電熱水器內置漏電流檢測電路改進的試驗研究

黃智

廣東萬和新電氣股份有限公司 廣東佛山 528305

0 引言

隨著安全政策的調整和個人安全防護意識的日益提高，防漏電技術已經成為電熱水器技術發展的方向[1]。而內置漏電流檢測技術以其性價比高、漏電流報警值可選擇等優點，越來越多的應用于電熱水器上。目前內置漏電流檢測主要是依靠專用的漏電流檢測芯片來實現，通過預設漏電流閾值來檢測漏電流，但是專用芯片的一致性管控要求高且性價比低，導致檢測精度不高和抗干擾能力不強，易造成遺漏報警和誤觸發報警的情況，從而造成用戶使用時安全可靠性差，體驗性不好。所以漏報率（由于漏電流檢測電路檢測精度不高和抗干擾能力不強，容易遺漏報警的幾率）高和誤報率（由于漏電流檢測電路檢測精度不高和抗干擾能力不強，容易誤觸發報警的幾率）高是目前漏電流檢測電路普遍存在的問題。本文針對內置電流檢測電路存在的問題進行研究，提出了對應的解決方案。全新設計的方案使用分立元件搭建內置電流檢測電路，并通過增加漏電流閾值調節電路以提高檢測的精度，從而降低漏報警和誤報警的幾率，同時增加漏電流直流偏置電路來提高電路的抗干擾能力，降低漏報警和誤報警的幾率。隨后將全新設計電路應用在電熱水器控制器上，并進行試驗研究論證，結果表明，應用該電路可以提高電熱水器內置漏電流檢測電路的精度，同時可以提高電路的抗干擾能力，從而大幅度降低電熱水器漏電流檢測的漏報率和誤報率，提升了產品的性能和可靠性，滿足了用戶的需求。

1 漏電流檢測漏報警和誤報警的原因分析

1.1 漏電流檢測技術國內外發展歷程

漏電流產生的原因一部分是由于電器本身引起的，如器具中的基本絕緣損壞導致器具“漏電”[2]；而另一部分是由于部分安裝人員專業性不足的問題，存在一定幾率的L、N線反接問題，這種情況下，器具中N線會帶電，因而存在漏電的幾率[3]。在國外，從二十世紀五十年代起，陸續出現了電流動作型漏電保護電器，到六十年代后期發展日趨完善。而國內對漏電流保護技術的研究起步較晚，直到二十世紀七十年代中期才開始生產漏電流保護器。此后漏電流保護技術逐漸在我國發展普及，并逐漸應用于電熱水器產品上。

1.2 漏電流檢測漏報警和誤報警產生的原因

目前的內置漏電流檢測手段主要有兩種：一種是使用漏電流檢測專用芯片；另外一種是通過分立元件搭建的漏電流檢測電路。

使用專用芯片的方案由于芯片參數一致性難以管控，同時漏電流報警值無法調節，所以該方案可以改善的空間不大。而使用分立元件的方案，受分立元件的固有誤差影響和受交流信號數據采集完整性要求的影響，同樣會出現誤報率和漏報率高的問題。下面針對分立元件方案存在的問題進行具體的原因分析。

1.2.1 漏電流檢測電路中運放電路誤差產生的影響

在進行漏電流檢測時，采集的是通過零序電流互感器感應后并通過相應電路轉化后的感應電壓信號。由于感應電壓信號太微弱（毫伏級別），后續的單片機電路無法識別其變化，所以需要經過運算放大電路放大信號才能進行檢測。一般運放設計的放大倍數為幾十倍，這樣對應運算放大電路的元器件誤差也將放大，特別是運算放大器的失調電壓。

而選用的普通運算放大器的失調電壓也是毫伏級別的（與有用信號的量級相同），且正負電壓都存在失調。例如使用常規的LM358運算放大器，它的輸入失調電壓為±2 mV～±7 mV，那么經過后續的運放放大后（按30倍放大倍數計算），則它的輸出失調電壓為±60 mV～±210 mV。所以當這個輸出失調電壓疊加到放大后的有用信號上時，就會減小有用信號幅值，導致漏報警的情況發生，或者增大有用信號幅值導致誤報警的情況發生。

