剩余電流監測器（RCM）設計實踐

王娜

摘 要 剩余電流的監測器（resiaualcur-rent monitor，簡稱RCM）是一種監測電氣裝置對地絕緣水平和防電弧性接地故障火災的監測儀器。它由非傳統低功率電流互感器、測量儀表、繼電器、電子線路和聲光信號器基本元件組成。RCM主要用于工礦企業、醫院、學校等高層的建筑物。筆者根據現有國內外RCM產品知識以及有關國際電工標準，參與設計了一種性能可靠的、價廉的RCM。

【關鍵詞】RCM 電流互感器 數字電壓表 I-V變換單元

1 RCM結構

RCM主要由I-V變換單元、三位半數字電流表和聲光報警單元和穩壓電源組成。如圖1所示。

2 I-V變換單元原理及特性

I-V變換單元由非傳統低功率電流互感器和線性半波整流電路組成。

2.1 低功率電流互感器

低功率電流互感器是一個無源設備，基本結構是有一個環形鐵心的互感器和一個高穩定性轉換電路構成。由于成品價格較高不適用于批量產品生產選用，本次設計采用了自制。

2.1.1 零序電流互感器原理及性能

零序電流互感器TA由玻英合金制成。用0.2-0.3mm厚，寬12mm玻英合合金帶材卷繞成內徑60mm圓環鐵芯。經表面絕緣處理后，用高強度漆包線QZ0.18繞制二次繞組。磁導率在μ值為60000時，繞線匝數在400-450匝。二次繞組表面用高強度聚酯絕緣帶包扎4層。裝入磁屏蔽合內，并引出繞組引線。磁屏蔽合上下二部分之間進行絕緣處理。一次繞組三根相線一根中性線經絕緣處理后通過磁環中心。

一次繞組通電后，若負載線路上沒有觸/漏電電流存在，一次導線電流的矢量合為零，鐵芯中的磁通則互相抵消，次、互感器的二次繞組中的感應電動勢E2也為零。

當被保護的負載線路上發生觸/漏電或觸電事故時，一次導線電流的矢量就不為零，它們在鐵芯中產生的磁通也就不為零，因此，互感器二次線圈中便產生感應電動勢E2。觸/漏電或觸電電流越大，二次感應電動勢E2也越大。零序電流互感器作為一個檢測元件，其作用就是把檢測到的觸/漏電信號變換成二次回路的工作電壓E2。

零序電流互感器的傳輸特性、平衡特性和過載特性最終決定了零序電流互感器的主要性能。用輸出能量與輸出電流的比值標表征零序電流互感器傳輸特性的優劣。設r為零序電流互感器傳輸特性，即：

