智能型漏電斷路器的設計

摘要：敘述了剩余電流產(chǎn)生的原因及危害，設計了一套智能型漏電斷路器，并給出了硬件結構和軟件設計。試驗結果表明：該智能斷路器質量可靠、性能穩(wěn)定、完全達到了國家標準的要求。
關鍵詞：剩余電流；斷路器；電氣火災

    電氣接地故障中電弧性對地短路是引發(fā)電氣火災的重要原因。電弧性對地短路具有很大的阻抗和電壓降，它限制了故障電流，使過電流保護器不能動作或不能及時動作來切斷電源，而幾百毫安的漏電弧產(chǎn)生的局部高溫可達2000℃以上，足以引燃周圍的可燃物而引起火災。況且，用電設備分布在建筑物的各個角落，危害范圍廣，如不對系統(tǒng)的漏電進行監(jiān)測和防控，就會對人身和財產(chǎn)安全構成威脅，存在很大的火災隱患。智能型漏電斷路器能準確監(jiān)控電氣線路的故障和異常狀態(tài)，能有效預防常見的因漏電導致接地電弧所引起的建筑物電氣火災事故。為了保證人民生命財產(chǎn)安全，在建筑物的電源進線處及干線上安裝智能型漏電斷路器十分必要。

1 剩余電流產(chǎn)生的原因和保護原理
    讓三相四線導線一起穿過一零序電流互感器CT，也可在中性線N上安裝一個零序電流互感器CT，利用這些CT來檢測三相的電流矢量和，即剩余電流，如圖1所示，根據(jù)電路原理可知，當電路中沒有發(fā)生設備漏電或接地故障且三相負荷完全平衡時，一次側中瞬時電流的矢量和為零，即Ia+Ib+Ic+IN=0，在電流互感器中產(chǎn)生磁通的矢量和等于零，此時，二次線圈中感應電流IL=0。當被保護的電路出現(xiàn)絕緣故障時，負載側有對地泄載電流，零序電流互感器的矢量和不為零，即Ia+Ib+Ic+IN≠0，在電流互感器中產(chǎn)生磁通的矢量和也不等于零，此時，零序電流互感器二次繞組中便產(chǎn)生感應電流，即剩余電流IL≠0。

    漏電斷路器主要由零序電流互感器CT，漏電檢測電路，脫扣器組成。被保護電路有漏電或人體觸電時，只要漏電或觸電電流達到漏電動作電流值，零序電流互感器的二次繞組就輸出一個信號，經(jīng)過集成電路放大器放大后送給CUP，CPU輸出驅動信號使漏電脫扣器動作驅動斷路器脫扣，從而切斷電源起到漏電和觸電保護作用。

2 斷路器控制器的設計
2．1 系統(tǒng)基本功能
    智能型漏電斷路器集剩余電流、短路、過載、過壓和欠壓(缺相)等電氣故障的監(jiān)測、分析、報警及控制于一體，主要具有以下功能：
    1)具有剩余電流檢測和保護功能，當檢測到發(fā)生漏電時，即剩余電流IL≠0，該信號經(jīng)過單片機采樣運算后進行快速判斷，當剩余電流達到整定動作值時，驅動晶閘管，接通電磁脫扣器電源，電磁脫扣器吸合，使斷路器跳閘，從而達到漏電保護的功能。
    2)保護動作電流、分斷時間可調(diào)：用作臺區(qū)總保護時，剩余電流動作值可設置為300～1 000 mA，分斷時間可設置為0．6 s，而作為二級保護時，動作電流可設置為200 mA檔，分斷時間可設為0．3 s．這樣的設置可以避免因越級跳閘而引起的大面積停電現(xiàn)象的發(fā)生。
    3)可智能識別突變剩余電流和緩變剩余電流，從而鑒別設備漏電和活體觸電。緩變與突變漏電分開鑒別適合我國農(nóng)村低壓電網(wǎng)特點，得到廣泛應用，是農(nóng)村安全用電的一項有效的技術措施。
    4)具有過電流長延時、過電流短延時和短路瞬時保護三段保護功能，組成所需的智能漏電斷路器保護特性。智能設定漏電電流、過電流長延時、過電流短延時和過電流瞬時的整定值及預警值。
    5)顯示并儲存故障發(fā)生點的線路地址、故障類型、故障發(fā)生時間和漏電電流、三相電流值?？捎涗浂噙_200條歷史故障，長期保存，直到用指令刪除。
    6)采用RS485總線通訊技術，可以利用總線與主機構成主從式監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)用戶連網(wǎng)，在一臺電腦上可對1～250臺智能斷路器在線遠程監(jiān)控，隨時檢查各用戶安全用電情況，隨時接通或分斷各用戶供電線路，并可對斷路器的各種參數(shù)進行遠程設置。
2．2 整體硬件設計
    智能型漏電斷路器主要由電源電路、單片機PIC24FJ64、三相交流電電壓電流檢測電路、剩余電流檢測電路、串行通信接口電路、人機接口電路及報警器等幾部分構成的，如圖2所示。

