脈動(dòng)直流剩余電流下AC型漏電斷路器動(dòng)作特性分析

李倩，李奎，王堯，王天朔，林靖怡,孫家豪

(1.河北工業(yè)大學(xué) 省部共建電工裝備可靠性與智能化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300130；2.河北工業(yè)大學(xué) 河北省電磁場(chǎng)與電器可靠性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300130)

0 引 言

智能電網(wǎng)和能源互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展推動(dòng)了社會(huì)進(jìn)步，但人身觸電事故始終是用電安全中的重要問(wèn)題，而漏電斷路器是低壓電網(wǎng)中設(shè)備發(fā)生漏電和人身觸電時(shí)的重要保護(hù)裝置[1]。由于配電網(wǎng)中用電設(shè)備的不平衡以及大量電力電子技術(shù)的非線性負(fù)荷接入，造成電網(wǎng)的電壓和電流中出現(xiàn)大量諧波。間諧波和次諧波等諧波分量[2-3]產(chǎn)生后，漏電電流不再是單純的正弦波，而是交直流混疊的復(fù)雜波形。

當(dāng)含有整流及開關(guān)元件的配電網(wǎng)出現(xiàn)接地故障時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不同波形的剩余電流[4-5]。如在三相電網(wǎng)電壓通過(guò)整流橋、逆變橋控制電機(jī)的系統(tǒng)中，不同位置發(fā)生漏電故障時(shí)漏電電流波形均不相同：在三相電網(wǎng)電壓輸入端口發(fā)生漏電故障時(shí)，由于此處為對(duì)稱的三相正弦電源電壓，因此故障時(shí)漏電波形呈現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)正弦電流的特征；在整流橋與逆變橋之間發(fā)生故障時(shí)，故障電流以脈動(dòng)直流電流波形為主；在逆變器出口側(cè)發(fā)生漏電故障時(shí)，由于采用IGBT等功率開關(guān)器件，使漏電流中出現(xiàn)包含開關(guān)器件頻率及其倍頻分量的高頻成分，其頻率可達(dá)幾十kHz。

隨著漏電電流波形種類的增加，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同漏電電流波形的檢測(cè)傳感器設(shè)計(jì)以及檢測(cè)方法進(jìn)行了大量研究：朱遵義等[6]從剩余電流波形與產(chǎn)生磁通大小的關(guān)系出發(fā)，得到當(dāng)剩余電流分量中含有直流分量時(shí)，磁感應(yīng)線圈中產(chǎn)生的磁滯環(huán)面積減小，感應(yīng)電壓降低使剩余電流保護(hù)器拒動(dòng)的結(jié)論;王堯等[7-8]采用基于信號(hào)頻率與波形補(bǔ)償?shù)乃惴▽?duì)剩余電流有效值進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)對(duì)含平滑直流剩余電流的有效保護(hù)，并提出一種基于全相位傅里葉變換的磁調(diào)制交直流漏電檢測(cè)方法對(duì)復(fù)雜漏電電流進(jìn)行量測(cè);白龍溫等[9]通過(guò)閾值比較法建立針對(duì)脈動(dòng)直流剩余電流的保護(hù)模型，開發(fā)了一款脈動(dòng)直流剩余電流保護(hù)器，并進(jìn)行了試驗(yàn)，驗(yàn)證其可靠性。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)不同漏電電流波形的檢測(cè)傳感器設(shè)計(jì)以及檢測(cè)方法進(jìn)行了大量研究。目前，配電網(wǎng)中常采用AC型剩余電流漏電斷路器進(jìn)行漏電保護(hù)，隨著配電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)漏電電流波形特征復(fù)雜程度的增加，AC型剩余電流漏電斷路器常出現(xiàn)拒動(dòng)或誤動(dòng)的現(xiàn)象。學(xué)者們的研究缺少對(duì)AC型剩余電流漏電斷路器拒動(dòng)或者誤動(dòng)原因的詳細(xì)分析，因此，本文通過(guò)建立剩余電流互感器模型，并在AC型漏電斷路器典型檢測(cè)與保護(hù)電路基礎(chǔ)上分析，發(fā)現(xiàn)脈動(dòng)直流剩余電流中直流成分使剩余電流互感器輸出波形失真，是導(dǎo)致漏電斷路器不能正確動(dòng)作的主要原因。通過(guò)對(duì)AC型漏電斷路器的動(dòng)作特性測(cè)試，進(jìn)一步驗(yàn)證了在電力電子設(shè)備應(yīng)用場(chǎng)合下，AC型漏電斷路器不能對(duì)漏電進(jìn)行準(zhǔn)確保護(hù)。

