詳解智能型漏電斷路器電路設(shè)計—電路圖天天讀（255）

　　本文敘述了剩余電流產(chǎn)生的原因及危害，設(shè)計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。試驗結(jié)果表明，該智能斷路器質(zhì)量可靠、性能穩(wěn)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(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，當電路中沒有發(fā)生設(shè)備漏電或接地故障且三相負荷完全平衡時，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。當被保護的電路出現(xiàn)絕緣故障時，負載側(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。被保護電路有漏電或人體觸電時，只要漏電或觸電電流達到漏電動作電流值，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作用。

　　2 斷路器控制器的設(shè)計

　　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功能，當檢測到發(fā)生漏電時，即剩余電流IL≠0，該信號經(jīng)過單片機采樣運算后進行快速判斷，當剩余電流達到整定動作值時，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，從而達到漏電保護的功能。

　　2）保護動作電流、分斷時間可調(diào)：用作臺區(qū)總保護時，剩余電流動作值可設(shè)置為300～1000mA，分斷時間可設(shè)置為0.6s，而作為二級保護時，動作電流可設(shè)置為200mA檔，分斷時間可設(shè)為0.3s.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，得到廣泛應(yīng)用，是農(nóng)村安全用電的一項有效的技術(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(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_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構(gòu)成主從式監(jiān)控系統(tǒng)，實現(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程監(jiān)控，隨時檢查各用戶安全用電情況，隨時接通或分斷各用戶供電線路，并可對斷路器的各種參數(shù)進行遠程設(shè)置。

　　2.2 整體硬件設(shè)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(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、漏電及電壓信號進行調(diào)理后，輸入到單片機的A/D轉(zhuǎn)換，單片機對其進行采樣后進行分析，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。

　　2.2.1 單片機電路

　　單片機選用PIC24FJ64，它是由Microchip公司設(shè)計的一款改進型哈佛架構(gòu)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(shù)據(jù)處理、報警輸出、與上位機通信、液晶顯示及按鍵等功能。Microchip公司開發(fā)、研制和生產(chǎn)單片機技術(shù)性能具有以下優(yōu)點：1）哈佛總線結(jié)構(gòu)；2）精簡指令集 （RISC）技術(shù)；3）尋址方式簡單；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串行總線端口等，并有外接電路簡潔、開發(fā)方便、可用C語言編程、程序保密性強等特點。

　　2.2.2 剩余電流檢測電路

　　剩余電流檢測電路是一個零序電流互感器。被保護的相線、中性線穿過環(huán)形鐵心，構(gòu)成了互感器的一次線圈，纏繞在環(huán)形鐵芯上的繞組構(gòu)成了互感器的二次線圈，如果沒有漏電發(fā)生，這時流過相線、中性線的電流向量和等于零，因此在二次線圈上也不能產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電動勢。如果發(fā)生了漏電，相線、中性線的電流向量和不等于零，就使二次線圈上產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，這個信號就會被送到中間環(huán)節(jié)進行進一步的處理，如圖3所示。

　　交流信號經(jīng)過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。單片機每個周期采樣36個點，根據(jù)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(zhuǎn)換為電壓信號，經(jīng)運算放大器構(gòu)成的電路調(diào)理后整流濾波輸入到單片機的A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。

　　傳統(tǒng)的電壓檢測方法是采用電壓互感器或者線性光隔器，采用電壓互感器進行電壓檢測的缺點是互感器體積偏大，而很多時候設(shè)計的產(chǎn)品要求控制器的體積小巧，從而安裝使用方便，而采用線性光隔的缺點是電壓檢測精度不高。本系統(tǒng)采用電流互感器與電阻串聯(lián)的方法對電壓進行檢測，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最大允許的采樣電壓，互感器副邊電壓經(jīng)過整流橋后變成單相全波，單片機的A/D轉(zhuǎn)換器可對全波進行采樣分析。

　　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相的最大值是開始計時，當檢測到B相的最大值時停止計時，A、B兩相峰值之間的時間間隔就可以得到，設(shè)為△t，根據(jù)△t可以求出A、B兩相的相位差φ，其計算公式為：

　　如果計算出來的相位差110°≤φ≤130°，可認為相序正常，如果超出這個范圍，則判定為相序錯誤。

　　2.2.4 RS485總線硬件電路

　　智能型漏電斷路器與上位機采用RS485總線通信，一臺主機可以控制多達250臺斷路器，RS485通信系統(tǒng)采用主從式結(jié)構(gòu)，從機不主動發(fā)送命令或數(shù)據(jù)，一切都由主機控制。因此在一個通訊系統(tǒng)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主機轉(zhuǎn)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，符合相應(yīng)地址碼的從機接收通信命令，并根據(jù)功能碼及相關(guān)要求讀取信息。如果CRC校驗無誤，則執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)，然后把執(zhí)行結(jié)果返送給主機。

　　3 智能斷路器的軟件設(shè)計

　　軟件完成整個斷路器的功能，采用模塊化結(jié)構(gòu)化的C語言程序設(shè)計方案。主要包括的程序：

　　1）系統(tǒng)主程序。主要完成系統(tǒng)的端口、定時器、A/D轉(zhuǎn)換器等模塊的初始化工作、同時完成LCD界面顯示工作。

　　2）定時中斷服務(wù)子程序及A/D轉(zhuǎn)換子程序，主要完成A/D轉(zhuǎn)換任務(wù)及按鍵處理功能，單片機需要在一個周期（20ms）采樣36次，并對采樣暑假進行保存。

　　3）數(shù)據(jù)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，主要提供一個人機對話通道，用戶可以通過按鍵設(shè)置漏電保護的整定值、延時跳閘時間等，其參數(shù)的修改有密碼保護。

　　主要的軟件系統(tǒng)框圖如圖6所示。

　　編輯點評：智能漏電斷路器IRCCB是在配電網(wǎng)中廣泛應(yīng)用的一種低壓電器主要用于防止人身觸電和設(shè)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單片機進行智能型漏電斷路器的智能化設(shè)計，質(zhì)量可靠，抗干擾性強，并能夠通過總線通信技術(shù)的應(yīng)用實現(xiàn)斷路器控制的系統(tǒng)化和網(wǎng)絡(luò)化。
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