剩余电流监测器（RCM）设计实践

摘 要 剩余电流的监测器（resiaualcur-rent monitor，简称RCM）是一种监测电气装置对地绝缘水平和防电弧性接地故障火灾的监测仪器。它由非传统低功率电流互感器、测量仪表、继电器、电子线路和声光信号器基本元件组成。RCM主要用于工矿企业、医院、学校等高层的建筑物。笔者根据现有国内外RCM产品知识以及有关国际电工标准，参与设计了一种性能可靠的、价廉的RCM。

【关键词】RCM 电流互感器 数字电压表 I-V变换单元

1 RCM结构

RCM主要由I-V变换单元、三位半数字电流表和声光报警单元和稳压电源组成。如图1所示。

2 I-V变换单元原理及特性

I-V变换单元由非传统低功率电流互感器和线性半波整流电路组成。

2.1 低功率电流互感器

低功率电流互感器是一个无源设备，基本结构是有一个环形铁心的互感器和一个高稳定性转换电路构成。由于成品价格较高不适用于批量产品生产选用，本次设计采用了自制。

2.1.1 零序电流互感器原理及性能

零序电流互感器TA由玻英合金制成。用0.2-0.3mm厚，宽12mm玻英合合金带材卷绕成内径60mm圆环铁芯。经表面绝缘处理后，用高强度漆包线QZ0.18绕制二次绕组。磁导率在μ值为60000时，绕线匝数在400-450匝。二次绕组表面用高强度聚酯绝缘带包扎4层。装入磁屏蔽合内，并引出绕组引线。磁屏蔽合上下二部分之间进行绝缘处理。一次绕组三根相线一根中性线经绝缘处理后通过磁环中心。

一次绕组通电后，若负载线路上没有触/漏电电流存在，一次导线电流的矢量合为零，铁芯中的磁通则互相抵消，次、互感器的二次绕组中的感应电动势E2也为零。

当被保护的负载线路上发生触/漏电或触电事故時，一次导线电流的矢量就不为零，它们在铁芯中产生的磁通也就不为零，因此，互感器二次线圈中便产生感应电动势E2。触/漏电或触电电流越大，二次感应电动势E2也越大。零序电流互感器作为一个检测元件，其作用就是把检测到的触/漏电信号变换成二次回路的工作电压E2。

零序电流互感器的传输特性、平衡特性和过载特性最终决定了零序电流互感器的主要性能。用输出能量与输出电流的比值标表征零序电流互感器传输特性的优劣。设r为零序电流互感器传输特性，即：

r有最大值，零序电流互感器传输性能达到最佳。即负载阻抗ZL与励磁阻抗Zm匹配。显然励磁阻抗越大，传输性能越好。

综前所述，改善零序电流互感器传输特性应注意如下几点：

（1）尽量提高一次绕组匝数N1，以提高励磁阻抗Zm。

（2）选取合理的匝数比，通过阻抗匹配取得互感器的最大输出。

（3）尽量增大互感器铁芯截面而缩小平均直径，也就是缩短平均磁路τ，提高导磁率。

（4）防止超大的对地短路电流，避免互感器铁芯产生过大剩磁。安装RCM的低压电网，必须安装带过载或短路保护的断路器，防止对地短路故障。

2.1.2 零序电流互感器的安装要求。

安装、运行使用不当将影响零序电流互感器性能。通过实践，保证措施是：

（1）一次线圈在“穿芯”时，孔心穿线要尽量对称，以免产生不平衡，可采用一次线钮绞平衡“穿芯”。

（2）避免外界磁场对互感器的干扰。一般采用远离强磁场和“磁屏蔽”的方法。

2.2 线性半波整流电路

图2中，线性半波整流电路的输入阻抗为10MΩ，频率响应20HZ～5KHZ。运算放大器CA3140与二极管VD3、VD4、C4、C2、C9、R10组成线性半波整流电路。CA3140属于高增益、高输入阻抗的运算放大器，为进一步提高输入阻抗，CA3140接成同相放大器使用。零序电流互感器二次绕组输出信号经分压加在同相输入端。电路中有隔直电容C3，当被测交流电压中包含直流分量时，也不会引起测量误差。C5、R6、C13，构成平滑滤波器。电路本身是与输入电压的平均值响应的正弦波而言，因与U有确定关系，所以改变AC-DC转换器的增益，即可读出有效值，图中电位器RP1是起调整作用的，微调RP1使A点输出与零序电流互感器一次绕组检测的零序电流成比例的直流电压，以供数字表测量。

输入电路的VD1和VD2组成输入大电流限幅保护，当主电路（一次侧）发生接地短路产生大电流冲击时为保护线性半波整流和数字表不受损害而设置。输入电路中的C1为补偿电容。用公式补偿电容的值是可行的，但不方便，也不够精确。工程中是通过实验确定C值。

在TA的二次绕组并接一补偿电容可以大大提高互感器的灵敏度。补偿电容C的作用一是与二次绕组形成串联谐振，二是使绕组电流呈容性电流，具有助磁效果。

表1为实验数据，列出了某互感器在未加补偿电容和加接1微法补偿电容的两种情况下的输出电势比较。

加补偿电容不仅提高了互感器的灵敏度，而且对于谐波信号，脉冲干扰和一些其他干扰有很强的抑制作用。但要注意适度补偿，主要是小电流区，否则会影响线性。

3 数字电压表的安装调试

3.1 ICL7107及其外围电路

由于前面所设I-V变换电路，已将互感器二次测电流的线性变化换成线性电压的变化。故采用3数字电压表进行测量。而计量单位为mA。

数字电压表核心电路采用美国英特希尔公司生产的ICL7107产品。7107型为大电流反相器输出，能驱动共阳极半导体数码显示器LED，显示亮度高、运行稳定。使用ICL7107组装数字表非常方便，无须加有源器件，配上少量阻容元件和LED显示器，就能构成一块直流数字电压表。它能通过内部的模拟开关实现自动调零和自动显示极性的功能。

3.2 数字电压表计量校准

数字电压表设计双面印制电路板，安装焊接完毕，检查无误后通电校准。先断开A点输入，接通±5V稳压电源供电，用3位数字电压表测量VB点电压，调整RP1，VB点电压指示为+100mV.被校表显示000。然后将A点接+2V电源，测量VIN点为200mV，被校表指示1999。如有误差可仔细调整R4与R5的分压比，直至准确指示1999为止。

4 整机调试校准

按图2将RCM接线完毕，在TA一次绕组中通以稳定的交流电流，电流从零开始缓慢上调至2A，然后调整I-V变换器中RP1，使A点电位准确指示为2V，数字电压表指示为1999（单位应对应为mA）。

报警点的设定：就防火而言，RCM反映的应是全建筑物而非局部范围的接地故障，故RCM必须装在户外电源进线处，通常报警点设在剩余电流200-300mA。我们选择300mA报警。在TA一次绕组中通以稳定的交流电流，从零调至数字电流表显示300mA，调整图2中RP2位置使IC2组成的比较器输出高电平；VT1饱和导通KA通电吸合， 驱动声光报警器CPY-ZZD-41声光报警。

整机通电老化24小时后，重复上述检查，经检验合格后可使用。

参考文献

[1]GB 13955-2005.剩余电流动作保护装置安装和运行[S].2005.

[2]王厚余.低压电气装置的设计安装和检验[M].北京：中国电力出版社，2007.

[3]朱遵义.基于ZigBee的剩余电流监视系统的设计[J].电气应用，2009（19）.

作者单位

烟台工贸技师学院 山东省烟台市 264003