1 脈動(dòng)剩余電流對(duì)AC型漏電斷路器動(dòng)作的影響

1.1 脈動(dòng)直流剩余電流

根據(jù)電路中采用的開關(guān)元件導(dǎo)通時(shí)觸發(fā)角α的不同，峰值為Im的各類脈動(dòng)直流剩余電流IN可表示為[10]

(1)

式中，觸發(fā)角α的范圍為(0，π)。

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的典型脈動(dòng)直流剩余電流主要包括半波、90°波和135°波，觸發(fā)角為α?xí)r的脈動(dòng)直流波形示意圖如圖1所示。

圖1 脈動(dòng)直流電流波形

由于IN為周期函數(shù)，對(duì)其進(jìn)行傅里葉變換分解，得到

bnsin(nωt)]}，

(2)

式中，

當(dāng)n≥2時(shí)，

綜上，幅值為Im的脈動(dòng)直流電流所包含的直流分量為

I0=Im(1+cosα/2π)。

(5)

脈動(dòng)直流電流中包含的直流分量成分變化曲線如圖2所示。當(dāng)半波電流幅值一定時(shí)，脈動(dòng)直流中的直流成分隨著觸發(fā)角α的增大而減小，直至觸發(fā)角為π時(shí)直流分量降為0。

圖2 脈動(dòng)直流電流直流成分隨觸發(fā)角α的變化曲線

1.2 直流分量對(duì)AC型漏電斷路器的影響

在僅考慮飽和引起的非線性情況下，分析電路一次側(cè)中直流成分對(duì)漏電斷路器中電流互感器二次側(cè)輸出的影響，電流互感器靜態(tài)模型[11]如圖3所示。

由磁通量守恒和KCL定律，可得

(6)

圖3 電流互感器靜態(tài)模型

式中：i1為互感器一次側(cè)電流；i0為勵(lì)磁電流；i2為二次側(cè)電流；φ為二次側(cè)線圈主磁通；互感器一次側(cè)線圈匝數(shù)為1，二次側(cè)線圈匝數(shù)為N2；R2、L2為二次側(cè)負(fù)載電阻和電感。

互感器只能感測(cè)一次側(cè)線圈的交流分量，對(duì)直流分量則起到抑制作用，因此當(dāng)互感器一次側(cè)電路網(wǎng)絡(luò)中剩余電流為脈動(dòng)直流剩余電流時(shí)，二次側(cè)由于無(wú)法感測(cè)其中的直流成分，從而引起二次側(cè)的轉(zhuǎn)換誤差，使漏電保護(hù)器對(duì)剩余電流的檢測(cè)不再準(zhǔn)確。

剩余電流互感器一次側(cè)直流分量變化對(duì)漏電斷路器特性的影響[12]如圖4所示。故障電流中不含直流分量時(shí)，對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度如圖4中曲線a所示，理想條件下，互感器二次側(cè)輸出波形與一次側(cè)波形一致，當(dāng)故障電流中包含直流分量I0、I1(I0

圖4 直流分量對(duì)剩余電流互感器的影響

在不考慮脈動(dòng)直流中包含的直流分量引起鐵芯飽和情況下，互感器一次側(cè)電流波形與二次側(cè)輸出波形如圖5所示。當(dāng)一次側(cè)輸入電流為脈動(dòng)直流剩余電流時(shí)，結(jié)合上述分析脈動(dòng)直流分量中包含直流成分的變化曲線可知，當(dāng)觸發(fā)角α越大，則其中包含的直流分量越大，則由于互感器不能將直流成分傳變至二次側(cè)，使得二次側(cè)輸出波形向縱軸負(fù)半軸產(chǎn)生漂移，漂移量等于一次側(cè)輸入電流中包含直流分量。

