CN110609171B - 基于磁芯工作状态切换下的复杂剩余电流检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用磁芯工作状态切换的剩余电流检测方法。由于直流漏电信号并没有波动，线圈无法感应出信号，故需要将信号叠加到交变信号上，本发明使用芯片实现H桥电路输出正负方波两种状态来实现外加磁场，双向饱和激励方波信号进入磁芯双向饱和区，利用直流在磁化曲线不同区域产生的不同特性，通过算法提取、区分，完成直流漏电检测以及保护。交流漏电本身具有波动性，工作在磁芯线性区，因此线圈可直接感应出信号，包括50Hz，高频交流的400Hz，1kHz，20kHz，150kHz等，此时线圈为无激励信号，数据同样通过算法提取计算，完成交流漏电检测以及保护；利用正向激励、反向激励、无激励三种状态切换，完成对复杂剩余电流检测。
Description
技术领域
本发明属于漏电检测领域，主要涉及一种利用磁芯在磁化曲线不同区域对交直流剩余电流的不同响应，从而切换工作状态对复杂剩余电流的检测方法
背景技术
随着经济发展，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，需要检测各种复杂波信号，包括交流、直流、高频信号等；交流剩余电流，对人身危害极大，50mA/s 即心室颤抖，而随着用电类型的增多，针对直流剩余电流检测的问题，同样变的重要，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；因此对交直流剩余电流以及复杂波形的高精度检测，需求迫切。
目前，市场是针对B型以及规格更高的剩余电流检测产品，多使用电磁式电流互感器、霍尔电流传感器、以及磁调制式电流互感器等进行剩余电流检测，存在检测精度低，无法对全部剩余电流波形覆盖等缺陷，因此，需要发展一种能有效解决两种问题的方法。
发明内容
本发明针对上述问题，克服现有技术的不足，提出使用铁氧体作为磁芯材料，以电压激励方式与纯感应方式结合的方法，数据通过全电子式处理，有效解决了全部类型剩余电流覆盖以及高精度区分判别的两个难点。
本发明涉及一种利用磁芯在磁化曲线不同区域对交直流剩余电流的不同响应，从而切换工作状态对复杂剩余电流的检测技术。通过检测线路中剩余电流进行漏电测试，并通过二次算法分析，计算出不同类型剩余电流的值，软件判别，从而达到对漏电的防护。
本发明使用两相线圈的剩余电流互感器作为检测装置，如图一所示，通过芯片控制检测绕组的工作状态，从而实现对不同类型的剩余电流进行检测。交流剩余电流为交变信号，故可以通过线圈产生感应信号，此时利用磁芯的线性区，可以感应出不失真的交流信号，线性区的可检测信号的量程范围经过计算满足国标要求，超过范围的信号会被直接判定为过阈信号；直流剩余电流在存在时认为是恒流的，故产生恒定的磁场，此时无法使用线圈直接感应，但是直流在磁滞回线的非线性区会有感应信号，因此在测量直流时使用正负激励方波的方式，使信号交替作用于磁滞回线的两个饱和区，则不同直流量可以在不同区域产生不同响应，通过算法分析处理，从而完成直流检测。
利用铁氧体的磁滞回线的线性区，此时存在交变信号时，二次侧可以感应出对应信号，幅值大小与线圈匝数成反比，铁氧体的线性区相对较宽，因此有着更好的测量交流剩余电流的特性，对于50Hz的工频信号而言，由于频率低，同样的感应信号幅值会变小，但是通过软件补偿可以弥补差异，对于其余高频信号，均可通过线性区感应出来，感应的效果只与材料特性有关，而铁氧体参数通过定制，满足高频率交流检测性能要求；
