濾波器有其固定的通帶帶寬，如果隨載波同頻率變化的漏電流頻譜帶寬位于低通濾波器通帶帶寬內，則經過電壓轉化、放大以及單片機采樣計算之后其產生的漏電電流將納入系統漏電流；反之則不包括載波產生的漏電流。典型的濾波處理電路，如圖6所示，以此為例可以做一個定量的計算和分析。

圖6 漏電流濾波電路Fig.6 Leakage current filter circuit

圖6中漏電流互感器中的感應電流通過電阻R1，將信號轉換為毫伏級電壓信號，調節R1可以調整電流與電壓的比例關系，電容C1起高頻濾波作用，R2為放大器的輸入電阻，二極管起限幅作用，防止高壓損壞后面的放大電路，采用集成運放構成的同相比例放大電路將輸入回路與后面的測量電路隔離開來，放大器不從輸入回路中獲取電流，從而減少對輸入回路（互感器）的影響。R1和C1并聯對于互感器感應漏電流I構成低通濾波器，其傳輸函數可以表示為：

式中fp為該低通濾波器截止頻率。

當fp＝120 kHz；C1＝0.1μF時；R1≈13Ω。如果載波信號頻譜位于該低通濾波器通帶之內，則轉換后的漏電電壓信號將包含載波分量，再經后續放大、單片機AD采樣和計算有效值后的總漏電電流將有可能大于漏電保護器動作電流，從而引發漏電保護器跳閘。

上述可知在相線存在對地電容的情況下，電力線載波信號能產生一定的對地漏電流，并且其隨對地等效電容、載波信號振幅和頻率的增大而增大。另外，當載波信號頻譜位于感應漏電流信號處理電路中低通濾波器通帶范圍內，就有可能導致漏電保護器誤跳閘。

5 實驗驗證

為了驗證電力線載波信號導致漏電保護器跳閘影響程度和漏電保護器的抗擾特點，搭建了模擬實驗系統，如圖7所示。

圖7 漏電保護器誤跳閘模擬實驗系統Fig.7 Simulation test system for the error tripping of leakage protector

圖中系統采用的設備，包括：隔離變壓器、人工阻抗網絡、漏電保護器、模擬負載、對地等效電容、信號發生器、功率放大器、耦合器、頻譜儀、漏電測試儀等。信號發生器可產生不同頻率的載波信號，通過功放把差模信號注入到電力線上，發送信號電平。隔離變壓器實現220 Vac電壓隔離和阻抗變換，變比1：1，功率1 kVA。模擬負載模擬現場家電負荷，功率12 kW。對地等效電容模擬線路和家電設備的對地電容，容值 12.2 nF。

實驗1：選取與現場同型號的DZ267L-32 C16、極性為2P的漏電保護器，驗證不同載波頻率和調制方式信號下漏電保護器是否跳閘。載波信號電平5 V，發送數據幀長度60 Byte，發送間隔3幀／秒。漏電保護器的跳閘現象，如表2。

從實驗數據來看，該漏電保護器剩余電流低通檢測回路的上限截止頻率約340 kHz。結合3.2節公式（8）在漏電保護器低通濾波通帶范圍內，載波頻率越高越容易造成漏電保護器誤跳閘，且與調制方式和負荷關系不大。也可知該漏電保護器產品的剩余電流低通檢測回路的上限截止頻率設計值不合適。

表2 不同載波頻率和調制方式下的漏電保護器跳閘差異Tab.2 Leakage protector tripping under different carrier frequencies and modulation modes

實驗2：在相同載波信號下，選取國外知名品牌與國內廠家同型號漏電保護器進行對比測試。載波信號：載波頻率120 kHz，信號電平5 V，發送幀長60 Byte。漏電保護器的跳閘現象見表3。

表3 相同載波信號下不同廠家漏電保護器跳閘差異Tab.3 Tripping difference between leakage protectors from different manufacturers under the same carrier signal

從實驗情況來看，國內漏電保護器產品的容易產生誤跳閘現象，國外品牌漏電保護器均未發現誤跳閘現象。可知，國內漏電保護器在抗擾度方面與國外品牌存在差距，有必要提升剩余電流檢測回路的濾波器設計指標。

6 結束語

論述了漏電保護器基本原理和電力線載波抄表現場誤跳閘現象，并結合低壓臺區線路和設備分布結構論述了電力線載波導致漏電保護器跳閘的機理、電力線載波通信導致的影響以及漏電保護器的抗擾特性。從而得知，現場選用的載波抄表模塊、漏電保護器種類、接入電力線的負載本身特性以及接入方式等均是引起誤跳閘的因素，而電力線載波信號是導致漏電保護器誤跳閘的重要因素之一。另外，漏電保護器是否誤跳閘也取決于漏電保護器的抗擾能力，其剩余電流低通濾波器的上限截止頻率越高越容易導致漏電保護器誤跳閘。

另外，通過實驗驗證了不同載波信號下對漏電保護器誤跳閘的影響以及相同載波信號下國內外不同廠商漏電保護器的抗擾性能差異。進一步驗證了改善載波信號帶外噪聲、縮短發送數據長度、降低發送電平等均可降低漏電保護器誤跳閘的可能，而提高漏電保護器的抗擾能力才是減少漏電保護器誤跳閘的較佳措施。本文可為載波通信現場誤跳閘現象分析、電力線載波通信產品和漏電保護器產品技術改進提供參考。