低壓電力線通信導(dǎo)致漏電保護(hù)器誤跳閘問(wèn)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N通信技術(shù)，是一種連接到千家萬(wàn)戶電表、未被充分開(kāi)發(fā)利用的通信信道資源［1］。近幾年，為貫徹落實(shí)國(guó)家階梯電價(jià)政策，加快智能電網(wǎng)建設(shè)，電力行業(yè)全面開(kāi)展了電力用戶用電信息采集系統(tǒng)建設(shè)［2］。低壓電力線載波通信已成為當(dāng)前用電信息采集系統(tǒng)通信的主要手段，用于實(shí)現(xiàn)居民用戶到配電變壓器之間的通信，完成用戶電表數(shù)據(jù)采集和費(fèi)控等功能應(yīng)用［3-4］。

但隨著用電信息采集系統(tǒng)逐漸投入運(yùn)行以后，國(guó)內(nèi)部分區(qū)域的電力線載波集中抄表系統(tǒng)在載波通信過(guò)程中出現(xiàn)了一定程度的漏電保護(hù)器誤跳閘現(xiàn)象。文獻(xiàn)［5］通過(guò)火線對(duì)地耦合電容的模擬測(cè)試以及對(duì)漏電保護(hù)器工作機(jī)理的分析，發(fā)現(xiàn)了電力線載波信號(hào)在強(qiáng)度高于一定閾值時(shí)可能會(huì)引起漏電保護(hù)器動(dòng)作。文獻(xiàn)［6］為了弄清載波通信在什么條件下可導(dǎo)致漏電保護(hù)器誤判跳閘，根據(jù)電磁兼容相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和漏電保護(hù)器相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，研究構(gòu)建了載波通信對(duì)漏電保護(hù)器電磁兼容性試驗(yàn)系統(tǒng)。

從已有文獻(xiàn)來(lái)看，認(rèn)為載波通信是導(dǎo)致漏電保護(hù)器誤跳閘的直接原因，并做了定性分析和實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證，但忽略了漏電保護(hù)器的性能差異和用電環(huán)境影響等因素。文章首先論述了漏電保護(hù)器跳閘機(jī)理，并對(duì)河北保定某小區(qū)誤跳閘現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量和測(cè)試分析，然后結(jié)合小區(qū)用電環(huán)境從載波通信原理及影響量、漏電保護(hù)器抗擾性兩方面得出了漏電保護(hù)器誤跳閘是由漏電保護(hù)器設(shè)計(jì)性能、載波信號(hào)、電纜及負(fù)荷、電網(wǎng)噪聲等多個(gè)方面造成的，其中漏電保護(hù)器的抗擾能力不足是導(dǎo)致其誤跳閘的重要因素。

1 漏電保護(hù)器原理

漏電保護(hù)器，又稱剩余電流動(dòng)作保護(hù)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(shè)備接地故障引起電氣火災(zāi)和電氣設(shè)備損壞事故的技術(shù)措施［7-9］。按照國(guó)標(biāo)GB 13955-2005的5.3節(jié)，要求單相 220 V電源供電的電氣設(shè)備應(yīng)優(yōu)先選用二極二線式漏電保護(hù)器，且手持式電動(dòng)工具、移動(dòng)電器、家用電器等設(shè)備應(yīng)優(yōu)先選用額定剩余動(dòng)作電流不大于30 mA，一般型（無(wú)延時(shí)）的漏電保護(hù)器。

單相電子式漏電保護(hù)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(hào)檢測(cè)放大及執(zhí)行部分組成。正常情況下，低壓電網(wǎng)相線對(duì)地漏電電流較小，達(dá)不到漏電保護(hù)器的動(dòng)作值，因此漏電保護(hù)器不會(huì)動(dòng)作。當(dāng)被保護(hù)低壓電網(wǎng)內(nèi)發(fā)生漏電或人身觸電等事故時(shí)，通過(guò)漏電保護(hù)器檢測(cè)元件的電流達(dá)到動(dòng)作電流值時(shí)，這時(shí)漏電保護(hù)器就會(huì)發(fā)出跳閘指令，使其所控制的電路斷開(kāi)。

