家用綜合保護器的研制

李勇，付嬌嬌，那琰，馮丹丹

（甘肅電器科學研究院，甘肅 天水 741018）

現在家庭配電都安裝了斷路器和漏電保護器，用來防止因為過載、短路或漏電而造成設備或人員事故，但是這兩種設備都不能保護由住宅電氣線路老化等原因造成的因故障電弧而導致的火災等事故的發生，也不能防止因為外部雷擊或者系統停電而造成一些敏感電子設備被電涌沖擊破壞的危險。雖然可以通過安裝斷路器、漏電保護器、電弧故障保護器、浪涌保護器等來解決問題，但是這樣勢必導致家用配電箱臃腫不堪而且成本急劇上升。急需開發一種集過流、短路、電弧故障及浪涌等保護功能于一體的家用綜合保護器，以滿足時代的要求。

1 設計思路

故障電弧檢測的原理是采樣的電流信號經過特征參量提取判斷是否發生電弧故障，而漏電檢測則是根據零序電流互感器采集的電流信號分析判斷回路是否發生漏電故障。

浪涌檢測其實就是瞬態過電壓，而在發生過電壓的瞬間如果斷開電路，就可能導致過電壓加劇，所以是盡量不斷開開關而是盡快將過電壓處理，常規的辦法就是采用壓敏電阻或抑制二極管直接疏導沖擊電流而達到保護的目的。

基于成本與易操作性考慮，斷路器具備了過流與短路保護的功能，在其基礎上增加漏電檢測、電弧故障檢測，當檢測到相關故障后發出信號指示斷路器動作而斷開電路即可，而浪涌保護部分只需在回路中并接過壓元件既可。

2 主回路設計

綜合保護器的主回路示意圖如圖1所示。圖中：QF為斷路器，是保護主體；TA1為電流傳感器，主要為電弧故障起到電流采集的作用，交流故障電弧的頻率大概在1.5～20 kHz的范圍，本文選擇響應時間快、電流測量范圍寬的霍爾電流傳感器；TA2為漏電檢測采集電檢的零序互感器，選用常規零序互感器即可；R1為浪涌抑制用的浪涌保護器，本文選用由限壓型組件與電壓開關型組件組合而成的組合型浪涌保護器。

圖1 綜合保護器的主回路示意圖

3 控制系統設計

關于故障電弧檢測，首先應對采集到的電流信號進行數據分析，提取其峰值差及三、四次諧波分量，然后進行識別，如果連續檢測出8個半周期內都具有故障電弧，而且故障超過設定的門限值，則應確定具有故障并要求開關斷開［1］。漏電檢測采用零序互感器，其原理比較簡單，就是檢測相線與中性線電流的矢量和［2］，當回路有漏電產生時其矢量和不為零，當漏電流達到了設定的門限值時，則應確定具有故障并要求開關斷開。

4.1 控制系統硬件設計

由于控制要分析、處理波形，控制比較復雜，所以本文采用單片機作為控制電路硬件的核心，本文采用PIC18F4550 芯片作為電流信號的分析處理元件以及整個控制系統的處理主芯片。基于可靠性以及體積考慮，本文選用了輸入AC220V、能夠輸出5V和±15V的微型模塊電源FAW10D，以滿足單片機與霍爾傳感器的需要，控制系統硬件框圖如圖2所示。

圖2 控制系統硬件框圖

4.2 控制系統軟件設計

控制系統軟件主要由主程序、初始化程序、電弧檢測與漏電流檢測等幾部分組成。初始化主要分為輸入/輸出口初始化、定時/計數器初始化、中斷初始化以及變量等的初始化。在系統初始化結束后，應分別對漏電電流信號及故障電弧電流信號進行采樣。故障電弧信號根據其采樣的數據經過單片機特征參數進行提取，將提取的特征參數實時分析識別，若發生電弧故障，則輸出脫扣信號使開關脫扣，若無電弧發生，則重復檢測過程。漏電流檢測主要是檢測其矢量和，有一個電流限值，當矢量和達到此限值，程序就會判斷發生故障而輸出脫扣信號使開關脫扣，若矢量和在限值以下，則認為沒有漏電而重復檢測過程。軟件主程序流程圖如圖3所示。

4 結論

隨著科技的發展，人們對電的依賴程度越來越大，電氣設備及其線路的潛在危害風險也越來越大。本文研制了一種家用綜合保護器，該保護器集過流、短路、電弧故障及浪涌等保護功能于一體，能夠有效減少家用電器對人們造成的危害。