利用铁氧体的磁滞回线的特性，直流信号对线性区不敏感，饱和区同样原理，但是在非线性区会有直流量的感应值，正是通过此区域的变化值，可以完成对直流剩余电流的检测；饱和激励方波，需要双极性方波，而芯片只能输出单极性的方波，为了实现给磁芯加以双极性的方波激励，保证磁芯能够双向进入饱和区，需要通过H桥将单极性的方波转为双极性的方波，在半波进入饱和时，立即施加反向的方波激励，即产生了同样大小的反向磁场，此时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达到饱和安匝数的时间不同，对应电流也不同，从采样电阻采样可以提取出不同直流剩余电流的差异，通过算法分析，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是三态切换工作在磁滞回线不同区域的示意图。
图4是铁氧体的磁滞回线的简化模型示意图。
图5是直流漏电使用激励方波的效果图。
图6是直流剩余电流数据图。
图7是交流剩余电流数据图。
具体实施方式
下面结合图1至图7对本发明中提出的利用磁芯不同工作状态的三态切换方式对复杂剩余电流检测技术进行说明，以具体阐述本发明的技术方案
本发明使用铁氧体的剩余电流互感器作为检测装置，通过三态切换控制，完成对复杂剩余电流的检测。如图二所示，检测交流时，通过状态控制模块，使回路工作在无电压的纯感应模式，利用磁芯线性区特性，交变的剩余电流可以通过线圈感应出电流信号，通过采样电阻被采集到；
检测交流时磁芯工作在线性区，根据安培环路定理，磁场强度H为；
当磁芯工作在线性区时，磁导率u几乎为常数，则磁感应强度B：
则感应电动势E为：
通过上述公式，可以推断：当磁芯工作在线性区时，此时信号针对交流信号敏感，而对直流信号不敏感，所以认为此时感应信号为交流信号值。
当信号通过非线性区时，磁导率是变化的，当激励幅值随时间变化时，可以将磁导率看作是时变参数μ(t)。此时线圈的感应信号可表示为：
通过公式可以分析：由于工作在非线性区，此时的磁导率μ(t)为变化的，故在非线性区时，直流量可以感应出信号，利用此处的变化，通过算法提取分析，即可以对直流信号进行检测和判别。
当激励信号使磁芯工作在饱和区时，激励信号进入深度饱和，此时信号可以完整反映磁滞回线的全部特性，当信号进入深度饱和区时，由于此时磁导率近似等于0，故没有感应信号，但由于激励方波的存在，回路中电感此时无阻碍作用，相当于一个小电阻分压，因此采样电阻上采集的信号是近似激励方波幅值的恒定电压值。
如果交流剩余电流足够大，使用纯感应方式，使磁芯工作进入饱和区，则交流信号会覆盖磁滞回线的全部区域，不同区域信号的感应波形会有不同响应，线性区，信号依旧可以感应出交流信号，在非线性区，信号会叠加上偶次谐波，而在深度饱和区，此时无感应信号，信号会衰减。
检测直流时，通过状态控制模块，输出正负饱和激励信号，方波信号的频率可调，根据饱和安匝数计算出达到饱和所需的充电时间，控制方波信号的周期大于等于双向充电时间之和，且周期内可以使信号达到磁芯的双向深度饱和区，如图四所示的磁化曲线的简化模型，在0～t1时间段内，磁导率较小，此时线圈阻碍作用很小，激励信号的响应很快变化；在t1～t2 时间内，磁导率认为最大，会有一段阻碍变化的过程；在t2～t3时间段内，由于磁导率又由大变小，此时的感抗恢复小数值，阻碍作用变小，响应信号快速变化；在t3之后，线圈进去深度饱和区，电阻上信号的趋于稳定；如图五，当出现直流剩余电流时，出现上下波形横向稳定的波形，实际电路采样数据如图六所示。
使用两种状态的激励方波的形式，不但可以检测直流剩余电流，同样对于部分频率的交流剩余电流，也可以通过算法分析处理，由于注入方波频率高，即使对于交流信号而言，同样可以认为在一个激励半波时间内漏电电流大小不变，根据磁滞回线对于不同直流存在产生的不同响应，不同的漏电信号值叠加到检测绕组的激励方波上，此时的感应原理就与直流剩余电流检测原理一样，信号在采样电阻上被采集到，通过特征提取，就可以完成对复杂波形的复现，激励方波相对于待检测的信号，为一个调制信号，根据采样定理，可以分析出的感应信号的最大频率为激励方波频率的 1/5；
检测绕组的感应电流is，经过采样电阻先通过PGA放大电路，再被 ADC采样模块读取后输入到算法DSP单元中进行分析；
步骤一：控制芯片内部电路，使线圈和电阻构成纯感应测量交流模式，此时激励电压为0，近似直连，持续时间t2ms，数据通过运放电路后经过ADC采样送入硬件算法DSP模块，通过算法进行运算分析，进而判别；