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

漏電保護(hù)器采樣剩余電流i0、火線電流iL、零線電流iN間關(guān)系為：

式中K為漏電保護(hù)器的放大倍數(shù)。

另外，考慮到人體接地觸電承受時(shí)間影響，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)性技術(shù)文件GB／Z 6829-2008的5.4.12節(jié)，對(duì)一般型（無(wú)延時(shí)）的保護(hù)時(shí)間做了要求，滿足額定剩余動(dòng)作電流情況下的最大動(dòng)作實(shí)現(xiàn)不超過(guò)0.3 s，并隨著剩余電流增大做反時(shí)限保護(hù)。

漏電保護(hù)器跳閘判據(jù)：

式中I△n是額定剩余動(dòng)作電流值，k是I△n的系數(shù)，T為剩余動(dòng)作電流不同范圍下的設(shè)定時(shí)間值，且隨著I△n增大而減小。

2 誤跳閘現(xiàn)場(chǎng)及測(cè)試分析

在保定市某低壓電力線抄表小區(qū)，用戶數(shù)268戶，更換為載波智能電表后，部分用戶的漏電保護(hù)器出現(xiàn)頻繁誤跳閘現(xiàn)象。從現(xiàn)場(chǎng)反應(yīng)的情況來(lái)看，當(dāng)集中器不工作時(shí)，漏電保護(hù)器無(wú)動(dòng)作，當(dāng)集中器正常運(yùn)行10 s后即有部分用戶誤跳閘，初步判定漏電保護(hù)器誤跳閘與載波收發(fā)有關(guān)系。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)考察可知小區(qū)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(hù)器廠家為國(guó)內(nèi)某品牌，其額定電流為16 A，漏電保護(hù)電流IN為30 mA，動(dòng)作時(shí)間t≤0.1 s。采用的載波通信產(chǎn)品的載波頻率頻120 kHz，調(diào)制方式BPSK，通信速率500 bps，動(dòng)態(tài)路由組網(wǎng)。用戶現(xiàn)場(chǎng)的家用電器相對(duì)較多（電冰箱、微波爐、電烤箱、抽油煙機(jī)、電熱水器等），家中布線復(fù)雜，導(dǎo)致相線對(duì)地的分布電容比較大?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的電參數(shù)和載波信道數(shù)據(jù)，見(jiàn)表1。

表1 小區(qū)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.1 Testing data obtained from residential areas

測(cè)得載波信號(hào)未發(fā)送時(shí)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(wú)明顯的異常噪音，確定環(huán)境噪聲對(duì)跳閘影響不大。

圖2 載波未發(fā)送時(shí)信道噪聲頻譜Fig.2 Noise spectrum without the carrier signal

測(cè)得載波信號(hào)發(fā)送時(shí)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(xù)發(fā)送載波數(shù)據(jù)幀，120 kHz載波信號(hào)明顯，幅值約130 dBμV，出現(xiàn)漏電保護(hù)器跳閘現(xiàn)象。

圖3 載波發(fā)送時(shí)電力線信道噪聲頻譜Fig.3 Noise spectrum with the carrier signal

載波數(shù)據(jù)連續(xù)發(fā)送時(shí)漏電流出現(xiàn)明顯的增加（約26 mA），導(dǎo)致在抄表的過(guò)程中，漏電保護(hù)器偶爾出現(xiàn)跳閘現(xiàn)象，進(jìn)一步驗(yàn)證了誤跳閘與載波通信有關(guān)。另外，測(cè)得家用電器的電源濾波電路中相線對(duì)地和零線對(duì)地有220 nF左右（f0＝120 kHz）的等效Y電容，多種電器同時(shí)接入電力線中，相當(dāng)多個(gè)等效Y電容并聯(lián)，增大了相線對(duì)地的等效電容。

