剩余電流波形發(fā)生裝置的設(shè)計(jì)

陳作開(kāi)，許志紅

(福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建省新能源發(fā)電與電能變換重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350108)

0 引言

剩余電流保護(hù)對(duì)提高用電系統(tǒng)的安全性及可靠性具有重要作用，國(guó)內(nèi)相關(guān)學(xué)者普遍是針對(duì)某些類(lèi)型的剩余電流信號(hào)展開(kāi)研究，得到針對(duì)該類(lèi)型剩余電流的保護(hù)方法.但局部地區(qū)電力運(yùn)行環(huán)境較為惡劣，且由于負(fù)載的差異性，產(chǎn)生的剩余電流種類(lèi)也不盡相同，波形趨于多樣化、復(fù)雜化.在剩余電流保護(hù)裝置(residual current device, RCD)的動(dòng)作特性試驗(yàn)中，尤其是B型剩余電流保護(hù)電器，需要多種剩余電流信號(hào)測(cè)試其性能，如何產(chǎn)生該類(lèi)剩余電流保護(hù)器動(dòng)作特性測(cè)試所需的多種電流波形是目前研究的熱點(diǎn).

在剩余電流檢測(cè)方面，文獻(xiàn)[1]針對(duì)電壓型磁調(diào)制式剩余電流傳感器，搭建其動(dòng)態(tài)勵(lì)磁電流變化過(guò)程模型，為設(shè)計(jì)電壓型磁調(diào)制式剩余電流互感器提供依據(jù).文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)一種磁調(diào)制式交直流敏感型剩余電流保護(hù)器，通過(guò)采用有效值補(bǔ)償?shù)姆椒ㄌ岣邫z測(cè)精度，實(shí)驗(yàn)表明該剩余電流保護(hù)器滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，能實(shí)現(xiàn)對(duì)交直流剩余電流的保護(hù).RCD的動(dòng)作特性測(cè)試主要檢驗(yàn)剩余電流保護(hù)電器動(dòng)作可靠性，需要結(jié)合相關(guān)測(cè)試儀器對(duì)產(chǎn)品的性能進(jìn)行檢驗(yàn)[3]，眾多學(xué)者對(duì)此展開(kāi)研究.文獻(xiàn)[4]以直接數(shù)字頻率合成技術(shù)為基礎(chǔ)，由現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列實(shí)現(xiàn)多通道任意波形的產(chǎn)生.文獻(xiàn)[5]搭建OCL推挽功率放大電路，通過(guò)理論分析并設(shè)計(jì)硬件電路，設(shè)計(jì)的功率放大電路滿(mǎn)足要求，最終能夠得到電流信號(hào)，具有一定的應(yīng)用前景.文獻(xiàn)[6]根據(jù)信號(hào)特性設(shè)計(jì)功率放大電路從而獲得復(fù)合波，能夠滿(mǎn)足剩余電流保護(hù)器對(duì)某類(lèi)波形的測(cè)試要求.文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)一種用于檢測(cè)B型剩余電流保護(hù)器動(dòng)作特性的測(cè)試儀器，可產(chǎn)生多種電流信號(hào)滿(mǎn)足現(xiàn)階段所有類(lèi)型剩余電流保護(hù)器的測(cè)試.文獻(xiàn)[8-9]基于數(shù)字直接頻率合成原理，設(shè)計(jì)一款B型剩余電流動(dòng)作特性測(cè)試裝置，輸出電流能夠滿(mǎn)足現(xiàn)階段對(duì)RCD的檢測(cè)要求.在剩余電流保護(hù)領(lǐng)域，除了探討在復(fù)雜波形條件下的剩余電流檢測(cè)技術(shù)以外，對(duì)剩余電流動(dòng)作特性測(cè)試方法也需展開(kāi)研究.

