剩余電流波形發生裝置的設計

陳作開，許志紅

(福州大學電氣工程與自動化學院，福建省新能源發電與電能變換重點實驗室，福建 福州 350108)

0 引言

剩余電流保護對提高用電系統的安全性及可靠性具有重要作用，國內相關學者普遍是針對某些類型的剩余電流信號展開研究，得到針對該類型剩余電流的保護方法.但局部地區電力運行環境較為惡劣，且由于負載的差異性，產生的剩余電流種類也不盡相同，波形趨于多樣化、復雜化.在剩余電流保護裝置(residual current device, RCD)的動作特性試驗中，尤其是B型剩余電流保護電器，需要多種剩余電流信號測試其性能，如何產生該類剩余電流保護器動作特性測試所需的多種電流波形是目前研究的熱點.

在剩余電流檢測方面，文獻[1]針對電壓型磁調制式剩余電流傳感器，搭建其動態勵磁電流變化過程模型，為設計電壓型磁調制式剩余電流互感器提供依據.文獻[2]設計一種磁調制式交直流敏感型剩余電流保護器，通過采用有效值補償的方法提高檢測精度，實驗表明該剩余電流保護器滿足標準要求，能實現對交直流剩余電流的保護.RCD的動作特性測試主要檢驗剩余電流保護電器動作可靠性，需要結合相關測試儀器對產品的性能進行檢驗[3]，眾多學者對此展開研究.文獻[4]以直接數字頻率合成技術為基礎，由現場可編程門陣列實現多通道任意波形的產生.文獻[5]搭建OCL推挽功率放大電路，通過理論分析并設計硬件電路，設計的功率放大電路滿足要求，最終能夠得到電流信號，具有一定的應用前景.文獻[6]根據信號特性設計功率放大電路從而獲得復合波，能夠滿足剩余電流保護器對某類波形的測試要求.文獻[7]設計一種用于檢測B型剩余電流保護器動作特性的測試儀器，可產生多種電流信號滿足現階段所有類型剩余電流保護器的測試.文獻[8-9]基于數字直接頻率合成原理，設計一款B型剩余電流動作特性測試裝置，輸出電流能夠滿足現階段對RCD的檢測要求.在剩余電流保護領域，除了探討在復雜波形條件下的剩余電流檢測技術以外，對剩余電流動作特性測試方法也需展開研究.

本研究基于故障波形數據庫，設計一套剩余電流波形發生裝置，目的是產生多種波形條件下的電流信號用于剩余電流保護器的動作特性測試.利用LabVIEW作為上位機軟件進行平臺開發，將波形還原應用到剩余電流保護領域，目標波形通過上位機操作界面直接以模擬量的形式輸出，設計信號隔離和功率放大電路，通過聯合仿真驗證方案的可行性.以FFT和THD值作為波形還原評價指標，通過實驗進一步驗證方案的可行性，裝置能夠輸出多種波形條件下的剩余電流，能夠用于剩余電流保護器的動作特性測試.此外，在一些高成本、難以重復操作的實驗例如生物觸電實驗中，具有較好的可替代性和實用性，為研發新一代具有防人身觸電保護功能的RCD提供測試信號，對改善剩余電流保護器性能，提高用電安全性具有現實意義.

1 裝置整體設計

剩余電流波形發生裝置整體設計方案如圖1所示，整體操作流程可在LabVIEW上位機完成.基于剩余電流波形數據庫，選取目標波形并截取所需輸出波形，結合數據采集卡內部的AO功能，將波形數據文件轉換成模擬量輸出.經過信號隔離和功率放大模塊最終輸出目標電流，將還原的電流信號連接至RCD以測試其動作特性.最后，將還原波形與原始波形作相關特征分析，衡量波形還原的效果.

為了檢驗方案的可行性，需要結合LabVIEW與Multisim軟件對各硬件電路進行聯合仿真[10].在Multisim軟件中搭建信號隔離和功率放大電路，LabVIEW上位機調用Multisim仿真電路，讀取剩余電流波形數據文件并以模擬量的形式輸出，作為仿真電路的外部激勵信號源.同時，仿真電路實時響應，還原的波形數據在控件與仿真循環模塊中上傳到LabVIEW上位機界面.對其進行還原度分析，驗證其各項指標是否滿足設計要求，從而實現聯合仿真過程.

