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本文敘述了剩余電流產(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(zhì)量可靠、性能穩定、完全達到了國家標準的要求。 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(guò)電流保護器不能動(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2000℃以上，足以引燃周?chē)目扇嘉锒鸹馂�。況且，用電設備分布在建筑物的各個(gè)角落，危害范圍廣，如不對系統的漏電進(jìn)行監測和防控，就會(huì )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控電氣線(xiàn)路的故障和異常狀態(tài)，能有效預防常見(jiàn)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(jìn)線(xiàn)處及干線(xiàn)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(xiàn)導線(xiàn)一起穿過(guò)一零序電流互感器CT，也可在中性線(xiàn)N上安裝一個(gè)零序電流互感器CT，利用這些CT來(lái)檢測三相的電流矢量和，即剩余電流，如圖1所示，根據電路原理可知，當電路中沒(méi)有發(fā)生設備漏電或接地故障且三相負荷完全平衡時(shí)，一次側中瞬時(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(xiàn)圈中感應電流IL=0。當被保護的電路出現絕緣故障時(shí)，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(shí)，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(shí)，只要漏電或觸電電流達到漏電動(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，經(jīng)過(guò)集成電路放大器放大后送給CUP，CPU輸出驅動(dòng)信號使漏電脫扣器動(dòng)作驅動(dòng)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(shí)，即剩余電流IL≠0，該信號經(jīng)過(guò)單片機采樣運算后進(jìn)行快速判斷，當剩余電流達到整定動(dòng)作值時(shí)，驅動(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，從而達到漏電保護的功能。 2)保護動(dòng)作電流、分斷時(shí)間可調：用作臺區總保護時(shí)，剩余電流動(dòng)作值可設置為300～1000mA，分斷時(shí)間可設置為0.6s，而作為二級保護時(shí)，動(dòng)作電流可設置為200mA檔，分斷時(shí)間可設為0.3s.這樣的設置可以避免因越級跳閘而引起的大面積停電現象的發(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(kāi)鑒別適合我國農村低壓電網(wǎng)特點(diǎn)，得到廣泛應用，是農村安全用電的一項有效的技術(shù)措施。 4)具有過(guò)電流長(cháng)延時(shí)、過(guò)電流短延時(shí)和短路瞬時(shí)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(guò)電流長(cháng)延時(shí)、過(guò)電流短延時(shí)和過(guò)電流瞬時(shí)的整定值及預警值。 5)顯示并儲存故障發(fā)生點(diǎn)的線(xiàn)路地址、故障類(lèi)型、故障發(fā)生時(shí)間和漏電電流、三相電流值�？捎涗浂噙_200條歷史故障，長(cháng)期保存，直到用指令刪除。 6)采用RS485總線(xiàn)通訊技術(shù)，可以利用總線(xiàn)與主機構成主從式監控系統，實(shí)現用戶(hù)連網(wǎng)，在一臺電腦上可對1～250臺智能斷路器在線(xiàn)遠程監控，隨時(shí)檢查各用戶(hù)安全用電情況，隨時(shí)接通或分斷各用戶(hù)供電線(xiàn)路，并可對斷路器的各種參數進(jìn)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(xiàn)性光隔器取得的三相電流、漏電及電壓信號進(jìn)行調理后，輸入到單片機的A/D轉換，單片機對其進(jìn)行采樣后進(jìn)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(guò)RS485總線(xiàn)傳送到上位機。 2.2.1 單片機電路 單片機選用PIC24FJ64，它是由Microchip公司設計的一款改進(jìn)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、數據處理、報警輸出、與上位機通信、液晶顯示及按鍵等功能。Microchip公司開(kāi)發(fā)、研制和生產(chǎn)單片機技術(shù)性能具有以下優(yōu)點(diǎn)：1)哈佛總線(xiàn)結構；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)運行速度高；6)功耗極低；7)PIC16F877芯片具有A/D、MSSP、USART串行總線(xiàn)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、程序保密性強等特點(diǎn)。 2.2.2 剩余電流檢測電路 剩余電流檢測電路是一個(gè)零序電流互感器。被保護的相線(xiàn)、中性線(xiàn)穿過(guò)環(huán)形鐵心，構成了互感器的一次線(xiàn)圈，纏繞在環(huán)形鐵芯上的繞組構成了互感器的二次線(xiàn)圈，如果沒(méi)有漏電發(fā)生，這時(shí)流過(guò)相線(xiàn)、中性線(xiàn)的電流向量和等于零，因此在二次線(xiàn)圈上也不能產(chǎn)生相應的感應電動(dòng)勢。如果發(fā)生了漏電，相線(xiàn)、中性線(xiàn)的電流向量和不等于零，就使二次線(xiàn)圈上產(chǎn)生感應電動(dòng)勢，這個(gè)信號就會(huì )被送到中間環(huán)節進(jìn)行進(jìn)一步的處理，如圖3所示。 交流信號經(jīng)過(guò)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(gè)周期采樣36個(gè)點(diǎn)，根據式(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理后整流濾波輸入到單片機的A/D轉換器進(jìn)行轉換。 傳統的電壓檢測方法是采用電壓互感器或者線(xiàn)性光隔器，采用電壓互感器進(jìn)行電壓檢測的缺點(diǎn)是互感器體積偏大，而很多時(shí)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(xiàn)性光隔的缺點(diǎn)是電壓檢測精度不高。本系統采用電流互感器與電阻串聯(lián)的方法對電壓進(jìn)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(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，單片機的A/D轉換器可對全波進(jìn)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(kāi)始計時(shí)，當檢測到B相的最大值時(shí)停止計時(shí)，A、B兩相峰值之間的時(shí)間間隔就可以得到，設為△t，根據△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(lái)的相位差110°≤φ≤130°，可認為相序正常，如果超出這個(gè)范圍，則判定為相序錯誤。 2.2.4 RS485總線(xiàn)硬件電路 智能型漏電斷路器與上位機采用RS485總線(xiàn)通信，一臺主機可以控制多達250臺斷路器，RS485通信系統采用主從式結構，從機不主動(dòng)發(fā)送命令或數據，一切都由主機控制。因此在一個(gè)通訊系統中，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(guò)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(shí)，符合相應地址碼的從機接收通信命令，并根據功能碼及相關(guān)要求讀取信息。如果CRC校驗無(wú)誤，則執行相應的任務(wù)，然后把執行結果返送給主機。 3 智能斷路器的軟件設計 軟件完成整個(gè)斷路器的功能，采用模塊化結構化的C語(yǔ)言程序設計方案。主要包括的程序： 1)系統主程序。主要完成系統的端口、定時(shí)器、A/D轉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轉換子程序，主要完成A/D轉換任務(wù)及按鍵處理功能，單片機需要在一個(gè)周期(20ms)采樣36次，并對采樣暑假進(jìn)行保存。 3)數據處理子程序，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(gè)人機對話(huà)通道，用戶(hù)可以通過(guò)按鍵設置漏電保護的整定值、延時(shí)跳閘時(shí)間等，其參數的修改有密碼保護。 主要的軟件系統框圖如圖6所示。 4 結束語(yǔ) 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(jìn)行智能型漏電斷路器的智能化設計，質(zhì)量可靠，抗干擾性強，并能夠通過(guò)總線(xiàn)通信技術(shù)的應用實(shí)現斷路器控制的系統化和網(wǎng)絡(luò )化。 |