本研究基于故障波形數(shù)據(jù)庫(kù)，設(shè)計(jì)一套剩余電流波形發(fā)生裝置，目的是產(chǎn)生多種波形條件下的電流信號(hào)用于剩余電流保護(hù)器的動(dòng)作特性測(cè)試.利用LabVIEW作為上位機(jī)軟件進(jìn)行平臺(tái)開(kāi)發(fā)，將波形還原應(yīng)用到剩余電流保護(hù)領(lǐng)域，目標(biāo)波形通過(guò)上位機(jī)操作界面直接以模擬量的形式輸出，設(shè)計(jì)信號(hào)隔離和功率放大電路，通過(guò)聯(lián)合仿真驗(yàn)證方案的可行性.以FFT和THD值作為波形還原評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)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(hù)器的動(dòng)作特性測(cè)試.此外，在一些高成本、難以重復(fù)操作的實(shí)驗(yàn)例如生物觸電實(shí)驗(yàn)中，具有較好的可替代性和實(shí)用性，為研發(fā)新一代具有防人身觸電保護(hù)功能的RCD提供測(cè)試信號(hào)，對(duì)改善剩余電流保護(hù)器性能，提高用電安全性具有現(xiàn)實(shí)意義.

1 裝置整體設(shè)計(jì)

剩余電流波形發(fā)生裝置整體設(shè)計(jì)方案如圖1所示，整體操作流程可在LabVIEW上位機(jī)完成.基于剩余電流波形數(shù)據(jù)庫(kù)，選取目標(biāo)波形并截取所需輸出波形，結(jié)合數(shù)據(jù)采集卡內(nèi)部的AO功能，將波形數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換成模擬量輸出.經(jīng)過(guò)信號(hào)隔離和功率放大模塊最終輸出目標(biāo)電流，將還原的電流信號(hào)連接至RCD以測(cè)試其動(dòng)作特性.最后，將還原波形與原始波形作相關(guān)特征分析，衡量波形還原的效果.

為了檢驗(yàn)方案的可行性，需要結(jié)合LabVIEW與Multisim軟件對(duì)各硬件電路進(jìn)行聯(lián)合仿真[10].在Multisim軟件中搭建信號(hào)隔離和功率放大電路，LabVIEW上位機(jī)調(diào)用Multisim仿真電路，讀取剩余電流波形數(shù)據(jù)文件并以模擬量的形式輸出，作為仿真電路的外部激勵(lì)信號(hào)源.同時(shí)，仿真電路實(shí)時(shí)響應(yīng)，還原的波形數(shù)據(jù)在控件與仿真循環(huán)模塊中上傳到LabVIEW上位機(jī)界面.對(duì)其進(jìn)行還原度分析，驗(yàn)證其各項(xiàng)指標(biāo)是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，從而實(shí)現(xiàn)聯(lián)合仿真過(guò)程.

2 剩余電流波形發(fā)生裝置

2.1 剩余電流波形數(shù)據(jù)庫(kù)

在低壓配電系統(tǒng)中，日常所用電器產(chǎn)生的剩余電流主要是工頻交流信號(hào).但是在一些變頻或者是高頻設(shè)備應(yīng)用場(chǎng)合，隨著各種新型電器產(chǎn)品的大規(guī)模應(yīng)用，配電網(wǎng)中的剩余電流類(lèi)型愈發(fā)復(fù)雜，已由單一的工頻正弦信號(hào)過(guò)渡為交流、脈動(dòng)直流以及平滑直流疊加而成的復(fù)雜剩余電流信號(hào)，產(chǎn)生的剩余電流信號(hào)頻率有所差異[11].圖2中波形①～⑧為國(guó)標(biāo)[12]列舉的幾種典型剩余電流信號(hào).所以，設(shè)計(jì)的剩余電流發(fā)生裝置能夠準(zhǔn)確輸出以上幾種電流信號(hào)，對(duì)生物觸電電流信號(hào)也能準(zhǔn)確還原輸出，為研發(fā)新一代RCD提供測(cè)試平臺(tái).