    其主要工作原理：把從電流互感器和線性光隔器取得的三相電流、漏電及電壓信號進行調(diào)理后，輸入到單片機的A／D轉換，單片機對其進行采樣后進行分析，輸出相應的顯示及報警信號等。其分析的結果也可以通過RS485總線傳送到上位機。
2．2．1 單片機電路
    單片機選用PIC24FJ64，它是由Micrchip公司設計的一款改進型哈佛架構的高性能CPU，是智能斷路器的核心，它完成智能斷路器的各種控制功能，包括三相電壓、三相電流和漏電電流的采樣、數(shù)據(jù)處理、報警輸出、與上位機通信、液晶顯示及按鍵等功能。Microchip公司開發(fā)、研制和生產(chǎn)單片機技術性能具有以下優(yōu)點：1)哈佛總線結構；2)精簡指令集(RISC)技術；3)尋址方式簡單；4)代碼壓縮率高；5)運行速度高；6)功耗極低；7)PIC16F877芯片具有A／D、MSSP、USART串行總線端口等，并有外接電路簡潔、開發(fā)方便、可用C語言編程、程序保密性強等特點。
2．2．2 剩余電流檢測電路
    剩余電流檢測電路是一個零序電流互感器。被保護的相線、中性線穿過環(huán)形鐵心，構成了互感器的一次線圈，纏繞在環(huán)形鐵芯上的繞組構成了互感器的二次線圈，如果沒有漏電發(fā)生，這時流過相線、中性線的電流向量和等于零，因此在二次線圈上也不能產(chǎn)生相應的感應電動勢。如果發(fā)生了漏電，相線、中性線的電流向量和不等于零，就使二次線圈上產(chǎn)生感應電動勢，這個信號就會被送到中間環(huán)節(jié)進行進一步
的處理，如圖3所示。

    交流信號經(jīng)過絕對值放大電路處理后，得到全波整流，處理后的信號送入到單片機中。單片機每個周期采樣36個點，根據(jù)式(1)可以計算出剩余電流的有效值，其中X為采樣值。
   
2．2．3 三相電壓電流及相序檢測
    電流檢測由二三相交流互感器、運算放大器和整流濾波電路組成。其中三相交流互感器把電流轉換為電壓信號，經(jīng)運算放大器構成的電路調(diào)理后整流濾波輸入到單片機的A／D轉換器進行轉換。
    傳統(tǒng)的電壓檢測方法是采用電壓互感器或者線性光隔器，采用電壓互感器進行電壓檢測的缺點是互感器體積偏大，而很多時候設計的產(chǎn)品要求控制器的體積小巧，從而安裝使用方便，而采用線性光隔的缺點是電壓檢測精度不高。本系統(tǒng)采用電流互感器與電阻串聯(lián)的方法對電壓進行檢測，既大大減小了控制器的體積，也可以保證電壓檢測的高精度。其原理圖如圖4所示。

    電流互感器采用耀華電子生產(chǎn)的1：1的電流互感器TV16，由于電流互感器的原邊和副邊變比相等，所以副邊電壓等于原邊電壓．通過選擇合適的電阻R1，使電流互感器副邊輸出電壓峰值不超過最大允許的采樣電壓，互感器副邊電壓經(jīng)過整流橋后變成單相全波，單片機的A／D轉換器可對全波進行采樣分析。
    電源相序檢測采用峰值檢測法，A、B、C三相電壓的相位相差120°。檢測的方法是當檢測到A相的最大值是開始計時，當檢測到B相的最大值時停止計時，A、B兩相峰值之間的時間間隔就可以得到，設為△t，根據(jù)△t可以求出A、B兩相的相位差φ，其計算公式為：
   
    如果計算出來的相位差110°≤φ≤130°，可認為相序正常，如果超出這個范圍，則判定為相序錯誤。
2．2．4 RS485總線硬件電路
    智能型漏電斷路器與上位機采用RS485總線通信，一臺主機可以控制多達250臺斷路器，RS485通信系統(tǒng)采用主從式結構，從機不主動發(fā)送命令或數(shù)據(jù)，一切都由主機控制。因此在一個通訊系統(tǒng)中，只用一臺上位機作為主機，其它各臺從機之間不能通信，即使有信息交換也必須通過主機轉發(fā)。與上位機通信硬件電路如圖5所示。

    智能斷路器與上位機之間通信采用Modbus通信協(xié)議，Modbus通信協(xié)議是目前國際智能化儀表普遍采用的主流通信協(xié)議之一。兩者之間采用主從式通信方式，當上位機發(fā)送通信命令至斷路器時，符合相應地址碼的從機接收通信命令，并根據(jù)功能碼及相關要求讀取信息。如果CRC校驗無誤，則執(zhí)行相應的任務，然后把執(zhí)行結果返送給主機。

3 智能斷路器的軟件設計
    軟件完成整個斷路器的功能，采用模塊化結構化的C語言程序設計方案。主要包括的程序：
    1)系統(tǒng)主程序。主要完成系統(tǒng)的端口、定時器、A／D轉換器等模塊的初始化工作、同時完成LCD界面顯示工作。
    2)定時中斷服務子程序及A／D轉換子程序，主要完成A／D轉換任務及按鍵處理功能，單片機需要在一個周期(20 ms)采樣36次，并對采樣暑假進行保存。
    3)數(shù)據(jù)處理子程序，主要完成漏電電流的計算，漏電電流的判斷，跳閘與否的處理等工作。
    4)按鍵處理子程序，主要提供一個人機對話通道，用戶可以通過按鍵設置漏電保護的整定值、延時跳閘時間等，其參數(shù)的修改有密碼保護。
    主要的軟件系統(tǒng)框圖如圖6所示。

4 結束語
    智能漏電斷路器IRCCB是在配電網(wǎng)中廣泛應用的一種低壓電器主要用于防止人身觸電和設備漏電故障，其工作的正確性直接影響供電的安全性和可靠性，采用PIC單片機進行智能型漏電斷路器的智能化設計，質量可靠，抗干擾性強，并能夠通過總線通信技術的應用實現(xiàn)斷路器控制的系統(tǒng)化和網(wǎng)絡化。