2 剩余電流波形發生裝置

2.1 剩余電流波形數據庫

在低壓配電系統中，日常所用電器產生的剩余電流主要是工頻交流信號.但是在一些變頻或者是高頻設備應用場合，隨著各種新型電器產品的大規模應用，配電網中的剩余電流類型愈發復雜，已由單一的工頻正弦信號過渡為交流、脈動直流以及平滑直流疊加而成的復雜剩余電流信號，產生的剩余電流信號頻率有所差異[11].圖2中波形①～⑧為國標[12]列舉的幾種典型剩余電流信號.所以，設計的剩余電流發生裝置能夠準確輸出以上幾種電流信號，對生物觸電電流信號也能準確還原輸出，為研發新一代RCD提供測試平臺.

圖2 典型剩余電流波形Fig.2 Typical residual current waveforms

2.2 信號隔離電路

信號隔離電路是裝置的一部分，設計該電路目的是切斷控制側和輸出側的地回路，完成信號的電氣隔離以免外部強電對采集卡的沖擊而造成永久性損壞.剩余電流波形發生裝置包括上位機波形輸出界面和硬件電路.硬件部分主要由信號隔離和功率放大兩部分組成.信號隔離電路原理圖如圖3所示.

圖3 信號隔離電路Fig.3 Signal isolation circuit

選用雙光電二極管結構的線性光耦進行電路設計，光耦輸出兩部分電流，分別為反饋電流與輸出電流.前者經過I1-U1反饋電路將電壓信號反饋回輸入端，減少信號失真提高電路線性度. 后者經過I2-U2輸出電路將電壓信號輸出到同相比例放大電路實現輸出信號增益調節.由運放的工作特性以及雙極性光耦HCNR201的傳輸特性，可計算電路的傳輸增益A0. 通過調節電阻參數，將A0設置為1，達到只隔離不放大的效果.A0的表達式如下：

(1)

由上式可見，信號隔離電路的輸出與輸入信號呈線性關系，且輸出增益可調.其與各個電阻參數相關，可根據電路要求設計器件參數，調節電阻值使電路增益A0為1，完成信號隔離的目的.

2.3 功率放大電路

圖3中Uout為經過隔離的目標信號，無法驅動負載產生所需電流.為了使該模擬量信號具有帶載能力，需要對其進行功率放大，功率放大電路如圖4所示.剩余電流保護電器動作特性測試對目標電流信號具有精度要求，要求輸出電流滿足設計要求.

圖4 功率放大電路Fig.4 Power amplifier circuit

使用線性功率放大器中失真度低和轉換效率高的甲乙類OCL功率放大器[13]，為了使Q3、Q4可靠導通，功率放大電路采用了兩級結構.Uin為經過隔離電路的信號源，信號經過運放U1完成比例放大，U2對輸入信號及由負載側的反饋信號進行差分放大，其中R6、R7、R8和R9共同組成偏置電路，其中R7、R8的壓降作為三極管Q1、Q2的偏置電壓使其進入導通狀態，R12和R13同樣作為偏置電阻為下一級功率三極管Q3、Q4提供偏置電壓使其處于微導通狀態，消除交越失真[14]，U3為反饋電路，以負載電阻電壓信號為反饋量，能有效抑制波形失真，穩定工作點以減少漂移.功率放大電路輸出電壓為Uo，負載RL=RL1+RL2，輸出功率為Po，有：

功率三極管管壓降：

VCE(t)=VCC-Uosinωt

(2)

負載瞬時電流：

(3)

負載RL功率：

(4)

其中，Uo=VCC-VCES，當忽略三極管管壓降時，Uo≈VCC，以此估算最大輸出功率. 由于功率三極管Q3和Q4在一個周期內交替導通，工作時間為半個周期，則：

三極管管耗：

(5)

