CN112345966B - 一种通过剩余电流互感器检测直流漏电的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种通过剩余电流互感器检测直流漏电的检测方法及其装置。由于直流漏电信号并没有波动，故需要外加磁场，本发明使用单片机输出可控方波来实现外加磁场，使当前时刻的线圈的磁通量达到饱和区，根据饱和区所反馈的数值的不同从而反推出当前直流漏电值的大小；也可以在达到饱和后维持外部磁场不变，利用二次线圈在磁感应强度B不变后，变化磁通趋近稳定，根据二次感应电压的变化特性反推当前直流漏电值的大小；或者在线圈达到饱和区后，电压还未稳定的时候，施加反向磁场，使线圈达到另一相的饱和区，如此循环，可以根据不同直流漏电使线圈达到不同的饱和区的磁感应强度值，反推出当前的直流漏电值，进行直流漏电检测以及相应保护。

Description

一种通过剩余电流互感器检测直流漏电的方法及其装置

技术领域

本发明属于直流漏电检测领域，主要涉及一种通过剩余电流互感器检测直流漏电的方法及其装置。

背景技术

随着经济发展，用电需求日益增加，使得电力行业发展迅速，各类家用电器的规模也日渐丰富，那么如何保证住户的用电安全就变的尤为重要，尤其是对直流漏电的问题，目前的直流电应用广泛，包括直流充电桩、变频电机等，家用的如某些类型的笔记本、微波炉、洗衣机等。随着电器类型的日益丰富，线路中可能造成直流漏电的概率也与日俱增，造成直流漏电的原因有很多，比如二次回路绝缘材料不合格，或年久失修、严重老化，设备损伤缺陷，二次回路及设备受潮、进水等原因。直流系统也是产生直流漏电的一个主要原因，一般应用在水利、火电厂，各种变电站等地方。

目前，直流检测方法有很多，直流检测技术的发展也是逐步完善的，根据现有的装置以及检测方法，可以分为：直流电桥法、信号注入法、以及差流检测法：直流电桥法是较早应用于直流检测的方法，但是方法误差较大；差流检测法是利用高灵敏的非接触式直流电流传感器检测出某一支路导线流入和流出的电流的差值，来判断该支路负载的绝缘情况。信号注入法是利用对注入直流操作电源中的特定频率的交流电流进行检测。

本发明结合差流检测法和信号注入法两者的优势，使用剩余电流互感器作为检测原件，线圈中心穿过L/N两线，通过对流入和流出的电流的不平衡，从而检测出此时的直流漏电值。众所周知，直流电无法使线圈产生磁场，即互感器无法检测出线路中的直流漏电值，此时，我们借用信号注入法的思想，利用单片机产生正负两相的方波，频率和幅值均可控。突加的方波信号从互感器的一次侧输入，会在线圈中产生瞬时磁场，而剩余电流互感器二次侧绕组会对这个磁场产生感应，从而输出对应的电信号，注意，此时二次侧绕组感应的信号中是包含了注入信号和存在的直流漏电信号的。

发明内容

本发明涉及一种通过剩余电流互感器检测直流漏电的检测方法及其装置。通过检测线路中剩余电流进行直流漏电测试，并通过二次算法分析，计算出直流漏电值，并对电路予以及时的保护。

本发明使用两相线圈的剩余电流互感器作为检测装置，如图1所示，通过控制芯片引脚可输出不同方波，由于方波上升沿默认是瞬时发生的，不同的方波幅值会产生不同的磁场强度。方波从芯片引脚输出后，输入到电流互感器的i1端口，由一次侧绕组产生磁场，磁场通过磁力线而存在，二次侧绕组对瞬变的磁场产生感应，从而产生相应的电流，经过采样电阻被ADC采样模块读取后输入到算法模块中进行分析，根据结果执行相应动作；

单片机产生固定频率为F1和F2两种频率的方波(F1>F2)，高频率特性利用坡莫合金的磁滞回线的不同漏电值达到不同饱和区的特性，而低频率特性同样利用了坡莫合金的激励方波幅值恒定后，二次感应电压稳定的特性，根据不同的特性产生的不同采样曲线特性，反推出直流漏电的电流值；

利用坡莫合金的磁滞回线特性，当使用频率F1时，二次侧绕组感应从一次侧绕组产生的磁场(此磁场叠加了直流漏电成分)，由于方波瞬时变化，认为其产生的瞬变磁场可以使二次侧绕组达到磁饱和区，与此同时，立即施加反向的方波，即产生了同样大小的反向磁场，这时二次侧绕组将从一侧的磁饱和区变化到另一处的磁饱和区，不同的直流漏电值将使二次侧绕组达到的磁饱和区的磁感应强度

