基于單片機的延時型漏電繼電器設(shè)計

1 引言

漏電繼電器是一種可在被保護線路漏電電流達到設(shè)定值（額定動作電流IΔ）后切斷被保護線路供電電源的保護裝置。漏電信號的檢測由零序電流互感器來完成，它可將檢測到的被保護線路的漏電電流轉(zhuǎn)換成毫伏級的交流電壓信號，再通過信號整流、放大和濾波得到一個直流電壓，然后配合相應(yīng)的控制電路來驅(qū)動執(zhí)行回路，以實現(xiàn)切斷保護線路供電電源的控制目的。簡單的實現(xiàn)過程是信號檢測→濾波→二級放大→控制電路→驅(qū)動執(zhí)行回路→切斷被保護線路電源。

本文給出的延時型漏電繼電器解決方案就是利用P87LPC764型單片機構(gòu)成控制電路來取代傳統(tǒng)的電路，該電路可在不同IΔ條件下實現(xiàn)不同的延時動作時間及其他相關(guān)功能。

2 繼電器的功能

根據(jù)漏電保護標準及延時型漏電繼電器驅(qū)動要求，該保護裝可以實現(xiàn)以下功能：

（1）用戶可選擇3檔額定動作電流（分別記為IΔ1、IΔ2、IΔ3），在使用中由用戶根據(jù)被保護線路的實際狀況來決定。一般可以設(shè)定IΔ1IΔ2IΔ3。

（2）每一種額定動作電流下（1倍情況下）均設(shè)有3檔延時動作時間T1a、T1b、T1c(設(shè)定T1aT1bT1c)，不難看出，這3檔額定動作電流要區(qū)分9種延時動作情況。延時動作時間是指電路檢測到的漏電電流超過額定動作電流到電路執(zhí)行回路動作并切斷被保護線路電源的時間。

（3）與第一點對應(yīng)，在5倍額定動作電流下，這3檔電流可分別記為5IΔ1、5IΔ2、5IΔ3，相應(yīng)的3檔延時動作時間為T2a、T2b、T2c，同樣設(shè)定T2aTabT2c。顯然動作電流越大，相應(yīng)延時動作時間越小，即T2aT1a、T2bT1b、T2cT1c。

（4）在電路中保留重合閘功能。如選擇該功能，當保護裝置動作并切斷被保護線路電源后，將在延時T3時間后自動恢復(fù)供電。否則，裝置必須手動恢復(fù)并回到初始狀態(tài)。

（5）根據(jù)漏電動作基本要求，當選擇第條功能后，裝置可以在T3延時時間后自動恢復(fù)，但此時若檢測的漏電信號仍然超過裝置設(shè)定的額定動作電流（可稱為“二次漏電”），軟件中在延時T3后緊接著設(shè)定T4（T4T3）延時時間，即應(yīng)該具備在T4并超過裝置設(shè)定的額定動作電流時，裝置處于閉鎖狀態(tài)，必須手動恢復(fù)復(fù)并回到初始狀態(tài)；如果在T4延時時間到達前“二次漏電”解除或“二次漏電”本身不存在，就不會使裝置處于閉鎖狀態(tài)。這樣，設(shè)計時就必須考慮到“二次漏電”的可能性，避免盲目地自動重合閘。

3 P87LPC764簡介

P87LPC764是Philips公司推出的51內(nèi)核、改進型單片機，運行速度為標準80C51型機的2倍，豐富靈活的端口定義、內(nèi)含二個精確模擬量比較器是選用該型號的理由。該單片機的主要功能如下：

