智能型漏電斷路器的設(shè)計(jì)

吳茂

（佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 廣東 佛山 528000）

電氣接地故障中電弧性對(duì)地短路是引發(fā)電氣火災(zāi)的重要原因。電弧性對(duì)地短路具有很大的阻抗和電壓降，它限制了故障電流，使過(guò)電流保護(hù)器不能動(dòng)作或不能及時(shí)動(dòng)作來(lái)切斷電源，而幾百毫安的漏電弧產(chǎn)生的局部高溫可達(dá)2000℃以上，足以引燃周圍的可燃物而引起火災(zāi)。況且，用電設(shè)備分布在建筑物的各個(gè)角落，危害范圍廣，如不對(duì)系統(tǒng)的漏電進(jìn)行監(jiān)測(cè)和防控，就會(huì)對(duì)人身和財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成威脅，存在很大的火災(zāi)隱患。智能型漏電斷路器能準(zhǔn)確監(jiān)控電氣線路的故障和異常狀態(tài)，能有效預(yù)防常見(jiàn)的因漏電導(dǎo)致接地電弧所引起的建筑物電氣火災(zāi)事故。為了保證人民生命財(cái)產(chǎn)安全，在建筑物的電源進(jìn)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(hù)原理

讓三相四線導(dǎo)線一起穿過(guò)一零序電流互感器CT，也可在中性線N上安裝一個(gè)零序電流互感器CT，利用這些CT來(lái)檢測(cè)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(dāng)電路中沒(méi)有發(fā)生設(shè)備漏電或接地故障且三相負(fù)荷完全平衡時(shí)，一次側(cè)中瞬時(shí)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(shí)，二次線圈中感應(yīng)電流IL=0。當(dāng)被保護(hù)的電路出現(xiàn)絕緣故障時(shí)，負(fù)載側(cè)有對(duì)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(shí)，零序電流互感器二次繞組中便產(chǎn)生感應(yīng)電流，即剩余電流 IL≠0。

圖1 剩余電流互感器工作原理Fig.1 Principle of residual current transformer

漏電斷路器主要由零序電流互感器CT，漏電檢測(cè)電路，脫扣器組成。被保護(hù)電路有漏電或人體觸電時(shí)，只要漏電或觸電電流達(dá)到漏電動(dòng)作電流值，零序電流互感器的二次繞組就輸出一個(gè)信號(hào)，經(jīng)過(guò)集成電路放大器放大后送給CUP，CPU輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)使漏電脫扣器動(dòng)作驅(qū)動(dòng)斷路器脫扣，從而切斷電源起到漏電和觸電保護(hù)作用。

2 斷路器控制器的設(shè)計(jì)

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(guò)載、過(guò)壓和欠壓（缺相）等電氣故障的監(jiān)測(cè)、分析、報(bào)警及控制于一體，主要具有以下功能：

1）具有剩余電流檢測(cè)和保護(hù)功能，當(dāng)檢測(cè)到發(fā)生漏電時(shí)，即剩余電流IL≠0，該信號(hào)經(jīng)過(guò)單片機(jī)采樣運(yùn)算后進(jìn)行快速判斷，當(dāng)剩余電流達(dá)到整定動(dòng)作值時(shí)，驅(qū)動(dòng)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(dá)到漏電保護(hù)的功能。

2）保護(hù)動(dòng)作電流、分?jǐn)鄷r(shí)間可調(diào)：用作臺(tái)區(qū)總保護(hù)時(shí)，剩余電流動(dòng)作值可設(shè)置為300～1 000 mA，分?jǐn)鄷r(shí)間可設(shè)置為0.6 s，而作為二級(jí)保護(hù)時(shí)，動(dòng)作電流可設(shè)置為200 mA檔，分?jǐn)鄷r(shí)間可設(shè)為0.3 s，這樣的設(shè)置可以避免因越級(jí)跳閘而引起的大面積停電現(xiàn)象的發(fā)生。

3）可智能識(shí)別突變剩余電流和緩變剩余電流，從而鑒別設(shè)備漏電和活體觸電。緩變與突變漏電分開(kāi)鑒別適合我國(guó)農(nóng)村低壓電網(wǎng)特點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用，是農(nóng)村安全用電的一項(xiàng)有效的技術(shù)措施。