B不同，从而通过对不同的磁感应强度进行提取分析，得到对应的直流漏电值；

利用坡莫合金的磁滞回线特性，当使用频率F2时，二次侧绕组感应从一次侧绕组产生的磁场(此磁场叠加了直流漏电成分)，由于方波瞬时变化，认为其产生的瞬变磁场，可以使二次侧绕组达到磁饱和区，而在此时并不同于F1频率时的效果，立即对其施加反向磁场，而是继续保持方波的输出不变，即相当于磁场并没有对二次侧绕组进行干扰，利用磁通量变化稳定的过程，此时的二次侧绕组感应电压将逐渐减小，不同的减小速度，对应不同的漏电值，数据分析采样值的不同，从而得到对应的直流漏电值。

附图说明

图1是剩余电流互感器工作原理的示意图。

图2是检测装置的简化的模型示意图。

图3是不同频率方波的特征量提取的原理图。

图4是坡莫合金的磁滞回线的简化模型示意图。

图5是直流漏电使用低频率方波的效果图。

图6是直流漏电使用高频率方波的效果图。

具体实施方式

下面结合图1至图4对本发明中提出的利用剩余电流互感器进行直流漏电测试方法以及装置进行说明。

本发明使用两相线圈的剩余电流互感器作为检测装置，交变磁场通过芯片引脚产生的恒流源输出的方波从而产生，不同的方波幅值会产生不同的磁场强度。如图1所以，方波从芯片引脚输出后，输入到电流互感器的i1端口，由一次侧绕组产生磁场，如果此时LN线出现直流漏电电流，由安培环路定理，

H*l＝N*i(t) (1)

故根据图2的简化模型，可以得到：

H*l＝N₃*i_p+i₁*N₁＝i₂*N₂ (2)

由(2)式，其中N₃为1匝，可得：

当存在直流漏电i_p时，i_p的作用实际上相当于使i₁移动了i_p/N₁。

此时二次侧绕组对变化的磁场以及直流漏电产生感应，根据图2的简化模型，二次侧的回路方程：

由

B(t)＝μ₀*μ(j)*H(t) (6)

代入到(4)式中，可得：

由于i(p)是直流电，故(7)式可简化为：

此时的二次侧产生相应的感应电流i₂，经过采样电阻被ADC采集模块读取后输入到算法单元中进行分析；

单片机产生固定频率为F1和F2两种频率的方波(F1>F2)，高频率特性利用坡莫合金的磁滞回线的不同漏电值达到不同饱和区的特性，而低频率特性保持方波的输出不变，即相当于磁场并没有对二次侧绕组进行干扰，利用磁通量变化稳定的过程，此时的二次侧绕组感应电压将稳定，不同的稳定速度，对应不同的漏电值，数据分析采样值的不同，从而得到对应的直流漏电值；

利用坡莫合金的磁滞回线特性，如图3(左)，当使用频率F1时，二次侧绕组感应从一次侧绕组产生的磁场(此磁场叠加了直流漏电成分)，由于方波瞬时变化，认为其产生的瞬变磁场可以使二次侧绕组达到磁饱和区，与此同时，立即施加反向的方波，即产生了同样大小的反向磁场，这时二次侧绕组将从一侧的磁饱和区变化到另一处的磁饱和区，不同的直流漏电值将使二次侧绕组达到的磁饱和区的磁感应强度B不同，从而通过对不同的磁感应强度进行提取分析，得到对应的直流漏电值；

利用坡莫合金的磁滞回线特性，如图3(右)，当使用频率F2时，二次侧绕组感应从一次侧绕组产生的磁场(此磁场叠加了直流漏电成分)，由于方波瞬时变化，认为其产生的瞬变磁场，可以使二次侧绕组达到磁饱和区，而在此时并不同于F1频率时的效果，立即对其施加反向磁场，而是继续保持方波的输出不变，即相当于磁场并没有对二次侧绕组进行干扰，利用磁通量变化稳定的过程，此时的二次侧绕组感应电压将逐渐减小，不同的减小速度，对应不同的漏电值，数据分析采样值的不同，从而得到对应的直流漏电值。

不同方波的频率，结合坡莫合金的磁滞回线，会有不同的效果，低频率利用二次线圈内磁通变化向0稳定特性，选取合适的稳定时间，高频率利用磁滞回线饱和区特性，选取合适的励磁时间达到饱和区磁感应强度值。如下表一、表二和三分别为两种原理所对应多个时长的数据验证：

步骤一：控制单片机产生频率为F1的方波，时间为一个周波，同时运行ADC进行数据采集，将数据送给单片机；

控制单片机产生频率为F2的方波，时间为一个周波，同时运行ADC进行数据采集，将数据送给单片机；

步骤二：对使用方波频率为F1的数据，进行数据取极值以及斜率操作，根据之前拟合的直流漏电值关于F1方波所计算出来的曲线，将极值和斜率带入到方程中，反推出此极值对应的直流漏电值，并将结果送入单片机的逻辑控制模块；

对使用方波频率为F2的数据，进行数据取极值操作，根据极值点的位置，取一定比例的数据点用作下一步处理，将所选数据点做均值滤波，之后将滤波后数据进行求斜率操作，再将所有的斜率进行累加，形成特征量输出，根据之前拟合的直流漏电值关于F2方波所产生的特征量计算出来的曲线，将此时的特征量带入到方程中，反推出此特征量对应的直流漏电值，并将结果送入单片机的逻辑控制模块；