·運行速度快；

·程序存儲器為4KB OTP（一次編程），32B用戶代碼區(qū)；

·2個16位定時/計數(shù)器；

·2個精確模擬量比較器；

·可編程的I/O口輸出模式；

·20mA的口線驅(qū)動能力。

4 硬件電路

4．1 信號檢測與放大電路

圖1所示是漏電保護裝置中信號檢測與放大部分的局部電路。該裝置對漏電電流的檢測用一個零序電流互感器來完成，以將檢測到的被保護線路的漏電電流轉(zhuǎn)換成毫伏級的交流電壓信號。再由運算放大器構(gòu)成的線性電路整流放大、通過對零二級放大，得到一個直流電壓U20。顯然，通過對零序電流互感器及相應(yīng)電路參數(shù)的設(shè)定，可使U20在一段漏電電流的范圍內(nèi)正比于漏電的電流。這樣，對漏電電流信號的處理在電路中就轉(zhuǎn)化為對U20的處理。前面提到，用戶可以選擇、3種額定動作電流，實際上是在電路中通過調(diào)節(jié)R28、R29、R30將U20整定在3種不同的電壓，并用三選一開關(guān)S2A（提供給用戶 ）來實現(xiàn)，每次只有一種（必須有一種）選擇；額定動作電流下T1a、T1b、T1c時間的設(shè)定及5倍額定動作電流下T2a、T2b、T2c時間的設(shè)定均通過三選一開關(guān)S3A判斷，同樣每次只有一種（必須有一種）選擇；重合閘選用單選開關(guān)S1進行設(shè)定，具體電路如圖2所示。

在P87LPC764的16腳外接電阻分壓器可以設(shè)定參考電位VREF，可以理解用戶選擇的3種不同額定動作電流所對應(yīng)的U20是不同的，而參考電位VREF只有一種標準，該標準一旦設(shè)定就不能改變，所以S2A的作用就是將U20信號通過開關(guān)的引導(dǎo)與電位器的分壓來把不同數(shù)值的U20調(diào)整到合適的大小，進而與設(shè)定的參考電位VREF進行比較。

4．2 P87LPC764的外圍電路

圖2是P87LPC764的外圍電路部分，其中16腳是VREF電壓設(shè)定端，按照圖中參考可以得出VREF=2V。12腳P1.0用于重合閘判斷，用戶可以選擇裝置是否執(zhí)行重合閘，P1.0為0時裝置具有重合閘功能；P1.1、P1.2、P1.3用于額定動作電流下T1a、T1b、T1c時間和5倍額定動作電流下T2a、T2b、T2c的判斷和選擇。二級放大后的U20，一路直接送至比較器CIN1A的輸入端（17腳），另外一路通過電阻分壓器送至比較器CIN2A的輸入端（19腳），以分別用于輸入額定動作電流下的U20和5倍額定動作電流下的U20，P0.0來驅(qū)動執(zhí)行電路中的繼電器，初始狀態(tài)設(shè)定為0（低電平，繼電器吸合），將其連接于后面的執(zhí)行電路即可使繼電器處于吸合狀態(tài)，配合交流接觸器維持被保護線路的供電。

5 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計主要圍繞不同狀態(tài)下的延時時間的設(shè)定來進行，首先判斷比較器1和比較器2的輸出以確定當前漏電電流的大小，具體可有三種情況：一是小于當前設(shè)定的額定動作電流；二是大于當前設(shè)定的額定動作電流但小于5倍的額定動作電流；三是大于5倍的額定動作電流，這些可以在軟件中通過判斷比較器1和比較器2的輸出來控制。并可根據(jù)P1.0、P1.1、P1.2、P1.3的狀態(tài)來決定是否實際重合閘及不同的動作時間。其程序流程如圖3所示。

6 結(jié)束語

由于要區(qū)分多種延時時間，因而采用單片機的實現(xiàn)方案，克服了傳統(tǒng)分立元件帶來的離散性大且不易控制的弊端。P87LPC764內(nèi)含電壓比較器，可以很方便地控制額定動作電流和5倍額動作電流下的動作時間。軟件編寫中，延時時間主要以“軟件延時和定時器定時”來實現(xiàn)，利用傳遞不同變量的方式來完成多種延時時間的控制，事實證明，這是軟好的實現(xiàn)方案。