消除漏電保護(hù)死區(qū)的智能保護(hù)器設(shè)計(jì)

摘要：為消除漏電死區(qū)，減小漏電保護(hù)器的拒動(dòng)作和誤動(dòng)作，介紹了漏電保護(hù)的原理，理論論述漏電死區(qū)的存在。提出漏電檢測(cè)的有效方法：以連續(xù)的3個(gè)周期為處理單元，將對(duì)應(yīng)時(shí)刻的漏電流值與前1周期對(duì)應(yīng)時(shí)刻的緩變電流值相減，可以在每個(gè)周期內(nèi)確定的時(shí)刻采樣得到有效的信號(hào)值△I，然后將連續(xù)3個(gè)周期相對(duì)應(yīng)時(shí)刻的△I值分別與突變電流和緩變電流的動(dòng)作整定值進(jìn)行比較判斷并做出相應(yīng)的處理。依照提出的檢測(cè)方法，設(shè)計(jì)出了漏電保護(hù)的硬件電路原理框圖和其軟件流程圖。經(jīng)測(cè)試，該智能保護(hù)器可大大提高漏電保護(hù)的可靠性和有效性。
關(guān)鍵詞：漏電死區(qū)；逐值檢測(cè)法；緩變電流；突變電流；智能化

    隨著工商業(yè)和家庭等的重要用電設(shè)備不斷增加，用電設(shè)備和人身安全的保護(hù)逐漸成為一項(xiàng)至關(guān)重要的工作。隨著人們對(duì)漏電保護(hù)技術(shù)的不斷研究和應(yīng)用，電流動(dòng)作型漏電保護(hù)器得到了快速發(fā)展，新的漏電保護(hù)的原理和方法不斷出現(xiàn)，但漏電觸電傷亡事件仍然層出不窮。將單片機(jī)技術(shù)應(yīng)用于保護(hù)電器中，可以很好地克服剩余電流保護(hù)器的誤動(dòng)和拒動(dòng)等缺點(diǎn)，使其保護(hù)特性更加準(zhǔn)確、可靠。

1 漏電流保護(hù)的死區(qū)問(wèn)題
    漏電流也被稱(chēng)作剩余電流，包括兩個(gè)部分：漏電流中隨氣候、設(shè)備老化等變化而緩慢變化的緩變電流和突然發(fā)生故障漏電的突變電流。由于緩變電流和突變電流的不同變化特征，對(duì)它們要采取不同的方法進(jìn)行檢測(cè)和保護(hù)。
    在被保護(hù)電路工作正常，沒(méi)有發(fā)生漏電或觸電故障的情況下，通過(guò)漏電電流互感器TA一次測(cè)的電流相量和等于零，使得TA鐵中心的磁通相量和也為0，這樣TA的二次側(cè)沒(méi)有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生，漏電保護(hù)器拒動(dòng)作，系統(tǒng)保持正常供電；當(dāng)被保護(hù)電路發(fā)生漏電故障或有人觸電時(shí)，由于漏電流的存在，漏電流通過(guò)TA，使其磁通量發(fā)生變化，從而通過(guò)TA一次側(cè)各相電流的相量和不再等于零，產(chǎn)生了漏電電流Ik。這使得TA鐵中心的磁通的相量和也不等于0，在鐵心中出現(xiàn)了交變磁通。TA的二次側(cè)在交變磁通作用下，就有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生，此漏電信號(hào)經(jīng)中間環(huán)節(jié)進(jìn)行處理和比較當(dāng)故障電流達(dá)到額定值時(shí)，足以使漏電脫扣器動(dòng)作，切斷故障電路，有效地起到保護(hù)作用。
    具體地說(shuō)，剩余電流互感器檢測(cè)到的漏電電流為電網(wǎng)緩變電流和突變電流的相量和，即。設(shè)觸電發(fā)生在任意一相，如A相，突變電流與線(xiàn)路緩變電流間的相位差角為φ，則φr=0，φL=φ，就可以得到，大小為：
   
    當(dāng)觸電發(fā)生時(shí)，突變電流匯入線(xiàn)路緩變電流形成新的漏電電流，其前后的變化量為：
   
    取這個(gè)變化量△I作為漏電保護(hù)的動(dòng)作信號(hào)，當(dāng)△I達(dá)到整定值時(shí)，推動(dòng)保護(hù)裝置動(dòng)作。將式(1)代入式(2)得△I=，此時(shí)，當(dāng)Ir為50mA，IL為100 mA時(shí)，若整定值為30 mA，則通過(guò)計(jì)算可知有63．9°～139．5°和220．5°～296．1°兩個(gè)死區(qū)區(qū)間，且隨整定值變小死區(qū)范圍會(huì)變大。經(jīng)取值計(jì)算可看出：漏電保護(hù)存在動(dòng)作死區(qū)，而且值越小，靈敏度越高，但死區(qū)范圍越大。

2 漏電流的逐值檢測(cè)法
    逐值檢測(cè)法指以連續(xù)的3個(gè)周期為處理單元，將對(duì)應(yīng)時(shí)刻的漏電流值與前1周期對(duì)應(yīng)時(shí)刻的緩變電流值相減，可以在每個(gè)周期內(nèi)確定的時(shí)刻采樣得到有效的信號(hào)值△I，然后將連續(xù)3個(gè)周期相對(duì)應(yīng)時(shí)刻的△I值進(jìn)行比較處理。以周波中第二個(gè)采樣點(diǎn)為例：當(dāng)前采樣時(shí)刻t21的△I，與設(shè)定值作比較，若大于設(shè)定值(突變電流動(dòng)作整定值)，再判斷后兩個(gè)周期相對(duì)應(yīng)時(shí)刻t22和t23的值，均大于，則確定是突變電流，發(fā)出執(zhí)行信號(hào)，繼電器動(dòng)作；若后兩個(gè)周期中相對(duì)應(yīng)時(shí)刻t22和t23的值均小于，則確定為緩變電流，且原來(lái)緩變電流的值增大h2，而差值h1判斷為干擾信號(hào)。依照此方法，當(dāng)累積的緩變電流值達(dá)到其動(dòng)作整定值I△n時(shí)，應(yīng)發(fā)出執(zhí)行信號(hào)，繼電器動(dòng)作，保護(hù)設(shè)備和人身。