圖5 忽略鐵芯飽和時(shí)互感器輸出的波形

當(dāng)一次側(cè)漏電流中包含的直流分量過(guò)大時(shí)，考慮鐵芯飽和工作狀態(tài)以及鐵芯工作過(guò)程中的損耗情況，互感器一次側(cè)電流與二次側(cè)輸出波形如圖6所示，由于互感器鐵芯進(jìn)入磁飽和狀態(tài)，磁感應(yīng)強(qiáng)度變化量為0，二次側(cè)輸出電壓為0，此后二次側(cè)輸出電壓不再跟隨一次側(cè)電流變化，產(chǎn)生不同程度的畸變，此過(guò)程中直流分量越大，二次側(cè)波形畸變?cè)矫黠@，達(dá)到負(fù)半軸最大后，由二次側(cè)線圈的電感及電阻決定的時(shí)間常數(shù)(L/RL)以指數(shù)函數(shù)特性降低，直至下一個(gè)周期。

圖6 計(jì)及鐵芯飽和時(shí)互感器輸出的波形

互感器一次側(cè)輸入觸發(fā)角0°，頻率50 Hz，幅值25 mA和50 mA的脈動(dòng)直流剩余電流，負(fù)載100 Ω時(shí)，實(shí)際測(cè)量電流互感器二次側(cè)輸出電壓分別如圖7中(a)，(b)所示。由于脈動(dòng)直流電流中的直流成分，引起互感器二次側(cè)輸出電壓均向負(fù)半軸發(fā)生偏移，當(dāng)半波剩余電流幅值25 mA時(shí)，互感器一次側(cè)電流中的直流分量較低，互感器鐵芯工作在線性區(qū)；當(dāng)半波剩余電流幅值增加至50 mA時(shí)，直流分量隨之增加，引起互感器鐵芯工作狀態(tài)進(jìn)入飽和狀態(tài)，二次側(cè)電流不再跟隨一次側(cè)剩余電流變化，產(chǎn)生明顯畸變，與理論分析保持一致。

圖7 脈動(dòng)直流剩余電流下電流互感器輸出的波形

2 AC型漏電斷路器典型電路結(jié)構(gòu)

通用AC型漏電斷路器檢測(cè)電路分為分立元件電路和漏電保護(hù)專用芯片電路兩種，一般通過(guò)閾值電流的比較實(shí)現(xiàn)漏電保護(hù)。

圖8為典型分立元件式漏電檢測(cè)電路原理圖，電網(wǎng)電壓通過(guò)整流橋轉(zhuǎn)換為大于0的半波信號(hào)，作用在晶閘管陽(yáng)極和陰極。當(dāng)電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，剩余電流互感器(RCT)感測(cè)電流為0，晶閘管的門極電流為0，處于關(guān)斷狀態(tài)；當(dāng)電網(wǎng)中發(fā)生漏電故障時(shí)，由于零線與火線的電流矢量和不為0，互感器將此不平衡電流感應(yīng)到二次側(cè)，當(dāng)在晶閘管的門極產(chǎn)生正向的觸發(fā)電壓時(shí)，晶閘管導(dǎo)通，脫扣器動(dòng)作。而當(dāng)剩余電流為負(fù)向的脈動(dòng)剩余電流時(shí)，由于其在晶閘管門極形成負(fù)向的觸發(fā)電壓，此情況下漏電斷路器不會(huì)動(dòng)作，但由于互感器二次側(cè)的電壓畸變使二次側(cè)輸出波形向正半軸發(fā)生偏移，若此時(shí)偏移量大于晶閘管的門極電壓，斷路器才會(huì)動(dòng)作，因此當(dāng)脈動(dòng)剩余電流的極性不同時(shí)，斷路器的動(dòng)作值也就會(huì)不同。