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

2.2 信號(hào)隔離電路

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

圖3 信號(hào)隔離電路Fig.3 Signal isolation circuit

選用雙光電二極管結(jié)構(gòu)的線性光耦進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，光耦輸出兩部分電流，分別為反饋電流與輸出電流.前者經(jīng)過(guò)I1-U1反饋電路將電壓信號(hào)反饋回輸入端，減少信號(hào)失真提高電路線性度. 后者經(jīng)過(guò)I2-U2輸出電路將電壓信號(hào)輸出到同相比例放大電路實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)增益調(diào)節(jié).由運(yùn)放的工作特性以及雙極性光耦HCNR201的傳輸特性，可計(jì)算電路的傳輸增益A0. 通過(guò)調(diào)節(jié)電阻參數(shù)，將A0設(shè)置為1，達(dá)到只隔離不放大的效果.A0的表達(dá)式如下：

(1)

由上式可見(jiàn)，信號(hào)隔離電路的輸出與輸入信號(hào)呈線性關(guān)系，且輸出增益可調(diào).其與各個(gè)電阻參數(shù)相關(guān)，可根據(jù)電路要求設(shè)計(jì)器件參數(shù)，調(diào)節(jié)電阻值使電路增益A0為1，完成信號(hào)隔離的目的.

2.3 功率放大電路

圖3中Uout為經(jīng)過(guò)隔離的目標(biāo)信號(hào)，無(wú)法驅(qū)動(dòng)負(fù)載產(chǎn)生所需電流.為了使該模擬量信號(hào)具有帶載能力，需要對(duì)其進(jìn)行功率放大，功率放大電路如圖4所示.剩余電流保護(hù)電器動(dòng)作特性測(cè)試對(duì)目標(biāo)電流信號(hào)具有精度要求，要求輸出電流滿(mǎn)足設(shè)計(jì)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(zhuǎn)換效率高的甲乙類(lèi)OCL功率放大器[13]，為了使Q3、Q4可靠導(dǎo)通，功率放大電路采用了兩級(jí)結(jié)構(gòu).Uin為經(jīng)過(guò)隔離電路的信號(hào)源，信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)放U1完成比例放大，U2對(duì)輸入信號(hào)及由負(fù)載側(cè)的反饋信號(hào)進(jìn)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(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，R12和R13同樣作為偏置電阻為下一級(jí)功率三極管Q3、Q4提供偏置電壓使其處于微導(dǎo)通狀態(tài)，消除交越失真[14]，U3為反饋電路，以負(fù)載電阻電壓信號(hào)為反饋量，能有效抑制波形失真，穩(wěn)定工作點(diǎn)以減少漂移.功率放大電路輸出電壓為Uo，負(fù)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(fù)載瞬時(shí)電流：

(3)

負(fù)載RL功率：

(4)

其中，Uo=VCC-VCES，當(dāng)忽略三極管管壓降時(shí)，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(gè)周期內(nèi)交替導(dǎo)通，工作時(shí)間為半個(gè)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(guān)，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?xún)?nèi)，還原的電流信號(hào)其有效值基本在三極管的工作范圍以?xún)?nèi)，有：

三極管管耗為：

(6)

在該功放電路中，功率管Q3、Q4選用對(duì)管2N3055和MJD2955，其電氣典型參數(shù)為15 A、50 V、115 W，兩者結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)且參數(shù)一致使得工作點(diǎn)穩(wěn)定；Q1和Q2組成的前級(jí)驅(qū)動(dòng)電路能夠直接使其進(jìn)入微導(dǎo)通狀態(tài)，共同組成最后一級(jí)的功率放大電路，能夠向外部負(fù)載電阻提供足夠的信號(hào)功率，最終輸出目標(biāo)電流信號(hào).

3 聯(lián)合仿真

3.1 LabVIEW與Multisim聯(lián)合仿真設(shè)置

圖5 聯(lián)合仿真原理圖Fig.5 Co-simulation schematic

為了驗(yàn)證剩余電流波形還原裝置設(shè)計(jì)方案的可行性，需要結(jié)合LabVIEW上位機(jī)程序與Multisim搭建的隔離功放電路進(jìn)行聯(lián)合仿真，仿真原理圖如圖5所示.在Multisim軟件搭建信號(hào)隔離與功率放大電路，LabVIEW上位機(jī)控制部分則是輸出原始波形信號(hào)作為信號(hào)隔離與功率放大仿真電路的激勵(lì)源.數(shù)據(jù)交互端口是Io1和Io2，分別是上位機(jī)模擬量輸出端口和功放電路還原輸出電流信號(hào)采集端口.在LabVIEW軟件的控件與仿真循環(huán)模塊下，以設(shè)置的仿真時(shí)長(zhǎng)、步長(zhǎng)和采樣率等信息，調(diào)用Multisim仿真電路進(jìn)行電路仿真.兩個(gè)軟件在每個(gè)仿真步長(zhǎng)內(nèi)交互數(shù)據(jù)，上位機(jī)同時(shí)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(biāo)，將原始信號(hào)與仿真還原輸出電流信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，最終驗(yàn)證方案的可行性.