步骤二：控制芯片内部电路，当完成交流剩余电流检测时，切换工作状态，输出正负电压两种状态，交替产生，近似为正负极性的方波激励信号，此时线圈和采样电阻被叠加了激励方波，方波使磁芯在正负饱和区来回工作，激励时长t1ms，数据通过运放电路后经过ADC采样送入硬件算法DSP模块，通过算法进行运算分析，进而判别；
步骤三：在算法DSP模块中，有专门的切换控制算法，用于防止突加大电流时，检测时间无法满足国标动作要求，当在某一状态进行复杂剩余电流检测时，若发现突加大电流，则算法模块控制产生中断，根据此时采样的信号特定，分析突加信号的类型(大直流，大交流等)，结合此时工作在交流/直流的检测状态，控制检测状态继续维持t2/t1ms，或者立即切换到直流/交流检测状态，同样持续时间t2/t1ms，数据通过运放电路后经过ADC 采样送入硬件算法DSP模块，通过算法进行运算分析，进而判别。
图六和图七，分别对应直流和交流剩余电流的实际采样信号，通过算法特征提取和分析，可以得到最终结果，从图中的数据可以看出，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，还可以作出若干改进和变化。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 (5)
1.一种基于磁芯工作状态切换下的剩余电流检测方法，利用磁芯在磁化曲线不同区域对交直流剩余电流的不同响应，从而切换工作状态对复杂剩余电流检测，其特征在于：
步骤一，控制芯片配置成无电压的纯感应模式，模式持续t1ms；
步骤二，控制芯片配置成饱和激励正负方波的模式，模式持续t2ms；
步骤三，对应持续时间完成，采样数据会通过算法模块输出特征量，软件对特征量进行处理，完成此时刻的状态判断；
步骤四，发生突加大电流情况，对突加情况的幅值偏大的不同波形剩余电流进行及时响应，通过算法模块对突加特性进行识别，之后通过状态控制模块对测试状态进行切换，及时对信号进行采集处理，保证数据处理的及时有效，待采集完成，算法模块处理完成，软件立即进行处理；
直流剩余电流由于是恒定电流，产生恒定磁场，此时检测绕组无法产生感应信号，因此需要将直流信号叠加到一个交变信号上，本方案采用H桥驱动电路，产生正负方向饱和激励的两种状态的电压，切换频率可调；交流剩余电流本身是交变磁场，因此可以被检测绕组感应到，此时并不需要方波激励信号，电路调整成纯感应的方式，采样电阻与线圈直连；利用正电压、负电压、无电压三种状态的切换，完成对交流和直流剩余电流的检测。
2.根据权利要求1所述的一种基于磁芯工作状态切换下的剩余电流检测方法，其特征在于：
采用铁氧体作为磁芯材料。
3.根据权利要求1所述的一种基于磁芯工作状态切换下的剩余电流检测方法，其特征在于：步骤二根据的原理为：
直流剩余电流由于是恒定电流，产生恒定磁场，此时检测绕组无法产生感应信号，采用H桥驱动电路，产生正负饱和激励电压，近似看作正负极性的方波，调整切换频率，使信号可以双向进入磁滞回线的饱和区，由于直流剩余电流在磁滞回线的不同区域会产生不同的感应信号，利用这些信号上的差异，可以检测出不同的直流剩余电流，通过算法提取，获得实际直流剩余电流值，从而执行相应操作。
4.根据权利要求1所述的一种基于磁芯工作状态切换下的剩余电流检测方法，其特征在于：
使用正电压、负电压产生一组激励响应信号，每次的数据处理通过采集一个周期的正负响应信号进行数据处理，多个激励周期进行结合，对剩余电流进行判别。
5.根据权利要求1所述的一种基于磁芯工作状态切换下的剩余电流检测方法，其特征在于：
可检测的剩余电流波形涵盖工频交流、平滑直流、脉动直流以及高频交流，通过芯片控制检测状态的三种模式切换，从而完成对全波形剩余电流的检测，通过算法处理，计算出对应的信号的值，通过多数据信号处理，从而执行相应操作。
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