由于VCC與RL為定值，VCC取15 V，功率管管耗PQ只與輸出電壓大小有關，功率管管耗最大值PQ, max由輸出電壓Uo決定，輸出電壓Uo幅值在VCC以內，還原的電流信號其有效值基本在三極管的工作范圍以內，有：

三極管管耗為：

(6)

在該功放電路中，功率管Q3、Q4選用對管2N3055和MJD2955，其電氣典型參數為15 A、50 V、115 W，兩者結構對稱且參數一致使得工作點穩定；Q1和Q2組成的前級驅動電路能夠直接使其進入微導通狀態，共同組成最后一級的功率放大電路，能夠向外部負載電阻提供足夠的信號功率，最終輸出目標電流信號.

3 聯合仿真

3.1 LabVIEW與Multisim聯合仿真設置

圖5 聯合仿真原理圖Fig.5 Co-simulation schematic

為了驗證剩余電流波形還原裝置設計方案的可行性，需要結合LabVIEW上位機程序與Multisim搭建的隔離功放電路進行聯合仿真，仿真原理圖如圖5所示.在Multisim軟件搭建信號隔離與功率放大電路，LabVIEW上位機控制部分則是輸出原始波形信號作為信號隔離與功率放大仿真電路的激勵源.數據交互端口是Io1和Io2，分別是上位機模擬量輸出端口和功放電路還原輸出電流信號采集端口.在LabVIEW軟件的控件與仿真循環模塊下，以設置的仿真時長、步長和采樣率等信息，調用Multisim仿真電路進行電路仿真.兩個軟件在每個仿真步長內交互數據，上位機同時顯示原始波形和仿真輸出波形，以傅里葉分析作為衡量仿真輸出波形的指標，將原始信號與仿真還原輸出電流信號進行對比，最終驗證方案的可行性.

3.2 典型剩余電流仿真分析

選取90°脈動直流剩余電流信號和一組動物觸電信號對本方案進行驗證, 90°脈動直流信號仿真結果如圖6所示.該類漏電信號多見于電力電子整流設備中，所含諧波分量較大，黑色信號為原始信號，作為仿真電路外部激勵源，紅色虛線為裝置還原輸出電流，從時域上看波形重合度高，整體還原效果較好，即使在電流變化率較大的區域如10 ms處也不存在失真或畸變現象.

對還原前后的信號進行FFT分解，所得結果如圖7所示，諧波含量較大故分解到3 kHz，信號還原前后各頻率節點下都具有較好的跟隨性，不存在頻段丟失的現象，信號在時頻域都有較好的輸出效果.

圖6 90°脈動直流信號與仿真輸出信號Fig.6 90° pulsating DC signal and simulation output signal

圖7 90°脈動直流信號FFT分析Fig.7 FFT analysis of 90° pulsating DC signal

3.3 生物觸電電流仿真結果

以下為動物觸電信號仿真, 結果如圖8、圖9所示.該類信號難以設計對應的硬件電路進行還原輸出，除了進行觸電實驗以外難以獲取且實驗成本高.本研究提出的波形還原輸出則可提供較好的解決方案.

圖8中，黑色信號為動物觸電原始電流信號，幅值隨時間呈不規律變化，具有較大的隨機性.紅色信號為經過聯合仿真該裝置還原輸出電流，即使在電流畸變較為嚴重的區域如紅圈標記部分.電流變化率也能準確地跟隨原始信號，波形重合度高.觀察仿真輸出電流過零前后，從側面反映該功率放大電路不存在交越失真.從圖9的FFT分解結果看，信號幅值集中在低頻，主要為工頻信號，含有3次、5次等諧波分量但含量較少，各頻率節點下都具有較好的跟隨性，仿真結果滿足設計要求.

