智能漏電保護器的設計

馬瑜+王馨漪

摘要：低壓電網的漏電保護早已經引起了我們國家各個用電部門及勞動保護部門的高度重視，大力建設完善的科學的智能漏電保護體系迫在眉睫。漏電保護器能夠實時監測當前剩余電流值的大小，能適應各種復雜的電網和多變的環境，能夠同時保證用電安全與供電的可靠性。采用單片機為處理器，并對單片機系統單元、電流信號采集單元、人機接口單元等硬件電路進行了研究和分析，用單片機技術進行軟硬件設計，實現漏電流的檢測，快速處理和顯示，設計出高可靠低價位的新型漏電保護器。

關鍵詞：單片機；智能；漏電保護器

0 引言

漏電保護器的發展大約經歷了三個階段，即初始階段、發展階段和成熟階段。我國研究漏電保護器起步要晚于國外，進入二十世紀七十年代以來，我國用電量逐年增加，觸電事故也逐年增加，因此引起各部門的相當重視[1]。

隨著微電子技術的不斷發展，單片機的集成度越來越高，功能越來越豐富。以單片機為主體，取代傳統儀器儀表的常規測量電子線路，可以容易地將計算機技術與測量控制技術結合在一起，組成新一代的所謂“智能化測量控制系統”。在數據采集系統中采用單片機技術，能夠解決許多傳統儀表不能或不易解決的問題。這種新型的智能儀表在測量過程自動化，測量結果的數據處理以及功能多樣化方面，都取得了巨大的進展[2]。

1 智能漏電保護器硬件設計與實現

1.1總體設計框圖

智能化漏電保護器的硬件可以劃分為五大部分，即漏電檢測電路、相位同步電路、漏電動作電流和時間延時設定電路、漏電數字顯示電路和動作執行單元。總體設計框圖如圖1所示。

漏電檢測電路由零序電流互感器和信號處理單元組成，這部分電路將檢測出漏電信號送到單片機的A/D輸入通道，轉換為單片機可以處理的數字信號，相位同步電路負責將電網的電壓信號與漏電信號的相位進行比較，單片機根據它們的相位差來判斷各相漏電電流，漏電動作電流和時間設定電路是來設定額定漏電動作電流及動作時間，根據需要也可以設定為單片機自動選擇額定漏電動作電流，漏電數字顯示電路是由單片機控制，顯示電網的漏電電流動值和動作原因，動作執行單元直接由單片機控制，完成漏電保護功能。

1.2 零序電流互感器的選擇

零序電流的檢測是基于整個系統原始信號，零序電流的互感器在整個系統準確程度完全決定了整個電氣系統的不一樣的精度，所以對于互感器的選擇尤為重要。而且一般來說，零序電流互感器在原方電流小于2-5安培時它的變比和相角誤差均較大，不能滿足微機檢測設備的要求。所以選擇高精度零序電流互感器LJWZ-3型，它的優點是即使原方電流很小，能夠保證足夠的精確度。其輸出信號接負載電阻后送低通濾波器進一步處理。

1.3 低通濾波器設計

由于大量在電力系統的諧波，尤其是三次和五次諧波會向數字系統帶來很大的傷害，為避免諧波的影響，必須有濾波電路將各次諧波濾除。濾波器電路實際上是一種選頻網絡，根據阻帶的不同可分為低通、高通、帶通、帶阻濾波電路，工頻電網中的諧波絕大多數是高次奇次諧波，因而需要低通濾波器。使用運算放大器的濾波電路是有源濾波電路，由于運放的存在，高輸入阻抗、低輸出阻抗和一定程度的反饋，消除了因電阻分壓而造成的輸出信號幅值變小的缺點，是一種理想的濾波電路。本文所采用的是有源濾波。常用的濾波器有巴特沃斯型和切比雪夫型。本文設計了四階切比雪夫模擬濾波器用以消除三次以上諧波對系統造成的影響。其設計性能要求達到三次諧波衰減達到40dB，

1.4相位同步電路的設計

在三相電網中的漏電保護器能夠分別顯示出三相漏電電流。在三相電網中，只單純地顯示三相漏電矢量和，還不能完全滿足用戶的需要。分別顯示出各相漏電電流，更便于用戶進行故障分析，判斷究竟是哪一相線路發生了漏電。

漏電信號分析模塊中在對漏電信號進行處理時，泄漏信號處理模塊的泄漏信號分析，需要將泄漏信號被劃分成三個階段的漏電流[3-4]，從而輸出顯示，如圖3所示。

1.5單片機接口電路設計

1.5.1單片機接口按鍵設計

按鍵部分用于設置動作電流和時間參數，按鍵的硬件接口電路圖所示。當某個按鍵電位為低電位時，表示按鍵按下，此時進行相應的操作。

1.5.2單片機復位電路設計

PICl6F87x系列單片機的復位功能設計得比較完善，導致單片機內部復位的方式，或者說，引起單片機內部復位的條件和原因可以大致歸納成以下5種[5-6]：

1.上電復位：每次單片機加電時，上電復位電路都要對電源電壓VDD的上升過程進行檢測，當VDD上升到規定值1.6-1.8V，就產生一個有效的復位信號，需經72mS=1024個時鐘周期的延時。才會使單片機復位。