1.2.2 漏電流檢測電路采集數據不完整產生的影響

電熱水器進行漏電檢測保護時，核心部件是零序電流互感器，它是利用電磁感應原理工作的[4]。而互感器感應出來的是交流信號，后續的放大電路若直接進行放大處理，就會導致交流負半周部分的信號無法識別的情況發生（單片機端口只能識別正相信號）。當漏電流發生在交流負半周時，由于單片機的特性決定了無法識別“負值的交流信號”，這樣就出現了漏報警的情況。同時，當外界出現交流的干擾信號時，此時由于單片機的特性只能采集正半周的漏電流信號（含交流正相的干擾信號），而無法采集到負半周的漏電流信號（含交流負相的干擾信號），從而導致誤報警的情況發生（由于采集數據不完整）。

2 降低漏電流檢測漏報率和誤報率的方法

從以上分析的漏電流檢測漏報警和誤報警的原因可知，可以采用如下三種途徑來降低漏報率和誤報率。

2.1 增加漏電流調節電路，對異常的漏電流報警值進行校準

針對漏電流檢測電路元器件誤差引起的漏報警和誤報警問題，可以通過增加全新設計的漏電流報警值調節電路來解決，以降低漏報率和誤報率，具體步驟如下：

第一步：利用精度更高的、失調電壓（mV級別）更小的運放電路進行測量，編制出標準的漏電流和單片機采樣AD值（調節檔位）對照表；

第二步：對批量生產的漏電流保護電路進行校準：當元器件誤差導致實際漏電流報警值比設置的初始漏電流報警值偏大時才報警（漏報警）時，則通過顯示控制器調小漏電流報警值對應的AD采樣值（調小檔位）；當元器件誤差導致實際漏電流報警值比設置的初始漏電流報警值偏小時就報警（誤報警）時，則通過顯示控制器調大漏電流報警值對應的AD采樣值（調大檔位）。具體的實現方法及對應的電路原理圖，如圖1所示。

圖1 漏電流檢測調節電路原理圖

從圖1可知，該檢測調節電路主要由兩部分組成：一部分是漏電流檢測電路，主要由零序電流互感器JD1、感應電流采樣電阻R1、運算放大器U1和對應的分壓電阻R5和R6、單片機和顯示控制器組成[5]。圖1中的運算放大器U1，在進行漏電流與單片機調節漏電流檔位對照測試時，需要選用高精度運算放大器，比如：SGM8581，失調電壓可以做到≤100 μV，然后把測試的對照表存入單片機中。當進行批量生產時，則換為普通的LM358即可滿足使用要求。另一部分是漏電流調節電路，主要由工頻變壓器（輸出信號線需要穿過零序互感器JD1）、帶通斷的可調電阻器和電流表組成。當批量生產時，出現了誤報警（實際漏電流報警值＜設置漏電流報警值）或漏報警（實際漏電流報警值＞設置漏電流報警值）時，則通過顯示控制器對漏電流報警值進行修正（使用存于單片機中的檔位調節表），隨后再通過工頻變壓器配合可調電阻器測試確認（調節完成后，必須要斷開可調電阻器），即可保證漏電流報警值在設置的范圍內，從而達到消除由于元器件誤差引起的漏報警和誤報警的目的。

2.2 增加直流偏置電路，提高電路抗干擾能力

針對單片機只能采集交流漏電流正半周信號，導致交流漏電流信號受到干擾時，容易出現誤報警和漏報警情況，全新設計了帶直流偏置的漏電流檢測電路來提高抗干擾的能力，以降低漏報率和誤報率，具體電路原理圖，如圖2所示。

圖2 帶直流偏置的漏電流檢測電路原理圖

從圖2可知，該電路是在原漏電流檢測電路基礎上，增加了由電阻R2、電阻R3、電阻R4、二極管D1和濾波電容C1組成的直流偏置電路。直流偏置電壓是由D1的正向壓降來提供，當+12 V電源通過R4再通過D1到GND時，正向壓降UD1是基本穩定不變的。此時，輸入到運算放大器U1的電壓信號Ui就由兩部分疊加而成（Ui=Ui1+Ui2）：其一是直流偏置電壓Ui1（恒定值），該電壓由UD1通過R3、R2和R1分壓得到（Ui1=UD1×[（R1+R2）/（R1+R2+R3）]）；其二是通過零序互感器感應出來的交流漏電流信號，并通過R1采樣電阻轉化后的交流漏電壓信號Ui2。那么Vi電壓信號經過運算放大器信號放大后得到的Uo（Uo=Ui×（1+R6/R5））也由兩部分疊加而成（Uo=Uo1+Uo2），這樣放大后的交流漏電壓信號Uo2就被放大后的直流偏置電壓信號Uo1（恒定值）整體抬高了，只要選擇合適的R2和R3分壓電阻值，就可以把Uo2電壓信號整體抬高至合適的正電壓范圍，這樣后端的單片機就可以對漏電流信號進行完整的采集，從而提高了電路的抗干擾能力。增加直流偏置電路前后的輸出電壓波形對比圖，如圖3所示。

