智能型漏電斷路器的設(shè)計(jì)

摘要：敘述了剩余電流產(chǎn)生的原因及危害，設(shè)計(jì)了一套智能型漏電斷路器，并給出了硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)。試驗(yàn)結(jié)果表明：該智能斷路器質(zhì)量可靠、性能穩(wěn)定、完全達(dá)到了國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。
關(guān)鍵詞：剩余電流；斷路器；電氣火災(zāi)

電氣接地故障中電弧性對地短路是引發(fā)電氣火災(zāi)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，使過電流保護(hù)器不能動作或不能及時動作來切斷電源，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角落，危害范圍廣，如不對系統(tǒng)的漏電進(jìn)行監(jiān)測和防控，就會對人身和財產(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)線一起穿過一零序電流互感器CT，也可在中性線N上安裝一個零序電流互感器CT，利用這些CT來檢測三相的電流矢量和，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，一次側(cè)中瞬時電流的矢量和為零，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，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，負(fù)載側(cè)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，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。

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(hù)電路有漏電或人體觸電時，只要漏電或觸電電流達(dá)到漏電動作電流值，零序電流互感器的二次繞組就輸出一個信號，經(jīng)過集成電路放大器放大后送給CUP，CPU輸出驅(qū)動信號使漏電脫扣器動作驅(qū)動斷路器脫扣，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、過載、過壓和欠壓(缺相)等電氣故障的監(jiān)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(hù)功能，當(dāng)檢測到發(fā)生漏電時，即剩余電流IL≠0，該信號經(jīng)過單片機(jī)采樣運(yùn)算后進(jìn)行快速判斷，當(dāng)剩余電流達(dá)到整定動作值時，驅(qū)動晶閘管，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)動作電流、分?jǐn)鄷r間可調(diào)：用作臺區(qū)總保護(hù)時，剩余電流動作值可設(shè)置為300～1 000 mA，分?jǐn)鄷r間可設(shè)置為0．6 s，而作為二級保護(hù)時，動作電流可設(shè)置為200 mA檔，分?jǐn)鄷r間可設(shè)為0．3 s．這樣的設(shè)置可以避免因越級跳閘而引起的大面積停電現(xiàn)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(shè)備漏電和活體觸電。緩變與突變漏電分開鑒別適合我國農(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)具有過電流長延時、過電流短延時和短路瞬時保護(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、過電流長延時、過電流短延時和過電流瞬時的整定值及預(yù)警值。
5)顯示并儲存故障發(fā)生點(diǎn)的線路地址、故障類型、故障發(fā)生時間和漏電電流、三相電流值?？捎涗浂噙_(dá)200條歷史故障，長期保存，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)，在一臺電腦上可對1～250臺智能斷路器在線遠(yuǎn)程監(jiān)控，隨時檢查各用戶安全用電情況，隨時接通或分?jǐn)喔饔脩艄╇娋€路，并可對斷路器的各種參數(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電路、剩余電流檢測電路、串行通信接口電路、人機(jī)接口電路及報警器等幾部分構(gòu)成的，如圖2所示。

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)對其進(jìn)行采樣后進(jìn)行分析，輸出相應(yīng)的顯示及報警信號等。其分析的結(jié)果也可以通過RS485總線傳送到上位機(jī)。