对使用方波频率为F2的数据，以0mA数据为基础，将不同直流漏电值与0mA的曲线做欧氏距离处理，得到特征曲线，之后在实际测量时，将测量值与预存的0mA曲线做求欧式距离处理，结果通过与之前的特征曲线对比反推出实际漏电值，并将结果送入单片机的逻辑控制模块；

步骤三：将两个逻辑模块的结果进行分析，输出最终结果；无论是否为直流漏电情况，均将跳回步骤一继续下一次判断，凡是符合单片机逻辑模块的要求会执行相应的动作。

图5和图6分别是直流漏电使用低频率和高频率方波的效果图，分别选取了直流漏电值从0mA～100mA，每隔20mA一个间隔，从图中的结果和可以看出，实际效果和理论推导一样。

以上所述只是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护之内。

Claims (4)

1.本发明涉及一种通过剩余电流互感器检测直流漏电的检测方法，其特征在于：

通过检测线路中剩余电流进行直流漏电测试，并通过二次算法分析，计算出直流漏电值，并对电路予以及时的保护；由于直流漏电信号并没有波动，故需要外加磁场，即使用单片机控制输出方波，使当前时刻的线圈的磁通量达到饱和区，并通过采样电路将数据送入算法模块进行分析；根据饱和区所反馈的数值的不同从而反推出当前直流漏电值的大小；也可以在达到饱和后维持外部磁场不变，此时二次线圈感应电压由于磁感应强度B趋于稳定而趋于0，可根据电压稳定过程到0的特性反推当前直流漏电值的大小；根据所测量的当前的直流漏电数值，执行相应逻辑；

利用二次电压稳定特性，使用方波频率为F2时，对以F2为基础的半波内，对数据进行处理：使用均值滤波，去除采样点的波动性，使数据更平滑，之后对数据每隔固定时间，求取数据的变化率，最后对半波内的全部变化率进行求和；选取0mA直流漏电波形作为基准，将不同漏电值与基准一起求取欧氏距离，将一系列的漏电值形成的欧氏距离的矩阵作为特征量查表矩阵；

利用饱和区特性，使用方波频率为F1时，对以F1为基础的半波内，对数据进行处理：查找半波最大值，以及半波内数据的一定时间的最快的变化率作为特征量，形成系数矩阵，将一系列的漏电值形成的系数矩阵作为特征量查表矩阵。

2.根据权利要求1所述的一种通过剩余电流互感器检测直流漏电的检测方法，其特征在于：使用两相线圈的剩余电流互感器作为检测装置，交变磁场通过芯片引脚产生的恒流源输出的方波从而产生，不同的方波幅值会产生不同的磁场强度，方波从芯片引脚输出后，输入到电流互感器端口，由一次侧绕组产生磁场，如果此时出现直流漏电电流，二次侧绕组对变化的磁场以及直流漏电产生感应，从而产生相应的电流，经过采样电阻被ADC读取后输入到单片机中进行分析。

3.根据权利要求1所述的一种通过剩余电流互感器检测直流漏电的检测方法，其特征在于：单片机产生固定频率为F1和F2两种频率的方波(F1>F2) ，高频率特性利用坡莫合金的磁滞回线的不同漏电值达到不同饱和区的特性，而低频率特性同样利用了坡莫合金的磁滞回线的饱和区后，维持方波幅值，二次线圈感应电压趋于稳定的特性，当坡莫合金达到磁饱和以后，并不立即施加反向磁场，而是让线圈内的磁场稳定，恒定的磁感应强度对应着不变的磁通量，根据不同的二次感应电压曲线特性，反推出直流漏电的电流值。

4.根据权利要求1所述的一种通过剩余电流互感器检测直流漏电的检测方法，其特征在于：利用坡莫合金的磁滞回线特性，当使用频率F1时，二次侧绕组感应从一次侧绕组产生的磁场(此磁场叠加了直流漏电成分) ，由于方波瞬时变化，认为其产生的瞬变磁场可以使二次侧绕组达到磁饱和区，与此同时，立即施加反向的方波，即产生了同样大小的反向磁场，这时二次侧绕组将从一侧的磁饱和区变化到另一处的磁饱和区，不同的直流漏电值将使二次侧绕组达到的磁饱和区的磁感应强度B不同，从而通过对不同的磁感应强度进行提取分析，得到对应的直流漏电值；

利用坡莫合金的磁滞回线特性，当使用频率F2时，二次侧绕组感应从一次侧绕组产生的磁场(此磁场叠加了直流漏电成分) ，由于方波瞬时变化，认为其产生的瞬变磁场，可以使二次侧绕组达到磁饱和区，而在此时并不同于F1频率时的效果，立即对其施加反向磁场，而是继续保持方波的输出不变，即相当于磁场并没有对二次侧绕组进行干扰，利用磁通量变化稳定的过程，此时的二次侧绕组感应电压将逐渐减小，不同的减小速度，对应不同的漏电值，数据分析采样值的不同，从而得到对应的直流漏电值。

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