圖8 原始觸電信號與仿真輸出信號Fig.8 Original electric shock signal and simulation output signal

圖9 原始觸電信號FFT分析Fig.9 FFT analysis of original electric shock signal

4 實驗驗證

4.1 實驗裝置

根據方案設計并調試硬件電路，結合上位機操作界面對上述實驗進行驗證，選取典型的交直流剩余電流和動物觸電信號對本方案進行驗證，以FFT和THD值等指標衡量波形還原輸出效果.剩余電流波形發生裝置的硬件電路如圖10所示，包括電源、信號隔離電路及功率放大電路.剩余電流保護電器需要進行多種波形條件下的動作特性試驗以檢驗其性能，所以對該裝置的設計要求是能夠輸出國標列舉的典型剩余電流波形且電流幅值可調.

圖10 裝置硬件部分Fig.10 Restoration device

4.2 典型剩余電流

裝置的波形還原輸出部分基于LabVIEW上位機操作界面，將波形數據文件以模擬量的形式輸出，經過信號隔離和功率放大最終達到準確還原輸出的目的，輸出的剩余電流信號最終用于測試RCD的動作特性.90°脈動直流剩余電流信號的實驗結果如圖11所示，由圖可知，輸出電流波形還原精度高，整體上不存在失真.頻譜分析結果如圖12所示.從圖中可得，各頻率節點整體跟隨性良好，不存在頻譜丟失現象.

4.3 生物觸電電流

動物觸電信號實驗結果如圖13、圖14所示.圖13中黃色信號為原始觸電電流波形，紅色信號為該裝置還原輸出的觸電電流信號，圖14為兩者的FFT分析結果.在電流波形畸變較為嚴重的區域如紅圈標記部分，還原效果較好，從輸出電流的過零點可知電路不存在交越失真現象.結合圖14的信號頻譜，在低頻區域不存在頻段丟失的情況，各頻率節點下具有較好的跟隨性，輸出信號滿足設計要求.目前該裝置輸出電流幅值可達2A且大小可調，通過上位機操作平臺就可達到控制輸出電流類型及大小的目的，能夠輸出復雜波形條件下的交直流剩余電流信號以及生物觸電信號，為研發新一代具有生物觸電保護功能的剩余電流保護器提供測試信號.

圖11 90°脈動直流信號與還原信號Fig.11 90° pulsating DC signal and restored signal

圖12 兩90°脈動直流信號FFT分析 Fig12 FFT analysis of two 90° pulsating DC signals

圖13 原始觸電信號與還原信號Fig.13 Original electric shocksignal and restored signal

圖14 兩觸電信號FFT分析Fig.14 FFT analysis of two electric shock signals

4.4 還原度分析

時頻分析方法在非平穩信號分析中得到越來越多的應用[15]，據此對幾種典型剩余電流信號和觸電信號進行總諧波失真度分析，將所得的THD結果作誤差對比，結果如表1所示.

表1 信號輸出前后THD值對比

實驗結果表明，剩余電流波形發生裝置能夠高度還原數據庫的波形，時域和頻域特性也能夠較好的體現.在時域上不存在波形畸變現象，即使是在波形畸變較為嚴重、變化率較大的區域，輸出電流信號也不會出現振蕩或者是交越失真現象；在頻域上不會存在頻段丟失.通過計算信號還原前后的THD值，所測試的多組數據都在2%以內，相對誤差較小，裝置的整體性能滿足設計要求，輸出電流信號能用于開關測試.

5 結語

基于故障波形數據庫設計一套剩余電流波形發生裝置，基于信號特性設計信號隔離和功率放大電路，通過聯合仿真驗證該方案的可行性.完成硬件電路的調試，結合上位機操作界面，對多種剩余電流波形進行實驗驗證，選取信號FFT變換結果和THD值作為衡量信號還原輸出指標.結果表明，輸出電流信號在時域具有較高還原度，各頻率節點下都具有較好的跟隨性，信號還原前后其THD誤差在2%以內.目前該裝置設置的輸出電流幅值在2 A以內，所得結果滿足測試要求.設計的剩余電流動作特性測試方法，能夠為B型(全電流敏感型)剩余電流保護器的動作特性測試提供測試信號.此外，該方案在一些難以重復操作的實驗，例如觸電實驗中，具有較好的應用前景，能夠為研發新型的、具有防人身觸電保護的剩余電流保護電器提供測試信號，對提高低壓配網用電的安全性、可靠性具有實際意義.