2.人工復位（單片機在執行程序期間）：無論是單片機在按先設定的正常順序遠行程序，還是出現單片機進入不可預知的某一個死循環（形成死機現象），都得認作單片機在執行程序。單片機在執行程序期間，只需在人工復位端MCLR加入一個低電平信號，就會令其復位。

3.看門狗復位：不論何種原因，只要沒有對看門狗定時器WDT進行周期性地及時地清0，WDT就會出現超時溢出，也就會引發單片機復位。依據單片機在看門狗超時溢出之前所處的狀態是在睡眠還是在執行程序，又可以將看門狗超時溢出分為兩種情況。其實只有在單片機執行程序期間，看門狗發出超時溢出，才會引發單片機的復位，而另一種情況對于PIC16F87X單片機而言則不會引發單片機的復位。

4.電源欠壓復位：在上電延時之后，該電路再提供1024個時鐘周期的延遲，目的是讓振蕩電路有足夠的時間產生穩定時鐘信號。

為了滿足手動復位的需要，通常設立一個外部微控制器復位引腳，用于接收外部輸入信號的手動復位，有效低電平。

1.5.3單片機振蕩電路設計

在標準晶體振蕩XT、低功耗振蕩LP和高速晶體振蕩HS三種方式中，PIC芯片可以使用已集成在片內的振蕩器，也可使用由其他電路構成的振蕩器電路。當外接振蕩器時，外部振蕩信號從OSC1端輸入，OSC2端開路。

74HC04反相器用來實現振蕩器所需的180度相移，4.7 的電阻用來提供負反饋給反相器， 的電位器用來提供偏壓，從而使反相器74HC04工作在線性范圍內。

1.5.4液晶顯示部分硬件設計

體積小，壽命長，不產生電磁輻射污染的優點，成為理想的顯示裝置中的單片微計算機系統中，并且被廣泛應用于智能儀器儀表，工業控制領域的單芯片微電腦控制。

這樣的設計是一個LCD顯示數據，以及作為關鍵控制參數設置的主要目的。使用液晶屏采用該公司生產的，它可以顯示一個行16個字符，并內置HD44780主控制驅動電路。液晶屏上有PIC16F877單片機硬件接口電路如圖7所示。

1.5.5控制執行部分硬件設計

剩余電流保護器完全可以實現的主要功能是在剩余電流值超過當前檔位剩余電流值，并在適當的延遲時間到達制動控制去除斷層線后觸發中繼點。繼電器控制一部分執行機構，它的作用是至關重要的，這也決定了剩余電流保護器的工作可靠性的可靠性[7]。

1.5.6 電源部分設計

我們使用許多繞組變壓器，220伏的相電壓轉換為12伏的交流電壓信號，該全橋整流器變換的直流功率轉換器電路，用于在電源后備。集成運算放大器的信號調理電路需求，+5V至5V電源，LED數碼管顯示驅動芯片需要+5V電源，單片機至+5V電源，繼電器控制部分需要+12V與12V電源。

由于繼電器對于其電源的要求不高，為節省成本，將通過電容平面波的全波整流橋整流后12伏交流電壓信號，然后直接作為+12伏和12V 的DC電源。

2 智能漏電保護器軟件部分設計

在硬件的基礎上，通過軟件命令，完成一系列的保護工作。

本設計要實現的主要功能有：

1）檢測緩變漏電電流。

2）檢測突變漏電電流。

3）漏電電流動作判斷和控制。

4）動作原因、分合閘次數記憶，數據的顯示。

本文的控制軟件由五部分組成，為上電初始化模塊、中斷服務模塊、漏電信號分析模塊、漏電動作輸出模塊、漏電電流顯示模塊。

泛，并且有很大的市場價值，同時，推廣和使用漏電保護器可以有效降低觸電死亡率，具有重要的社會意義[8]。本次設計采用PIC16F877單片機，單片機作為漏電保護器的核心，單片機的性能直接決定了整個漏電保護器的質量[9-10]，鑒于PIC系列單片機的一系列優點，以及外圍電路的合理擴展和其他硬件的優化設計，使整個系統的性能更加優秀、智能、性價比也得到了極大的提升。

參考文獻

[1]何瑞華.我國低壓電器現狀及國內外發展趨勢[J].低壓電器，2008，3（8）：40～45.

[2]連理枝.關于低壓電氣設備的故障電流和過電流保護[J].江蘇電器，2009，5（4）：4～5.

[3]李奎，陸儉國.智能化漏電保護器的研究.機床電器[J]，2006，（6）：56～57.

[4]藤松林，楊校生.觸電漏電保護電器及其應用[M].5版.北京：機械工業出版社，2011：20～32.

[5]王玉潔，永志群.單片機在漏電保護裝置中的應用[J].中國安全科學學報，2010，4（3）：34～38.

[6]王萍.單片機在剩余電流斷路器上的應用.電工技術雜志[J].2014，3（5）：43～44.

[7]何瑞華.我國低壓電器現狀及國內外發展趨勢.低壓電器[J]，2006，3（7）：67.

[8]李奎，陸檢國.剩余電流保護器的主要技術參數及抗干擾的分析[J].機床電器，2009，2（4）：121～122.

[9]張弘廷.漏電保護器安裝運行維修[M].3版.北京：中國電力出版社， 2008：46～50.

[10]凌智敏.漏電開關及其應用[M].5版.北京：水利電力出版社，2005：33～38.