3 PLC信號(hào)導(dǎo)致跳閘機(jī)理及影響量

3.1 電力線載波通信導(dǎo)致誤跳閘機(jī)理

以保定某誤跳閘小區(qū)為例，其低壓抄表臺(tái)區(qū)用戶線路和負(fù)荷對(duì)地泄漏電流形成圖，如圖4所示。臺(tái)區(qū)可分為配電室、戶外、戶內(nèi)三段，戶外非架空線路零線多采取多點(diǎn)接地，考慮到安全性要求戶內(nèi)或電表后端安裝漏電保護(hù)器。在居民用戶家中，家用電器和較長(zhǎng)距離電源走線會(huì)對(duì)地產(chǎn)生等效耦合電容，造成對(duì)地電流泄漏。

圖4 臺(tái)區(qū)載波信號(hào)泄漏電流回路Fig.4 Signal leakage current loop of residential areas

圖中C1為家用電器產(chǎn)生的等效電容；C2為電源線對(duì)地產(chǎn)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(duì)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(hào)iC等線路對(duì)地漏電流。

若漏電流大于零且小于漏電保護(hù)器漏電動(dòng)作電流值i0時(shí)，即判據(jù)0＜iR＜i0，漏電保護(hù)器不動(dòng)作。

若漏電流大于漏電保護(hù)器漏電動(dòng)作電流值時(shí)，即判據(jù)iR＞i0，滿足一定時(shí)間要求時(shí)，漏電保護(hù)器跳閘。

從式（1）來(lái)看，導(dǎo)致漏電保護(hù)器保護(hù)剩余電流增大是多因素的，電力線載波通信信號(hào)僅是導(dǎo)致漏電保護(hù)器誤跳閘原因之一。

3.2 PLC信號(hào)漏電流影響量分析

首先計(jì)算載波信號(hào)在線路和地之間產(chǎn)生的漏電流。考慮到BPSK調(diào)制方式在電力線通信技術(shù)中較多且抗干擾性強(qiáng)，因此選擇BPSK調(diào)制信號(hào)作為分析對(duì)象。

BPSK載波電壓信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式［10-11］：

式中｛an｝為雙極性二進(jìn)制數(shù)字序列，an取值為±1；Tb為二進(jìn)制符號(hào)間隔；gT是脈寬為Tb的單個(gè)矩形脈沖；ωc是調(diào)制載波角頻率；A為電壓信號(hào)振幅。

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

式中C為單相火線對(duì)地等效電容。

式（4）可看成分段函數(shù)，把式（4）帶入式（5）求導(dǎo)可得：

對(duì)于漏電流的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)都是以有效值來(lái)定義的，因此漏電流大小的測(cè)量采用交流信號(hào)有效值的測(cè)量方法，計(jì)算公式如下：

式中T為漏電保護(hù)器漏電流采樣計(jì)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(jì)算周期內(nèi)余弦積分為零（漏電流采樣周期通常為工頻周期，即20 ms，而B(niǎo)PSK載波信號(hào)頻率通常為數(shù)十至數(shù)百kHz）。

若取單相火線對(duì)地等效電容C為10 nF，BPSK載波信號(hào)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(hào)因?qū)Φ仉娙莓a(chǎn)生的對(duì)地漏電流約為16 mA。按DL／T 698標(biāo)準(zhǔn)載波通信設(shè)備的最大輸出信號(hào)電平不大于134 dBμV，若對(duì)應(yīng)載波信號(hào)峰值約為5 V，這樣在上述條件下便能產(chǎn)生約26.6 mA漏電流，已接近額定漏電動(dòng)作電流為30 mA及以下的高靈敏度型漏電保護(hù)器的動(dòng)作門限。而現(xiàn)場(chǎng)相線存在對(duì)地電容為12 nF，載波信號(hào)電平為130 dBμV，在漏電保護(hù)器抗擾性較差的情況下，載波信號(hào)對(duì)地漏電流與系統(tǒng)中工頻、噪聲等導(dǎo)致的泄露電流疊加在一起完全可超過(guò)漏電保護(hù)器的動(dòng)作電流門限。因此，在火線對(duì)地電容較大情況下，載波信號(hào)理論上是可能導(dǎo)致漏電保護(hù)器誤跳閘的。

