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)問題
漏電流也被稱作剩余電流，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，沒有發(fā)生漏電或觸電故障的情況下，通過漏電電流互感器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TA，使其磁通量發(fā)生變化，從而通過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，剩余電流互感器檢測(cè)到的漏電電流為電網(wǎng)緩變電流匯入線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，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。重要的一點(diǎn)就是要設(shè)計(jì)過零點(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。