圖3 增加直流偏置電路前后的輸出電壓波形對比圖

2.3 帶直流偏置且有漏電流調節功能的電路，增加抗干擾能力和漏電流調節能力

為了進一步降低漏電流檢測的漏報率和誤報率，全新設計了帶直流偏置電路且有漏電流調節功能的電路，具體的電路原理圖，如圖4所示。

圖4 帶直流偏置的漏電流檢測調節電路原理圖

從圖4可知，該電路結合了2.1章節和2.2章節的優點，組成了帶直流偏置的且可以調節漏電流報警值的漏電流檢測電路。這樣既可以采集漏電流的全部波形數據，提高抗干擾能力，同時又可以消除元器件誤差來提高檢測的精度。從而大幅度的降低內置漏電流檢測的漏報率和誤報率。

3 漏電流檢測電路改善后的測試驗證

為驗證漏電流檢測電路改善前后的實際效果，選取了某款電熱水器控制器進行了測試。該測試主要從以下兩個方面進行。

3.1 增加漏電流調節電路后測試數據

該試驗選用圖1所示的帶漏電流檢測調節電路的電熱水器控制器來進行測試。由于家庭生活用電使用的漏電保護器是為了防止人身觸電，所選用漏電流報警值一般在30 mA（高靈敏度）以下，所以本次測試設置的漏電流報警值為20 mA±5 mA（15 mA～25mA）。隨后選取一定數量的熱水器控制器，對增加調節電路后的漏電流檢測電路進行漏電流測試。漏電流測試的方法是使用漏電流調節電路中的工頻變壓器電壓轉換后配合調節可調電阻器來模擬漏電流故障信號，當通過電流表讀出的漏電流報警值不在設定的范圍內時（15 mA～25 mA），則挑選出來。本次測試挑選了10組異常數據，隨后按照2.1章節的方法對異常漏電流報警值的控制器進行了校準，具體結果如表1所示。

表1 漏電流測試數據表

通過表1可知，增加漏電流調節電路后，可以對測試到異常的漏電流報警值（產生誤報警和漏報警的原因）進行校準，把異常的漏電流報警值調回至正常值，從而驗證了“帶漏電流調節功能的漏電流檢測電路”可以大幅度降低漏電流檢測的漏報率和誤報率的可行性。

3.2 增加直流偏置電路前后抗干擾性能對比

該試驗選用圖2所示的帶直流偏置的漏電流檢測電路的電熱水器控制器來進行測試。測試的內容是對增加了直流偏置電路前后的控制器進行抗干擾測試（群脈沖EFT和傳導抗騷擾測試CS）對比，具體的測試結果如表2所示（10套控制器的測試數據）。

表2 抗干擾測試對比數據表

通過表2的試驗結果的對比，增加直流偏置電路后，EFT和CS的抗干擾能力都獲得了提高，從而減少了在外界強干擾情況下漏報警和誤報警情況的發生。從而驗證了“帶直流偏置的漏電流檢測電路”可以大幅度降低漏電流檢測的漏報率和誤報率的可行性。

4 結論

通過以上試驗證明，增加漏電流閾值調節電路，可以對電熱水器控制器的漏電流異常閾值進行校準，減少漏報警和誤報警的情況發生，從而提高電路的檢測精度。同時增加漏電流直流偏置電路，可以提高電路的抗干擾能力，也可以減少漏報警和誤報警的情況發生。全新設計的電路與以前的電路相比，在檢測精度上（可以對異常的漏電流閾值進行全面的校準）和抗干擾能力（EFT抗干擾能力提高到了4000 V，CS抗干擾能力提高到了10 V）上都有了較大的提高，從而解決了原電熱水器控制器內置漏電流檢測漏報率和誤報率高的問題。但是全新設計的電路還是存在漏電流閾值調節精度不高（mA級別）以及直流偏置電路中直流偏置點容易偏移的問題。所以后續在電路上需要提高漏電流閾值的調節精度（μA級別）和直流偏置電路中直流偏置點的穩定性，從而進一步降低電熱水器內置漏電流檢測的漏報率和誤報率，以提升電熱水器的安全性和可靠性，滿足用戶的需求。