4 漏電保護(hù)器抗擾性分析

雖然從理論上大致計(jì)算載波信號(hào)產(chǎn)生的漏電流可能達(dá)到漏電保護(hù)器的動(dòng)作電流門限，并不意味著一定會(huì)觸發(fā)漏電保護(hù)器動(dòng)作，這還要看其對(duì)漏電流信號(hào)的處理方式。

如圖5所示，對(duì)普遍采用的是電子式漏電保護(hù)器，其一般由三個(gè)基本環(huán)節(jié)組成，即檢測(cè)元件、中間環(huán)節(jié)和執(zhí)行單元。

圖5 電子式漏電保護(hù)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(zhuǎn)化成小電流信號(hào)（mA級(jí)），經(jīng)低通濾波并轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)后再通過(guò)運(yùn)算放大器和單片機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)漏電信號(hào)進(jìn)行處理和動(dòng)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(nèi)，則經(jīng)過(guò)電壓轉(zhuǎn)化、放大以及單片機(jī)采樣計(jì)算之后其產(chǎn)生的漏電電流將納入系統(tǒng)漏電流；反之則不包括載波產(chǎn)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(gè)定量的計(jì)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(yīng)電流通過(guò)電阻R1，將信號(hào)轉(zhuǎn)換為毫伏級(jí)電壓信號(hào)，調(diào)節(jié)R1可以調(diào)整電流與電壓的比例關(guān)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(yùn)放構(gòu)成的同相比例放大電路將輸入回路與后面的測(cè)量電路隔離開(kāi)來(lái)，放大器不從輸入回路中獲取電流，從而減少對(duì)輸入回路（互感器）的影響。R1和C1并聯(lián)對(duì)于互感器感應(yīng)漏電流I構(gòu)成低通濾波器，其傳輸函數(shù)可以表示為：

式中fp為該低通濾波器截止頻率。

當(dāng)fp＝120 kHz；C1＝0.1μF時(shí)；R1≈13Ω。如果載波信號(hào)頻譜位于該低通濾波器通帶之內(nèi)，則轉(zhuǎn)換后的漏電電壓信號(hào)將包含載波分量，再經(jīng)后續(xù)放大、單片機(jī)AD采樣和計(jì)算有效值后的總漏電電流將有可能大于漏電保護(hù)器動(dòng)作電流，從而引發(fā)漏電保護(hù)器跳閘。

上述可知在相線存在對(duì)地電容的情況下，電力線載波信號(hào)能產(chǎn)生一定的對(duì)地漏電流，并且其隨對(duì)地等效電容、載波信號(hào)振幅和頻率的增大而增大。另外，當(dāng)載波信號(hào)頻譜位于感應(yīng)漏電流信號(hào)處理電路中低通濾波器通帶范圍內(nèi)，就有可能導(dǎo)致漏電保護(hù)器誤跳閘。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證電力線載波信號(hào)導(dǎo)致漏電保護(hù)器跳閘影響程度和漏電保護(hù)器的抗擾特點(diǎn)，搭建了模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，如圖7所示。

圖7 漏電保護(hù)器誤跳閘模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.7 Simulation test system for the error tripping of leakage protector

圖中系統(tǒng)采用的設(shè)備，包括：隔離變壓器、人工阻抗網(wǎng)絡(luò)、漏電保護(hù)器、模擬負(fù)載、對(duì)地等效電容、信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、耦合器、頻譜儀、漏電測(cè)試儀等。信號(hào)發(fā)生器可產(chǎn)生不同頻率的載波信號(hào)，通過(guò)功放把差模信號(hào)注入到電力線上，發(fā)送信號(hào)電平。隔離變壓器實(shí)現(xiàn)220 Vac電壓隔離和阻抗變換，變比1：1，功率1 kVA。模擬負(fù)載模擬現(xiàn)場(chǎng)家電負(fù)荷，功率12 kW。對(duì)地等效電容模擬線路和家電設(shè)備的對(duì)地電容，容值 12.2 nF。