    如圖1所示，是電網(wǎng)緩變電流曲線(xiàn)，是測(cè)得的信號(hào)電流，其每一時(shí)刻的電流值都是緩變電流和突變電流的矢量和，由于在較短的一段時(shí)間內(nèi)，緩變電流是相對(duì)不變的，大小可以等于前一時(shí)刻的緩變電流的值，即圖1虛線(xiàn)所示，所以在t1到t3的各時(shí)刻電流突增值即突變電流就可以計(jì)算出來(lái)。重要的一點(diǎn)就是要設(shè)計(jì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)電路，準(zhǔn)確檢測(cè)零相位點(diǎn)。一般觸電體是純阻性體時(shí)，漏電流和工作電壓之間的相位差為零，即同時(shí)出現(xiàn)信號(hào)過(guò)零點(diǎn)；一旦觸電體為非純阻性體時(shí)，漏電流和電壓之間的相位差菲零，漏電流的過(guò)零點(diǎn)可能是突變電流和緩變電流在這個(gè)時(shí)刻的矢量和恰好為零導(dǎo)致的，那么必須檢測(cè)到這兩者先后過(guò)零點(diǎn)的時(shí)間差，然后計(jì)算出相位差，應(yīng)用公式得到此刻的突變電流值，進(jìn)行判斷。
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3 漏電保護(hù)器的實(shí)現(xiàn)
    根據(jù)前述漏電流檢測(cè)方法，采用單片機(jī)設(shè)計(jì)的漏電檢測(cè)系統(tǒng)如圖2所示。

    漏電流檢測(cè)電路由電流互感器和信號(hào)調(diào)理單元組成，將檢測(cè)到的漏電電流送到單片機(jī)的AD通道，將其大小轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；電壓互感器用于檢測(cè)電源電壓，并將電壓信號(hào)的過(guò)零時(shí)間與漏電流信號(hào)的過(guò)零時(shí)間進(jìn)行差值運(yùn)算，從而得到相位差，為計(jì)算漏電信號(hào)的變化量提供硬件支持；額定動(dòng)作值設(shè)定電路即鍵盤(pán)電路，用來(lái)設(shè)定額定突變電流動(dòng)作值和緩變電流動(dòng)作值；顯示電路可采取LED顯示，若需增加系統(tǒng)功能，則可選LCD液晶顯示，可以顯示緩變電流和突變電流的大小等；動(dòng)作執(zhí)行單元是在檢測(cè)到的信號(hào)大于額定值時(shí)，由單片機(jī)直接控制繼電器執(zhí)行動(dòng)作。該系統(tǒng)選用TI公司的MSP430系列單片機(jī)為控制器，是一款超低功耗的16位單片機(jī)，具有功能完善、成本低廉的特點(diǎn)，配有8路外部通道，可方便系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)與擴(kuò)展。
    漏電流檢測(cè)的流程圖如圖3所示。漏電流信號(hào)過(guò)零點(diǎn)后，開(kāi)始AD采樣轉(zhuǎn)換，根據(jù)定時(shí)器測(cè)得漏電流和工作電壓之間的時(shí)間差計(jì)算相位差，得到漏電流的大小，將連續(xù)3個(gè)周期同一時(shí)刻的值分別與突變電流和緩變電流的設(shè)定值作比較，判斷當(dāng)前是否發(fā)生漏電；若漏電，漏電由緩變電流引起還是突變電流引起；若大于整定值則立刻斷電并顯示系統(tǒng)當(dāng)前故障值并報(bào)警等。

    為了測(cè)試需要，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)信號(hào)源，可以按照系統(tǒng)檢測(cè)信號(hào)的要求產(chǎn)生脈沖信號(hào)，以脈沖信號(hào)來(lái)模擬漏電信號(hào)。設(shè)定緩變電流動(dòng)作值為100 mA，突變電流動(dòng)作值為8 mA，當(dāng)緩變電流累計(jì)值達(dá)到90 mA時(shí)，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

    由表1可以看出本系統(tǒng)在Ir動(dòng)作值設(shè)定為8 mA時(shí)，可以準(zhǔn)確動(dòng)作，和市面上設(shè)定值為30 mA的保護(hù)裝置相比，大大提高了漏電保護(hù)的靈敏度，實(shí)現(xiàn)了漏電的準(zhǔn)確檢測(cè)。

4 結(jié)論
    經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證，人體觸電時(shí)的突變電流設(shè)定值低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的交流允許安全電流值(10 mA)時(shí)，該智能保護(hù)器可準(zhǔn)確動(dòng)作，性能可靠，減少了死區(qū)范圍，提高了保護(hù)靈敏度，使人們?nèi)松戆踩陀秒娫O(shè)備得到進(jìn)一步保障。而且，可以根據(jù)氣候等因素更改緩變電流設(shè)定值，使用更加方便靈活，同時(shí)擴(kuò)大了智能保護(hù)器的應(yīng)用區(qū)域。