3.2 典型剩余電流仿真分析

選取90°脈動(dòng)直流剩余電流信號(hào)和一組動(dòng)物觸電信號(hào)對(duì)本方案進(jìn)行驗(yàn)證, 90°脈動(dòng)直流信號(hào)仿真結(jié)果如圖6所示.該類(lèi)漏電信號(hào)多見(jiàn)于電力電子整流設(shè)備中，所含諧波分量較大，黑色信號(hào)為原始信號(hào)，作為仿真電路外部激勵(lì)源，紅色虛線為裝置還原輸出電流，從時(shí)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(qū)域如10 ms處也不存在失真或畸變現(xiàn)象.

對(duì)還原前后的信號(hào)進(jìn)行FFT分解，所得結(jié)果如圖7所示，諧波含量較大故分解到3 kHz，信號(hào)還原前后各頻率節(jié)點(diǎn)下都具有較好的跟隨性，不存在頻段丟失的現(xiàn)象，信號(hào)在時(shí)頻域都有較好的輸出效果.

圖6 90°脈動(dòng)直流信號(hào)與仿真輸出信號(hào)Fig.6 90° pulsating DC signal and simulation output signal

圖7 90°脈動(dòng)直流信號(hào)FFT分析Fig.7 FFT analysis of 90° pulsating DC signal

3.3 生物觸電電流仿真結(jié)果

以下為動(dòng)物觸電信號(hào)仿真, 結(jié)果如圖8、圖9所示.該類(lèi)信號(hào)難以設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的硬件電路進(jìn)行還原輸出，除了進(jìn)行觸電實(shí)驗(yàn)以外難以獲取且實(shí)驗(yàn)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(hào)為動(dòng)物觸電原始電流信號(hào)，幅值隨時(shí)間呈不規(guī)律變化，具有較大的隨機(jī)性.紅色信號(hào)為經(jīng)過(guò)聯(lián)合仿真該裝置還原輸出電流，即使在電流畸變較為嚴(yán)重的區(qū)域如紅圈標(biāo)記部分.電流變化率也能準(zhǔn)確地跟隨原始信號(hào)，波形重合度高.觀察仿真輸出電流過(guò)零前后，從側(cè)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(jié)果看，信號(hào)幅值集中在低頻，主要為工頻信號(hào)，含有3次、5次等諧波分量但含量較少，各頻率節(jié)點(diǎn)下都具有較好的跟隨性，仿真結(jié)果滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求.

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

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

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 實(shí)驗(yàn)裝置

根據(jù)方案設(shè)計(jì)并調(diào)試硬件電路，結(jié)合上位機(jī)操作界面對(duì)上述實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，選取典型的交直流剩余電流和動(dòng)物觸電信號(hào)對(duì)本方案進(jìn)行驗(yàn)證，以FFT和THD值等指標(biāo)衡量波形還原輸出效果.剩余電流波形發(fā)生裝置的硬件電路如圖10所示，包括電源、信號(hào)隔離電路及功率放大電路.剩余電流保護(hù)電器需要進(jìn)行多種波形條件下的動(dòng)作特性試驗(yàn)以檢驗(yàn)其性能，所以對(duì)該裝置的設(shè)計(jì)要求是能夠輸出國(guó)標(biāo)列舉的典型剩余電流波形且電流幅值可調(diào).

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(jī)操作界面，將波形數(shù)據(jù)文件以模擬量的形式輸出，經(jīng)過(guò)信號(hào)隔離和功率放大最終達(dá)到準(zhǔn)確還原輸出的目的，輸出的剩余電流信號(hào)最終用于測(cè)試RCD的動(dòng)作特性.90°脈動(dòng)直流剩余電流信號(hào)的實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jié)果如圖12所示.從圖中可得，各頻率節(jié)點(diǎn)整體跟隨性良好，不存在頻譜丟失現(xiàn)象.

