基于單片機的漏電斷路器漏電保護實現(xiàn)方法

漏電保護是低壓用電保護中的一項重要保護技術(shù)，作為其載體之一的漏電斷路器廣泛用于低壓供電電網(wǎng)中，以防止漏電火災(zāi)和人身觸電傷亡
事故的發(fā)生?。當(dāng)前市場上的漏電斷路器主要是提供對地漏電保護，且均采用斷路器控制器與漏電處理模塊分立的形式。分立模塊與斷路器控
制器之問沒有任何聯(lián)系，控制器對斷路器的狀態(tài)不能完全掌控，這樣既不適應(yīng)基于現(xiàn)場總線的斷路器的開發(fā)和應(yīng)用，也不符合對斷路器遙測、遙信、遙控、遙調(diào)的發(fā)展要求。鑒于上述現(xiàn)狀，本文在分析現(xiàn)有漏電斷路器漏電處理模塊的基礎(chǔ)上，設(shè)計出一種基于單片機實時采樣漏電信號并可接收上一級控制系統(tǒng)的參數(shù)要求，自動設(shè)置漏電流動作參數(shù)的漏電斷路器漏電保護方法。
1 工作原理
現(xiàn)有的漏電斷路器漏電處理模塊電路原理圖如圖1所示。當(dāng)線路有漏電流產(chǎn)生時，零序電流互感器(ZCT)次級端輸出的感應(yīng)電流信號經(jīng)電阻
轉(zhuǎn)換及二極管限幅后作為54133的電壓輸入信號，實際應(yīng)用中用戶通過撥動開關(guān)改變接入的轉(zhuǎn)化電阻阻值實現(xiàn)多種漏電規(guī)格的選擇。轉(zhuǎn)換后的電壓信號經(jīng)芯片內(nèi)部放大器放大后進入芯片漏電檢測電路，當(dāng)漏電值未達(dá)到設(shè)定值時，閂鎖電路輸出低電平，晶閘管控制端輸出低電平，晶閘管截止，漏電脫扣器不動作；當(dāng)漏電值達(dá)到設(shè)定值時，延時電路開始工作。延時電路利用芯片外圍配置的電容充、放電實現(xiàn)[2] ，當(dāng)電容充電到一定值(>2．4 V)時，閂鎖電路輸出高電平，晶閘管控制端輸出為800 mV，晶閘管導(dǎo)通，漏電脫扣器動作，在此過程中，若漏電值減小并低于設(shè)定值，則延時電容即時放電，這樣下一次漏電發(fā)生時，延時電容又可以從零開始充電，實現(xiàn)可重復(fù)的延時功能。零序電流互感器的二次側(cè)有兩組線圈，一組用于輸出檢測到的漏電信號，另一組則用于用戶漏電測試時漏電信號的模擬輸入。

2 基于單片機采樣的漏電處理方法
基于上述的分立式漏電處理模塊工作原理，本文設(shè)計的漏電處理方法采用單片機實時采樣漏電信號，并通過單片機選擇漏電規(guī)格及延時時問。整個漏電處理模塊只需單片機2個I／0口、1個ADC的硬件資源及一段漏電采樣處理程序，即可將漏電處理集中到漏電斷路器的主控器上，實現(xiàn)對系統(tǒng)漏電狀態(tài)的檢測。
2．1 硬件設(shè)計
本文設(shè)計的漏電處理電路由漏電信號轉(zhuǎn)換、放大、半波整流、RC濾波、及模擬開關(guān)操作等電路組成。如圖2所示。為保證漏電檢測的可靠性，本文采用定值電阻作為零序電流互感器輸出信號轉(zhuǎn)換電阻，并通過單片機控制模擬開關(guān)4052開啟相應(yīng)的電阻通道以改變對轉(zhuǎn)換后的電壓信號的放大倍數(shù)。放大后的信號通過半波整流及RC濾波電路進入單片機，實現(xiàn)了單片機的直流采樣。為消除4052導(dǎo)通內(nèi)阻及其阻值變化對接人放大電路的電阻值的影響[3] ，將電阻 R 設(shè)置為一個較大的阻值，可變電阻的初始值設(shè)定分別為103、294、970 Ω，出廠測試時進行微調(diào)，這樣4052的波動對采樣信號影響較小，保證了采樣的穩(wěn)定。此外，按照國家規(guī)定[4] ，漏電測試按鍵電路也包括在設(shè)計的硬件中，其工作原理及參數(shù)與分立式漏電處理模塊相同。

2．2 軟件設(shè)計
本設(shè)計在軟件上兼顧了采樣的實時性和單片機的計算能力，適合采用定時中斷采樣的采樣方式及計算能力較弱的單片機系統(tǒng)中。程序采用c
語言編寫，只需要改變部分宏定義即可移植到不同的單片機系統(tǒng)中。在定時中斷采樣程序中系統(tǒng)對漏電信號進行采樣、計算及處理。圖3為漏電處理程序流程圖，設(shè)置漏電正常狀態(tài)計數(shù)器是防止電網(wǎng)波動對系統(tǒng)判斷的影響。同時漏電動作延時時間通過計算定時中斷的次數(shù)實現(xiàn)，這樣通過軟件實現(xiàn)的延時時間精度可以得到很好的保證。在主程序中系統(tǒng)實時查詢相應(yīng)的漏電狀態(tài)，并根據(jù)狀態(tài)做出報警及保護動作。

3 測試結(jié)果
在浙江溫州柳市某公司對采用分立式漏電處理模塊的漏電斷路器及采用單片機采樣形式的漏電斷路器的漏電動作電流及延時時間進行了對比
測試。測試過程為：在相同的測試條件下，先將漏電動作延時時間設(shè)置為100 ms，緩慢增大漏電測試儀的漏電輸出值直至斷路器斷開，記錄此時漏電測試儀上顯示的漏電值，該值即為相應(yīng)漏電規(guī)格時斷路器動作漏電臨界值，每一漏電規(guī)格測試9次，取這9個數(shù)據(jù)中的最大值作為測試漏電動作延時時問的漏電輸入值，然后設(shè)置漏電斷路器相應(yīng)規(guī)格的延時時間，輸入給定的漏電值，斷路器斷開后記錄漏電測試儀上顯示的延時時間。測試結(jié)果表明，采用單片機采樣方式的漏電斷路器動作漏電電流值可以控制在70％±2％設(shè)置值的范圍內(nèi)，而采用分立模塊方式的漏電斷路器出廠要求為在75％±10％，提高了漏電處理的精度；對漏電動作延時時間，由于受測試過程操作的影響，兩種方式都有一定的誤差，但整體上采用單片機采樣方式比采用分立模塊方式的漏電動作延時時間的測量數(shù)據(jù)更接近設(shè)定值。
4 結(jié) 語
本文分析了現(xiàn)有漏電斷路器漏電處理模塊的工作原理及其在設(shè)計、生產(chǎn)及應(yīng)用中的不足，充分考慮了低壓電器現(xiàn)場總線化發(fā)展對漏電斷路器的要求及漏電處理本身的精度要求，設(shè)計出了一種基于單片機實時采樣處理的漏電斷路器漏電處理方法。試驗結(jié)果表明該方法對單片機資源需求不高，可方便地移植到現(xiàn)有的漏電斷路器中，且漏電動作精度要高于現(xiàn)有產(chǎn)品，同時也減少了整個漏電處理功能模塊的成本，提高了整個斷路器的可靠性。該方法為基于現(xiàn)場總線的漏電斷路器的設(shè)計和開發(fā)提供了一種有效的漏電解決方案。