CN112327202A - 非侵入式漏电检测传感器设计方法 - Google Patents

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张杨
蒋小明
王理扬
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Abstract

本发明公开了一种非侵入式漏电检测传感器设计方法，通过导线磁场模型推导剩余电流计算模型，然后根据剩余电流计算模型设计传感器拓扑，并对传感器拓扑进行参数消除修正，可提高拓展传感器拓扑使用范围。本发明不但提高了漏电检测的可靠性，而且相比于传统漏电检测具有可靠性高、检测速度快的特点，提高实用性。

Description

非侵入式漏电检测传感器设计方法
技术领域
本发明涉及电力领域，具体涉及漏电检测，提出一种非侵入式漏电检测传感器设计方法。
背景技术
经济的持续繁荣带动了我国电能消费市场和国内电力能源基础设施建设，目前我国供电范围已基本覆盖全境，家用电气设备持有率不断提升，用电环境不断变化，然而用电便利的同时也带来很多的安全隐患。例如很多电气设备绝缘破损或使用不当导致设备产生漏电，使线路剩余电流过大，造成剩余电流保护器跳闸，且漏电点隐蔽难以定位，为保证供电的可靠性，很多用户会将剩余电流保护器旁路或直接不安装，由于某些电器设备的元器件阻燃性、耐热性差，此时电器发生漏电时会引发电气火灾，这对民众带来很多财产和人身威胁。
线路漏电引发火灾事故的比例大约占三分之一，因此线路漏电引起的电气火灾是目前亟待解决的问题。通常线路外部绝缘损坏或用电设备使用不当导致设备内部意外接地，而用电设备故障回路阻值较大，因此设备导电体会流过一个较小的漏电流，该电流随机存在设备内部导电体与地形成的回路中，隐蔽性极强，检测困难大。漏电流存在时会引起供电火线、零线大小不相等，通常可利用两者差值即剩余电流进行检测，传统的过流保护器无法准确反应剩余电流的变化，任由漏电点的存在，造成电气火灾频发。
发明内容
本发明提供了一种非侵入式漏电检测传感器设计方法，采用巨磁电阻传感器设计了阵列拓扑结构以及推导出剩余电流检测数学模型，其特点为快速、准确。
为了实现上述发明的目的，本发明采用如下技术方案：一种非侵入式漏电检测传感器设计方法，包括如下步骤：
A.根据导线磁场模型推导剩余电流计算模型；
B.根据剩余电流计算模型设计传感器拓扑；
C.对传感器拓扑进行参数消除修正；
D.拓展传感器拓扑使用范围。
所述步骤A具体为：
单导线上某一电流元dl在空间中P点产生的磁场按照毕奥-萨伐法定律可计算为：
Figure BDA0002572282750000011
其中，
Figure BDA0002572282750000021
为电流元产生的微磁通量，I为导线电流强度，k为比例系数，k＝μ0/4π，其中μ0为真空磁导率常数其值为4π×10-10H/m，上式也可写为，
Figure BDA0002572282750000022
其中α为P点和电流元连线与导线电流正方向的夹角，
Figure BDA0002572282750000023
为电流元在P点沿
Figure BDA0002572282750000024
方向上激发的单位磁场，因此单导线在P点的外部磁场计算式为：
Figure BDA0002572282750000025
所述步骤B具体为：
利用传感器输出确定线路剩余电流在外界某一距离下的磁场强度B，再反向推导出线路剩余电流值，可推导出在剩余电流ΔI(t)计算式为：
Figure BDA0002572282750000026
所述步骤C具体为：
由于传感器敏感轴很难与磁场垂直，等式中出现了ΔI(t)、α、θ三个未知量，即使传感器阵列方程数足够，但由于未知量θ在参数中属于非线性成分使方程组过于复杂很难化简求解，因此对于ΔI(t)、α、θ三个未知量可通过调整传感器位置将θ消去。
所述步骤D具体为：
当室内有部分线路在空间中无法实现传感器S5中心点与导线连线和墙体垂直，即导线偏离阵列中心位置，时无法采用上述剩余电流的计算模型，且由于该情形在实际中有时存在，因此需要对此种情形进行分析，该情形是由于阵列在检测时传感器S3、S4、S5连线与导线连线成α角度，且无法通过调整位置将α消去，不过可以通过采用上节模型在D1区域计算出线路暗敷深度ra，通常不同检测位置线路暗敷深度ra不变，或者在某些情形已知线路暗敷深度.
有益效果：
本发明提供了一种非侵入式漏电检测传感器设计方法，通过非侵入式传感器输出确定线路剩余电流在外界某一距离下的磁场强度B，再反向推导出线路剩余电流值，不但提高了漏电检测的可靠性，而且将非侵入式的磁传感器阵列运用到剩余电流检测，具有体积小、检测灵活、易维护、更智能的优势。
附图说明
图1是本发明实施例中单导线磁场示意图；
图2是本发明实施例中双导线磁场示意图；
图3是本发明实施例中非侵入式传感器阵列拓扑结构图；
图4是本发明实施例中导线偏离阵列中心位置检测示意图。
具体实施方式
为了方便更好地理解本发明的内容，下面结合具体实施例进行进一步阐述。