圖8 基于分立元件的漏電檢測(cè)電路

圖9所示為基于VG54123的漏電保護(hù)電路原理，互感器二次側(cè)的輸出電壓VT輸送到集成電路的輸入端(端口1與2)，此電壓與VG54123芯片內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓VREF比較，當(dāng)VT>VREF時(shí)，差分放大器輸出端(端口7)電位立即變成高電位，經(jīng)C4積分后打開觸發(fā)驅(qū)動(dòng)器，使可控硅SCR導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)脫扣器動(dòng)作。

圖9 基于VG54123的漏電檢測(cè)電路

Fig.9 Leakage detection circuit based on VG54123

基于VG54123的漏電檢測(cè)電路與分立元件式漏電檢測(cè)電路故障識(shí)別方法類似，不同之處在于：分立元件電路不考慮漏電電流超過(guò)閾值的持續(xù)時(shí)間，漏電電流一旦超過(guò)閾值就立即動(dòng)作，因而其抗干擾能力相對(duì)較差；基于VG54123的漏電檢測(cè)電路則具有短暫延時(shí)，該芯片與積分電容C4配合的時(shí)間常數(shù)τ通常為5 ms左右，即電路會(huì)濾除持續(xù)時(shí)間較短的脈沖，因此具有一定的抗干擾能力。同時(shí)，VG54123芯片內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓VREF受溫度影響較小，動(dòng)作特性比較穩(wěn)定。

3 剩余電流互感器動(dòng)態(tài)仿真分析

將鐵芯實(shí)測(cè)磁化曲線用反正切函數(shù)擬合，且忽略磁滯和渦流損耗[13-15]，得到鐵芯的磁化曲線方程

B=0.31×arctan (0.86×H)。

(7)

鐵芯實(shí)測(cè)的磁滯曲線如圖10所示，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度H絕對(duì)值大于20 A/m時(shí)，鐵芯進(jìn)入飽和狀態(tài)。

圖10 鐵芯磁滯曲線

利用MATLAB/Simulink建立RCT動(dòng)態(tài)仿真模型，包括剩余電流模塊、RCT模塊和采樣電阻(RL)，剩余電流傳感器主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。剩余電流模塊由正弦波和方波疊加，輸出分別為0°，90°，135°的脈動(dòng)直流信號(hào)，通過(guò)示波器同時(shí)觀測(cè)輸入電流信號(hào)、感應(yīng)電壓信號(hào)、鐵芯磁感應(yīng)強(qiáng)度B、磁場(chǎng)強(qiáng)度H以及磁導(dǎo)率μ。

表1 剩余電流互感器主要設(shè)計(jì)參數(shù)

正弦波有效值50 mA時(shí)的半波剩余電流的仿真結(jié)果如圖11所示。對(duì)一個(gè)周期T內(nèi)的仿真波形進(jìn)行分析，可以看出，在半波電流起始階段鐵芯處于線性工作區(qū)，此時(shí)RCT按正弦規(guī)律輸出感應(yīng)電壓；當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度H超過(guò)20 A/m后，鐵芯進(jìn)入磁飽和區(qū)，其磁導(dǎo)率μ接近于0，RCT輸出電壓迅速降為0并反向增加，直至半周期結(jié)束，反向電壓達(dá)到最大值；此后由于半波電流變?yōu)?，RCT處于自由放電過(guò)程，其感應(yīng)電壓按指數(shù)規(guī)律衰減，放電時(shí)間常數(shù)為L(zhǎng)/RL(L為RCT電感量)。

正弦波有效值100 mA，觸發(fā)角90°時(shí)的脈動(dòng)直流剩余電流的仿真結(jié)果如圖12所示，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度大于20 A/m時(shí)，鐵芯進(jìn)入磁飽和狀態(tài)，此時(shí)互感器二次側(cè)輸出電壓波形同樣發(fā)生明顯畸變。

正弦波有效值100 mA，觸發(fā)角135°時(shí)的脈動(dòng)直流剩余電流的仿真結(jié)果如圖13所示，由H-t曲線可知，磁場(chǎng)強(qiáng)度遠(yuǎn)小于飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度，此時(shí)互感器鐵芯工作狀態(tài)維持在線性區(qū)，不足以導(dǎo)致互感器二次側(cè)電壓發(fā)生畸變。