4）具有過(guò)電流長(zhǎng)延時(shí)、過(guò)電流短延時(shí)和短路瞬時(shí)保護(hù)三段保護(hù)功能，組成所需的智能漏電斷路器保護(hù)特性。智能設(shè)定漏電電流、過(guò)電流長(zhǎng)延時(shí)、過(guò)電流短延時(shí)和過(guò)電流瞬時(shí)的整定值及預(yù)警值。

5）顯示并儲(chǔ)存故障發(fā)生點(diǎn)的線路地址、故障類型、故障發(fā)生時(shí)間和漏電電流、三相電流值。可記錄多達(dá)200條歷史故障，長(zhǎng)期保存，直到用指令刪除。

6）采用RS485總線通訊技術(shù)，可以利用總線與主機(jī)構(gòu)成主從式監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)用戶連網(wǎng)，在一臺(tái)電腦上可對(duì)1～250臺(tái)智能斷路器在線遠(yuǎn)程監(jiān)控，隨時(shí)檢查各用戶安全用電情況，隨時(shí)接通或分?jǐn)喔饔脩艄╇娋€路，并可對(duì)斷路器的各種參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)置.

2.2 整體硬件設(shè)計(jì)

智能型漏電斷路器主要由電源電路、單片機(jī)PIC24FJ64、三相交流電電壓電流檢測(cè)電路、剩余電流檢測(cè)電路、串行通信接口電路、人機(jī)接口電路及報(bào)警器等幾部分構(gòu)成的，如圖2所示。

圖2 斷路器控制器框圖Fig.2 Block diagram circuit breaker controller

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(hào)進(jìn)行調(diào)理后，輸入到單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換，單片機(jī)對(duì)其進(jìn)行采樣后進(jìn)行分析，輸出相應(yīng)的顯示及報(bào)警信號(hào)等。其分析的結(jié)果也可以通過(guò)RS485總線傳送到上位機(jī)。

2.2.1 單片機(jī)電路

單片機(jī)選用PIC24FJ64，它是由Microchip公司設(shè)計(jì)的一款改進(jìn)型哈佛架構(gòu)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(bào)警輸出、與上位機(jī)通信、液晶顯示及按鍵等功能。Microchip公司開(kāi)發(fā)、研制和生產(chǎn)單片機(jī)技術(shù)性能具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）哈佛總線結(jié)構(gòu)；2）精簡(jiǎn)指令集（RISC）技術(shù)；3）尋址方式簡(jiǎn)單；4）代碼壓縮率高；5）運(yùn)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(jiǎn)潔、開(kāi)發(fā)方便、可用C語(yǔ)言編程、程序保密性強(qiáng)等特點(diǎn)。

2.2.2 剩余電流檢測(cè)電路

剩余電流檢測(cè)電路是一個(gè)零序電流互感器。被保護(hù)的相線、中性線穿過(guò)環(huán)形鐵心，構(gòu)成了互感器的一次線圈，纏繞在環(huán)形鐵芯上的繞組構(gòu)成了互感器的二次線圈，如果沒(méi)有漏電發(fā)生，這時(shí)流過(guò)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(yīng)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。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(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這個(gè)信號(hào)就會(huì)被送到中間環(huán)節(jié)進(jìn)行進(jìn)一步的處理，如圖3所示。

交流信號(hào)經(jīng)過(guò)絕對(duì)值放大電路處理后，得到全波整流，處理后的信號(hào)送入到單片機(jī)中。單片機(jī)每個(gè)周期采樣36個(gè)點(diǎn)，根據(jù)式（1）可以計(jì)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(cè)

電流檢測(cè)由三相交流互感器、運(yùn)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(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)運(yùn)算放大器構(gòu)成的電路調(diào)理后整流濾波輸入到單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

