李奎;戴逸华;牛峰;王尧;吕岩婷
【摘 要】针对电力电子设备发生漏电故障时的脉动直流电流信号进行傅里叶分析,得到不同触发角下脉动直流电流各谐波分量幅值的变化趋势,并能通过谐波分量的幅值比对触发角进行识别;根据剩余电流互感器在不同触发角下脉动直流电流信号的传变误差对二次侧电流进行补偿计算,从而得到一次侧脉动直流电流有效值;对剩余电流互感器进行试验测试分析,在脉动直流剩余电流下,二次侧信号与一次侧信号存在较大传变误差,而采用补偿计算方法后最大误差不超过4.5％.因此所提的触发角识别方法和脉动直流剩余电流补偿计算方法有效,可以提高脉动直流剩余电流检测精度.%The pulsating DC during the leakage fault of electronic equipment is analyzed by Fourier transform and the variation curve of its spectrum vs.the triggering angle is obtained,based on which,the triggering angle can be identified according to the amplitude ratio of harmonic components.The RMS of the primary pulsating DC can be calculated by compensating the secondary current according to the pulsating DC transmission errors of residual current transformer under different triggering angles.The exp
erimental analysis for residual current transformer shows that,the transmission error between the primary and secondary residual pulsating DCs is quite big and it is reduced to less than 4.5％ after compensation,which proves that,the proposed compensation method improves the detection accuracy of residual pulsating DC effectively.
【期刊名称】《电力自动化设备》
【年(卷),期】2017(037)005
【总页数】5页(P80-84)
【关键词】脉动直流;剩余电流;傅里叶分析;触发角识别;有效值
【作 者】李奎;戴逸华;牛峰;王尧;吕岩婷
【作者单位】河北工业大学电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室,天津300130;河北工业大学电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室,天津300130;河北工业大学电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室,天津300130;河北工业大学电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室,天津300130;河北工业大学电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室,天津300130
微型液位开关【正文语种】中 文
第一中文
【中图分类】TM761
0 引言
剩余电流保护是低压配电领域的一项重要保护技术，用来防止漏电火灾及保护人身触电安全。目前国内应用最广泛的是传统AC型剩余电流保护器，其利用剩余电流互感器RCT（Residual Current Transformer）二次侧输出电流直接驱动保护器的脱扣机构或经由电子元件放大二次侧电流信号后再驱动中间脱扣机构进行保护［1］，对突然施加或缓慢上升的正弦交流剩余电流能够进行有效检测和保护［2］。
随着电力电子技术的发展，非线性负荷逐渐增多，电力线路中的电力电子设备发生故障时会产生脉动直流剩余电流［3-5］。脉动直流剩余电流会改变电磁式RCT的传变特性［6-7］，因此AC型剩余电流保护器不能有效检测脉动直流剩余电流，可能发生拒动作。为此，国内外学者提出A型和B型剩余电流保护器：A型保护器仍采用电磁式RCT检测剩余电流，可以检测出脉动直流剩余电流，与传统AC型保护器相比，其对磁芯材料、参数以及软
件算法的要求更高［8-9］；在B型剩余电流保护器中采用磁调制原理检测漏电信号，可对脉动直流、平滑直流和交流剩余电流进行检测与保护，其电路结构比较复杂且成本比较高［3，10-12］。目前国内在脉动直流剩余电流检测与保护领域的研究还处于起步阶段，对脉动直流的频率特性及其影响缺乏深入的研究，A型剩余电流保护器仍不能准确识别脉动直流剩余电流，并且其动作特性分散性大。
本文推导出不同触发角下的脉动直流电流的傅里叶展开公式并分析其频谱特征，提出一种根据频率特征识别触发角并进行二次侧电流有效值补偿修正的方法，实现对脉动直流剩余电流有效值的准确测量。
1 脉动直流剩余电流频谱特征
脉动直流剩余电流通常由电力电子设备产生，由于电力电子元件工作时触发角α不同而产生不同波形的脉动直流剩余电流。
触发角为α的脉动直流剩余电流iF可表示为：
其中，触发角α的变化范围为［0，π），则iF为只包含正向电流的脉动直流电流，其波形