如图1所示，为本发明实施例中单导线磁场示意图，其中sinα＝cosβ，r＝asecβ，l＝atanβ，dl＝asec2βdβ，因此B的大小可推导为：
Figure BDA0002572282750000031
当线路等效为无限长导线时，
Figure BDA0002572282750000032
带入上式可得：
Figure BDA0002572282750000033
当导线通入工频交流电流，此时：
Figure BDA0002572282750000034
如图2所示，为本发明实施例中双导线磁场示意图，其中I1(t)、I2(t)分别为工频交流下双向对流导线中电流，α为P点与导线I1(t)间的距离，D为两导线间的距离，
Figure BDA0002572282750000035
为P点与导线I1(t)间的角度，通过对单导线外部磁场的分析，可以得出双导线在P点的磁场大小Bp为：
Figure BDA0002572282750000036
其中
Figure BDA0002572282750000037
为导线I1(t)在P点产生的磁场强度，B2p为导线I2(t)在P点产生的磁场强度B2一个x轴分量，其中
Figure BDA0002572282750000038
因此
Figure BDA0002572282750000039
由三角形余弦定理可推导出：
Figure BDA00025722827500000310
因此B2p推导出为：
Figure BDA0002572282750000041
将上式经过化简最终可推导出双导线在P点的磁场大小Bp为：
Figure BDA0002572282750000042
从上式可以分析最后模型中只含有D、α、
Figure BDA0002572282750000043
三个未知量，由于火线、零线通常是紧缚在一起并行走线，因此D≈0，带入上式可将双导线模型简化为：
Figure BDA0002572282750000044
式中I1(t)-I2(t)恰好为剩余电流ΔI，因此为传感器阵列检测线路剩余电流提供一种新的思路。
如图3所示，为本发明提供了一种非侵入式传感器阵列拓扑结构图，在P点处传感器S3两侧各增加距离l的传感器S1、S2，当S1、S2的输出B1p＝B2p时，传感器S3中心与线路连线必定和墙体垂直，根据r1＝r2,cosθ1＝cosθ2则可推导出传感器S3中心与线路连线必定和墙体垂直，且传感器敏感轴与线路在空间中相互垂直，因此通过在传感器S3增加两个传感器S1、S2确保S3中心与线路连线和墙体始终垂直，解决了消去θ的问题。接下来则需要分析剩余电流ΔI(t)和传感器中心点与线路的距离r的求解，三个传感器中S3主要是用来构建求解方程组，此时系统有ΔI(t)、r两个未知量，未知量的个数大于方程组数，系统有无数多解，为使方程组的个数大于或等于未知量的个数，且增加的传感器中心与线路连线必须和墙体垂直，因此可通过在传感器S3中心与线路连线的延长线上增加两个距离l1的传感器，通过增加传感器S4使方程组数和未知数相等，此时ΔI(t)、r有唯一解，增加传感器S5则为了减少检测误差以及考虑线路磁场衰减距离，即更远距离的传感器检测误差成分更大，综合考虑只增加一个传感器，使用S3、S4、S5两两组合可以求解出三组ΔI(t)、r，最后根据模型的仿真结果分析计算出误差最小的剩余电流值。
如图4所示，为本发明提供了一种导线偏离阵列中心位置检测示意图，传感器S3的输出B3计算式为：
Figure BDA0002572282750000045
由于α-90+δ＝90，因此cosδ＝cos(180-α)＝-cosα
Figure BDA0002572282750000051
传感器S4的输出B4计算式为：
Figure BDA0002572282750000052
根据几何关系推导，其中
Figure BDA0002572282750000053
Figure BDA0002572282750000054
则此时
Figure BDA0002572282750000055
Figure BDA0002572282750000056
Figure BDA0002572282750000057
最终化简可得：
Figure BDA0002572282750000058
因此非侵入式传感器阵列运用两种剩余电流计算模型可适用于多种环境下剩余电流采集的情形，拓展了非侵入式传感器阵列的使用范围。
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种非侵入式漏电检测传感器设计方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：A.根据导线磁场模型推导剩余电流计算模型，B.根据剩余电流计算模型设计传感器拓扑，C.对传感器拓扑进行参数消除修正，D.拓展传感器拓扑使用范围。此方法通过剩余电流大小定位到漏电点位置，线路剩余电流测量误差在可接受的范围，利用所述方法设计的传感器能够实现更好的检测效果。
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