傳統(tǒng)的電壓檢測(cè)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(jìn)行電壓檢測(cè)的缺點(diǎn)是互感器體積偏大，而很多時(shí)候設(shè)計(jì)的產(chǎn)品要求控制器的體積小巧，從而安裝使用方便，而采用線性光隔器的缺點(diǎn)是電壓檢測(cè)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(duì)電壓進(jìn)行檢測(cè)，既大大減小了控制器的體積，也可以保證電壓檢測(cè)的高精度。其原理圖如圖4所示。

圖4 電壓檢測(cè)電路Fig.4 Circuit of voltage detection

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(guò)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(guò)最大允許的采樣電壓，互感器副邊電壓經(jīng)過(guò)整流橋后變成單相全波，單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器可對(duì)全波進(jìn)行采樣分析。

電源相序檢測(cè)采用峰值檢測(cè)法，A、B、C三相電壓的相位相差120°。檢測(cè)的方法是當(dāng)檢測(cè)到A相的最大值是開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)檢測(cè)到B相的最大值時(shí)停止計(jì)時(shí)，A、B兩相峰值之間的時(shí)間間隔就可以得到，設(shè)為Δt，根據(jù)Δt可以求出A、B兩相的相位差φ，其計(jì)算公式為：

如果計(jì)算出來(lái)的相位差110°≤φ≤130°，可認(rèn)為相序正常，如果超出這個(gè)范圍，則判定為相序錯(cuò)誤。

2.2.4 RS485總線硬件電路

智能型漏電斷路器與上位機(jī)采用RS485總線通信，一臺(tái)主機(jī)可以控制多達(dá)250臺(tái)斷路器，RS485通信系統(tǒng)采用主從式結(jié)構(gòu)，從機(jī)不主動(dòng)發(fā)送命令或數(shù)據(jù)，一切都由主機(jī)控制。因此在一個(gè)通訊系統(tǒng)中，只用一臺(tái)上位機(jī)作為主機(jī)，其它各臺(tái)從機(jī)之間不能通信，即使有信息交換也必須通過(guò)主機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)。與上位機(jī)通信硬件電路如圖5所示。

圖5 RS485總線硬件電路Fig.5 Hardware circuit of RS485 bus

智能斷路器與上位機(jī)之間通信采用Modbus通信協(xié)議，Modbus通信協(xié)議是目前國(guó)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(dāng)上位機(jī)發(fā)送通信命令至斷路器時(shí)，符合相應(yīng)地址碼的從機(jī)接收通信命令，并根據(jù)功能碼及相關(guān)要求讀取信息。如果CRC校驗(yàn)無(wú)誤，則執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)，然后把執(zhí)行結(jié)果返送給主機(jī)。

3 智能斷路器的軟件設(shè)計(jì)

軟件完成整個(gè)斷路器的功能，采用模塊化結(jié)構(gòu)化的C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)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(shí)器、A/D轉(zhuǎn)換器等模塊的初始化工作、同時(shí)完成LCD界面顯示工作。

2）定時(shí)中斷服務(wù)子程序及A/D轉(zhuǎn)換子程序，主要完成A/D轉(zhuǎn)換任務(wù)及按鍵處理功能，單片機(jī)需要在一個(gè)周期（20 ms）采樣36次，并對(duì)采樣暑假進(jìn)行保存。

3）數(shù)據(jù)處理子程序，主要完成漏電電流的計(jì)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(gè)人機(jī)對(duì)話通道，用戶可以通過(guò)按鍵設(shè)置漏電保護(hù)的整定值、延時(shí)跳閘時(shí)間等，其參數(shù)的修改有密碼保護(hù)。

主要的軟件系統(tǒng)框圖如圖6所示。

圖6 軟件系統(tǒng)框圖Fig.6 Bblock diagram of software system

4 結(jié)束語(yǔ)

智能漏電斷路器 IRCCB是在配電網(wǎng)[8]中廣泛應(yīng)用的一種低壓電器 主要用于防止人身觸電和設(shè)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(jī)進(jìn)行智能型漏電斷路器的智能化設(shè)計(jì)，質(zhì)量可靠，抗干擾性強(qiáng)，并能夠通過(guò)總線通信技術(shù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)斷路器控制的系統(tǒng)化和網(wǎng)絡(luò)化。

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