4.3 生物觸電電流

動(dòng)物觸電信號(hào)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖13、圖14所示.圖13中黃色信號(hào)為原始觸電電流波形，紅色信號(hào)為該裝置還原輸出的觸電電流信號(hào)，圖14為兩者的FFT分析結(jié)果.在電流波形畸變較為嚴(yán)重的區(qū)域如紅圈標(biāo)記部分，還原效果較好，從輸出電流的過(guò)零點(diǎn)可知電路不存在交越失真現(xiàn)象.結(jié)合圖14的信號(hào)頻譜，在低頻區(qū)域不存在頻段丟失的情況，各頻率節(jié)點(diǎn)下具有較好的跟隨性，輸出信號(hào)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求.目前該裝置輸出電流幅值可達(dá)2A且大小可調(diào)，通過(guò)上位機(jī)操作平臺(tái)就可達(dá)到控制輸出電流類(lèi)型及大小的目的，能夠輸出復(fù)雜波形條件下的交直流剩余電流信號(hào)以及生物觸電信號(hào)，為研發(fā)新一代具有生物觸電保護(hù)功能的剩余電流保護(hù)器提供測(cè)試信號(hào).

圖11 90°脈動(dòng)直流信號(hào)與還原信號(hào)Fig.11 90° pulsating DC signal and restored signal

圖12 兩90°脈動(dòng)直流信號(hào)FFT分析 Fig12 FFT analysis of two 90° pulsating DC signals

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

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

4.4 還原度分析

時(shí)頻分析方法在非平穩(wěn)信號(hào)分析中得到越來(lái)越多的應(yīng)用[15]，據(jù)此對(duì)幾種典型剩余電流信號(hào)和觸電信號(hào)進(jìn)行總諧波失真度分析，將所得的THD結(jié)果作誤差對(duì)比，結(jié)果如表1所示.

表1 信號(hào)輸出前后THD值對(duì)比

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，剩余電流波形發(fā)生裝置能夠高度還原數(shù)據(jù)庫(kù)的波形，時(shí)域和頻域特性也能夠較好的體現(xiàn).在時(shí)域上不存在波形畸變現(xiàn)象，即使是在波形畸變較為嚴(yán)重、變化率較大的區(qū)域，輸出電流信號(hào)也不會(huì)出現(xiàn)振蕩或者是交越失真現(xiàn)象；在頻域上不會(huì)存在頻段丟失.通過(guò)計(jì)算信號(hào)還原前后的THD值，所測(cè)試的多組數(shù)據(jù)都在2%以?xún)?nèi)，相對(duì)誤差較小，裝置的整體性能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，輸出電流信號(hào)能用于開(kāi)關(guān)測(cè)試.

5 結(jié)語(yǔ)

基于故障波形數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)一套剩余電流波形發(fā)生裝置，基于信號(hào)特性設(shè)計(jì)信號(hào)隔離和功率放大電路，通過(guò)聯(lián)合仿真驗(yàn)證該方案的可行性.完成硬件電路的調(diào)試，結(jié)合上位機(jī)操作界面，對(duì)多種剩余電流波形進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，選取信號(hào)FFT變換結(jié)果和THD值作為衡量信號(hào)還原輸出指標(biāo).結(jié)果表明，輸出電流信號(hào)在時(shí)域具有較高還原度，各頻率節(jié)點(diǎn)下都具有較好的跟隨性，信號(hào)還原前后其THD誤差在2%以?xún)?nèi).目前該裝置設(shè)置的輸出電流幅值在2 A以?xún)?nèi)，所得結(jié)果滿(mǎn)足測(cè)試要求.設(shè)計(jì)的剩余電流動(dòng)作特性測(cè)試方法，能夠?yàn)锽型(全電流敏感型)剩余電流保護(hù)器的動(dòng)作特性測(cè)試提供測(cè)試信號(hào).此外，該方案在一些難以重復(fù)操作的實(shí)驗(yàn)，例如觸電實(shí)驗(yàn)中，具有較好的應(yīng)用前景，能夠?yàn)檠邪l(fā)新型的、具有防人身觸電保護(hù)的剩余電流保護(hù)電器提供測(cè)試信號(hào)，對(duì)提高低壓配網(wǎng)用電的安全性、可靠性具有實(shí)際意義.