圖11 半波剩余電流仿真結(jié)果

Fig.11 Simulation results under half-wave residual current

圖12 90°波剩余電流仿真圖

4 AC型漏電斷路器非線性剩余電流下動(dòng)作特性測(cè)試

GB1T 6829—2017《剩余電流動(dòng)作保護(hù)電器(RCD)的一般要求》中不同電流形式下脫扣電流限值[16]如表2所示。

表2 脈動(dòng)直流剩余電流脫扣電流限值

圖13 135°波剩余電流仿真圖

選取5臺(tái)不同廠家生產(chǎn)的AC型漏電斷路器(分別編號(hào)RCD1～RCD5)，對(duì)表2中的3種脈動(dòng)直流剩余電流形式進(jìn)行漏電動(dòng)作特性測(cè)試，其中RCD1～RCD2采用漏電保護(hù)專用芯片(VG54123)電路，RCD3～RCD5采用分立元件電路。被測(cè)試品的額定剩余動(dòng)作電流IΔn均為30 mA，測(cè)試正弦剩余電流和各脈動(dòng)直流剩余電流下斷路器動(dòng)作時(shí)的有效值，結(jié)果如表3所示，所有試品的正弦交流漏電動(dòng)作值均在15～30 mA間，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。比較脈動(dòng)直流剩余電流下的動(dòng)作電流值與表2中規(guī)定的動(dòng)作電流值可知，在觸發(fā)角為0°的正向負(fù)向脈動(dòng)直流電流輸入情況下，5臺(tái)AC型漏電斷路器的動(dòng)作值均超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)中上限值1.4IΔn(42 mA)，雖然極性不同對(duì)應(yīng)的動(dòng)作特性也不同，但是均不能實(shí)現(xiàn)可靠動(dòng)作；在剩余電流為90°脈動(dòng)直流剩余電流時(shí)，采用漏電保護(hù)芯片的RCD1和RCD2動(dòng)作值均超過(guò)42 mA，不能實(shí)現(xiàn)可靠動(dòng)作，采用分立元件檢測(cè)電路，由于電路結(jié)構(gòu)中元件的選取，動(dòng)作電流值分散性很大；在剩余電流為135°脈動(dòng)直流剩余電流時(shí)，各斷路器在42 mA上限值時(shí)均不能動(dòng)作。

表3 脈動(dòng)直流剩余電流下漏電動(dòng)作特性測(cè)試結(jié)果

因此，在剩余電流為脈動(dòng)直流的應(yīng)用場(chǎng)合下，采用漏電保護(hù)芯片以及采用分立元件電路檢測(cè)的AC型漏電斷路器均不能實(shí)現(xiàn)可靠動(dòng)作，也就不能達(dá)到漏電保護(hù)的目的。

5 結(jié) 論

(1)理論和實(shí)際測(cè)試結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，剩余電流中的直流分量是導(dǎo)致剩余電流互感器二次側(cè)輸出波形畸變的主要原因。

(2)采用MATLAB/Simulink建立剩余電流互感器動(dòng)態(tài)仿真模型，在互感器一次側(cè)輸入半波、90°波、135°波時(shí)，驗(yàn)證當(dāng)一次側(cè)剩余電流中直流分量過(guò)大，使互感器鐵芯進(jìn)入飽和工作狀態(tài)時(shí)，互感器二次側(cè)輸出波形發(fā)生明顯畸變。

(3)完成半波，90°波，135°正負(fù)極脈動(dòng)直流剩余電流下AC型漏電斷路器動(dòng)作特性的測(cè)試，驗(yàn)證在脈動(dòng)直流剩余電流下，由直流分量引起的飽和畸變是造成AC型漏電斷路器不能可靠動(dòng)作的主要原因，電路結(jié)構(gòu)是造成脈動(dòng)直流極性不同時(shí)動(dòng)作特性不一致的主要原因。