变化可涵盖国家标准规定的3种典型脉动直流剩余电流波形［2］。图1为iF波形示意图。
对iF进行傅里叶展开，将其等效为直流电流分量和各次谐波电流分量的叠加，可得到：
图1 脉动直流电流波形Fig.1 Waveform of pulsating DC
三足式离心机
根据式（3）和式（4）可得到不同触发角α下脉动直流电流iF的频谱分布，如图2所示。
图2 不同触发角α下iF的频谱分布Fig.2 Spectrum iggering angle α
从图中可以看出，脉动直流剩余电流包含较大的直流分量，谐波分量主要集中在10次谐波以下，基波分量幅值最大且谐波幅值随着频次的增加呈现递减的趋势。
2 触发角识别及有效值补偿算法
电磁式RCT不能传变脉动直流剩余电流中的直流分量，因此利用二次侧电流直接计算脉动直流剩余电流有效值存在较大误差。根据式（3）的第一个公式可知，直流分量幅值大小与触发角α相关，因此需要对触发角进行识别，进而补偿计算有效值。由于二次侧电流能直接反映一次侧电流交流分量的信息，因此仅对一次侧电流的交流分量进行研究。
2.1 触发角识别方法
根据图2可知，对于任一触发角α下的脉动直流电流各次谐波幅值随谐波次数增加呈现衰减趋势，且衰减速度随触发角α的增大而减小，因此可用某一高次谐波的幅值与基波幅值的比值衡量衰减速度，进而作为α的识别依据。根据式（3）和式（4）可得基波分量与n次谐波分量的幅值，分别为：
其中，A1与An均为α的函数。
人脸抓拍系统定义触发角识别函数fn（α）为：
当α=π时，A1与An均为0，此时定义：
2至5次谐波幅值的函数，其函数曲线如图3所示。
图3 fn（α）的函数数值曲线Fig.3 Curves of fn（α）
由图3可知，4次谐波对应的函数和5次谐波对应的函数线性度很差，且不单调，不能用于α的识别计算。2次谐波对应的函数与3次谐波对应的函数均为单调递增函数，f3（α）的斜率
大于 f2（α）的斜率，更有利于α的准确识别，因此选用f3（α）作为触发角识别函数。
2.2 有效值补偿算法
触发角为α的脉动直流剩余电流有效值为：
交流分量有效值IAC为：
根据式（8）和式（9）可以得到 Irms和 IAC的比值随触发角α变化的曲线，如图4中实线所示。
图4 Irms/IAC随触发角α变化的曲线Fig.4 Curve of iggering angle α
对图4中实线进行分段线性化处理，进而可以得到Irms和IAC的分段线性化比例关系，如图4中虚线所示，即：
利用触发角识别函数计算触发角，进而根据式（10）利用交流分量有效值即可计算脉动直流剩余电流的实际有效值。对于理想电流互感器，励磁电流为0，交流分量按照变比线性传变到二次侧，因此可以根据理想电流互感器二次侧电流频谱及有效值信息准确计算一次侧
的脉动直流剩余电流有效值。
在实际应用中，RCT的磁芯通常采用坡莫合金等高磁导率材料制成，其具有较高的灵敏度［13-15］。对于相同有效值的正弦交流和脉动直流剩余电流，脉动直流的峰值更大，并且峰值随着触发角的增大而增大。因此，用于A型剩余电流保护的RCT需要较大的铁芯横截面积，以保证在不同触发角的脉动直流剩余电流下铁芯不饱和。此外，RCT的采样电阻应该具有较小的阻值，以减少交流分量的损耗，进而减小传变误差。
3 实验验证及分析
搭建了实验平台对上述理论进行验证。通过可编程电源基于幅值Im=417 mA的正弦电流以15°为步长产生不同触发角的脉动直流电流，利用高精度数字电流表检测一次侧电流有效值，利用数字示波器观察并记录电流互感器采样电阻上的电压信号，并计算二次侧电流有效值I2rms。
互感器参数如下：采样电阻阻值RS=100 Ω，平均磁路长度l=50.5 mm，横截面积S=1.84 cm2，互感器匝数N=600，线性段磁导率μ=0.23 H/m。
图5从上至下分别为半波、90°波和135°波的一、二次侧实验波形及频谱分析图，其中二次侧电流按照互感器变比归算到一次侧。由于实际电流互感器存在励磁电流，各次谐波存在一定程度的损耗，二次侧谐波幅值与一次侧存在误差。人脸识别数据标注
根据触发角为0°～180°的脉动直流的二次侧电流测量结果，利用图3所示 f3（α）曲线求取触发角的计算值α′，其计算结果如表1所示。
图5 互感器一次侧和二次侧波形及其频谱Fig.5 Primary-side and secondary-side waveforms and corresponding spectrums of residual current transformer
表1 不同触发角下谐波分量测量结果及触发角计算值Table 1 Measured harmonics and calculated triggering angle for different triggering anglesα /（°） A1/μA A3/μA A3/A1α′/（°）0 307.07 8.64 0.028 17 15 302.05 14.86 0.049 23 30 293.03 35.16 0.120 37 45 273.41 61.26 0.224 52 60 239.02 77.48 0.324 65 75 193.02 82.94 0.430 77 90 136.00 75.41 0.555 92 105 74.87 48.97 0.654 104 120 39.73 30.20 0.760 118 135 15.59 13.42 0.861 134 150 3.95 3.64 0.922 146 165 0.38 0.37 0.965 158
磁石电话机
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议