r有最大值，零序電流互感器傳輸性能達到最佳。即負載阻抗ZL與勵磁阻抗Zm匹配。顯然勵磁阻抗越大，傳輸性能越好。

綜前所述，改善零序電流互感器傳輸特性應注意如下幾點：

（1）盡量提高一次繞組匝數N1，以提高勵磁阻抗Zm。

（2）選取合理的匝數比，通過阻抗匹配取得互感器的最大輸出。

（3）盡量增大互感器鐵芯截面而縮小平均直徑，也就是縮短平均磁路τ，提高導磁率。

（4）防止超大的對地短路電流，避免互感器鐵芯產生過大剩磁。安裝RCM的低壓電網，必須安裝帶過載或短路保護的斷路器，防止對地短路故障。

2.1.2 零序電流互感器的安裝要求。

安裝、運行使用不當將影響零序電流互感器性能。通過實踐，保證措施是：

（1）一次線圈在“穿芯”時，孔心穿線要盡量對稱，以免產生不平衡，可采用一次線鈕絞平衡“穿芯”。

（2）避免外界磁場對互感器的干擾。一般采用遠離強磁場和“磁屏蔽”的方法。

2.2 線性半波整流電路

圖2中，線性半波整流電路的輸入阻抗為10MΩ，頻率響應20HZ～5KHZ。運算放大器CA3140與二極管VD3、VD4、C4、C2、C9、R10組成線性半波整流電路。CA3140屬于高增益、高輸入阻抗的運算放大器，為進一步提高輸入阻抗，CA3140接成同相放大器使用。零序電流互感器二次繞組輸出信號經分壓加在同相輸入端。電路中有隔直電容C3，當被測交流電壓中包含直流分量時，也不會引起測量誤差。C5、R6、C13，構成平滑濾波器。電路本身是與輸入電壓的平均值響應的正弦波而言，因與U有確定關系，所以改變AC-DC轉換器的增益，即可讀出有效值，圖中電位器RP1是起調整作用的，微調RP1使A點輸出與零序電流互感器一次繞組檢測的零序電流成比例的直流電壓，以供數字表測量。

輸入電路的VD1和VD2組成輸入大電流限幅保護，當主電路（一次側）發生接地短路產生大電流沖擊時為保護線性半波整流和數字表不受損害而設置。輸入電路中的C1為補償電容。用公式補償電容的值是可行的，但不方便，也不夠精確。工程中是通過實驗確定C值。

在TA的二次繞組并接一補償電容可以大大提高互感器的靈敏度。補償電容C的作用一是與二次繞組形成串聯諧振，二是使繞組電流呈容性電流，具有助磁效果。

表1為實驗數據，列出了某互感器在未加補償電容和加接1微法補償電容的兩種情況下的輸出電勢比較。

加補償電容不僅提高了互感器的靈敏度，而且對于諧波信號，脈沖干擾和一些其他干擾有很強的抑制作用。但要注意適度補償，主要是小電流區，否則會影響線性。

3 數字電壓表的安裝調試

3.1 ICL7107及其外圍電路

由于前面所設I-V變換電路，已將互感器二次測電流的線性變化換成線性電壓的變化。故采用3數字電壓表進行測量。而計量單位為mA。

數字電壓表核心電路采用美國英特希爾公司生產的ICL7107產品。7107型為大電流反相器輸出，能驅動共陽極半導體數碼顯示器LED，顯示亮度高、運行穩定。使用ICL7107組裝數字表非常方便，無須加有源器件，配上少量阻容元件和LED顯示器，就能構成一塊直流數字電壓表。它能通過內部的模擬開關實現自動調零和自動顯示極性的功能。

3.2 數字電壓表計量校準

數字電壓表設計雙面印制電路板，安裝焊接完畢，檢查無誤后通電校準。先斷開A點輸入，接通±5V穩壓電源供電，用3位數字電壓表測量VB點電壓，調整RP1，VB點電壓指示為+100mV.被校表顯示000。然后將A點接+2V電源，測量VIN點為200mV，被校表指示1999。如有誤差可仔細調整R4與R5的分壓比，直至準確指示1999為止。

4 整機調試校準

按圖2將RCM接線完畢，在TA一次繞組中通以穩定的交流電流，電流從零開始緩慢上調至2A，然后調整I-V變換器中RP1，使A點電位準確指示為2V，數字電壓表指示為1999（單位應對應為mA）。

報警點的設定：就防火而言，RCM反映的應是全建筑物而非局部范圍的接地故障，故RCM必須裝在戶外電源進線處，通常報警點設在剩余電流200-300mA。我們選擇300mA報警。在TA一次繞組中通以穩定的交流電流，從零調至數字電流表顯示300mA，調整圖2中RP2位置使IC2組成的比較器輸出高電平；VT1飽和導通KA通電吸合， 驅動聲光報警器CPY-ZZD-41聲光報警。

整機通電老化24小時后，重復上述檢查，經檢驗合格后可使用。

參考文獻

[1]GB 13955-2005.剩余電流動作保護裝置安裝和運行[S].2005.

[2]王厚余.低壓電氣裝置的設計安裝和檢驗[M].北京：中國電力出版社，2007.

[3]朱遵義.基于ZigBee的剩余電流監視系統的設計[J].電氣應用，2009（19）.

作者單位

煙臺工貿技師學院 山東省煙臺市 264003endprint