實(shí)驗(yàn)1：選取與現(xiàn)場(chǎng)同型號(hào)的DZ267L-32 C16、極性為2P的漏電保護(hù)器，驗(yàn)證不同載波頻率和調(diào)制方式信號(hào)下漏電保護(hù)器是否跳閘。載波信號(hào)電平5 V，發(fā)送數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度60 Byte，發(fā)送間隔3幀／秒。漏電保護(hù)器的跳閘現(xiàn)象，如表2。

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，該漏電保護(hù)器剩余電流低通檢測(cè)回路的上限截止頻率約340 kHz。結(jié)合3.2節(jié)公式（8）在漏電保護(hù)器低通濾波通帶范圍內(nèi)，載波頻率越高越容易造成漏電保護(hù)器誤跳閘，且與調(diào)制方式和負(fù)荷關(guān)系不大。也可知該漏電保護(hù)器產(chǎn)品的剩余電流低通檢測(cè)回路的上限截止頻率設(shè)計(jì)值不合適。

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

實(shí)驗(yàn)2：在相同載波信號(hào)下，選取國(guó)外知名品牌與國(guó)內(nèi)廠家同型號(hào)漏電保護(hù)器進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。載波信號(hào)：載波頻率120 kHz，信號(hào)電平5 V，發(fā)送幀長(zhǎng)60 Byte。漏電保護(hù)器的跳閘現(xiàn)象見(jiàn)表3。

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

從實(shí)驗(yàn)情況來(lái)看，國(guó)內(nèi)漏電保護(hù)器產(chǎn)品的容易產(chǎn)生誤跳閘現(xiàn)象，國(guó)外品牌漏電保護(hù)器均未發(fā)現(xiàn)誤跳閘現(xiàn)象?？芍瑖?guó)內(nèi)漏電保護(hù)器在抗擾度方面與國(guó)外品牌存在差距，有必要提升剩余電流檢測(cè)回路的濾波器設(shè)計(jì)指標(biāo)。

6 結(jié)束語(yǔ)

論述了漏電保護(hù)器基本原理和電力線載波抄表現(xiàn)場(chǎng)誤跳閘現(xiàn)象，并結(jié)合低壓臺(tái)區(qū)線路和設(shè)備分布結(jié)構(gòu)論述了電力線載波導(dǎo)致漏電保護(hù)器跳閘的機(jī)理、電力線載波通信導(dǎo)致的影響以及漏電保護(hù)器的抗擾特性。從而得知，現(xiàn)場(chǎng)選用的載波抄表模塊、漏電保護(hù)器種類、接入電力線的負(fù)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(hào)是導(dǎo)致漏電保護(hù)器誤跳閘的重要因素之一。另外，漏電保護(hù)器是否誤跳閘也取決于漏電保護(hù)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(dǎo)致漏電保護(hù)器誤跳閘。

另外，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了不同載波信號(hào)下對(duì)漏電保護(hù)器誤跳閘的影響以及相同載波信號(hào)下國(guó)內(nèi)外不同廠商漏電保護(hù)器的抗擾性能差異。進(jìn)一步驗(yàn)證了改善載波信號(hào)帶外噪聲、縮短發(fā)送數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、降低發(fā)送電平等均可降低漏電保護(hù)器誤跳閘的可能，而提高漏電保護(hù)器的抗擾能力才是減少漏電保護(hù)器誤跳閘的較佳措施。本文可為載波通信現(xiàn)場(chǎng)誤跳閘現(xiàn)象分析、電力線載波通信產(chǎn)品和漏電保護(hù)器產(chǎn)品技術(shù)改進(jìn)提供參考。