詳解智能型漏電斷路器電路設計—電路圖天天讀(255)

　　本文敘述了剩餘電流產生的原因及危害，設計了一套智能型漏電斷路器，並給出了硬體結構和軟體設計。試驗結果表明，該智能斷路器質量可靠、性能穩定、完全達到了國家標準的要求。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201710/369009.htm

　　電氣接地故障中電弧性對地短路是引發電氣火災的重要原因。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。況且，用電設備分布在建築物的各個角落，危害範圍廣，如不對系統的漏電進行監測和防控，就會對人身和財產安全構成威脅，存在很大的火災隱患。智能型漏電斷路器能準確監控電氣線路的故障和異常狀態，能有效預防常見的因漏電導致接地電弧所引起的建築物電氣火災事故。為了保證人民生命財產安全，在建築物的電源進線處及幹線上安裝智能型漏電斷路器十分必要。

　　1 剩餘電流產生的原因和保護原理

　　讓三相四線導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，即剩餘電流，如圖1 所示，根據電路原理可知，當電路中沒有發生設備漏電或接地故障且三相負荷完全平衡時，一次側中瞬時電流的矢量和為零，即Ia+Ib+Ic+IN=0，在電流互感器中產生磁通的矢量和等於零，此時，二次線圈中感應電流IL=0。當被保護的電路出現絕緣故障時，負載側有對地洩載電流，零序電流互感器的矢量和不為零，即 Ia+Ib+Ic+IN≠0，在電流互感器中產生磁通的矢量和也不等於零，此時，零序電流互感器二次繞組中便產生感應電流，即剩餘電流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，經過集成電路放大器放大後送給CUP，CPU輸出驅動信號使漏電脫扣器動作驅動斷路器脫扣，從而切斷電源起到漏電和觸電保護作用。

　　2 斷路器控制器的設計

　　2.1 系統基本功能

　　智能型漏電斷路器集剩餘電流、短路、過載、過壓和欠壓（缺相）等電氣故障的監測、分析、報警及控制於一體，主要具有以下功能：

　　1）具有剩餘電流檢測和保護功能，當檢測到發生漏電時，即剩餘電流IL≠0，該信號經過單片機採樣運算後進行快速判斷，當剩餘電流達到整定動作值時，驅動晶閘管，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：用作臺區總保護時，剩餘電流動作值可設置為300～1000mA，分斷時間可設置為0.6s，而作為二級保護時，動作電流可設置為200mA檔，分斷時間可設為0.3s.這樣的設置可以避免因越級跳閘而引起的大面積停電現象的發生。

　　3）可智能識別突變剩餘電流和緩變剩餘電流，從而鑑別設備漏電和活體觸電。緩變與突變漏電分開鑑別適合我國農村低壓電網特點，得到廣泛應用，是農村安全用電的一項有效的技術措施。

　　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警值。

　　5）顯示並儲存故障發生點的線路地址、故障類型、故障發生時間和漏電電流、三相電流值。可記錄多達200條歷史故障，長期保存，直到用指令刪除。

　　6）採用RS485總線通訊技術，可以利用總線與主機構成主從式監控系統，實現用戶連網，在一臺電腦上可對1～250臺智能斷路器在線遠程監控，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，並可對斷路器的各種參數進行遠程設置。

　　2.2 整體硬體設計

　　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、剩餘電流檢測電路、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理後，輸入到單片機的A/D轉換，單片機對其進行採樣後進行分析，輸出相應的顯示及報警信號等。其分析的結果也可以通過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公司設計的一款改進型哈佛架構的高性能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採樣、數據處理、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、研製和生產單片機技術性能具有以下優點：1）哈佛總線結構；2）精簡指令集 （RISC）技術；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晶片具有A/D、MSSP、USART串行總線埠等，並有外接電路簡潔、開發方便、可用C語言編程、程序保密性強等特點。

　　2.2.2 剩餘電流檢測電路

　　剩餘電流檢測電路是一個零序電流互感器。被保護的相線、中性線穿過環形鐵心，構成了互感器的一次線圈，纏繞在環形鐵芯上的繞組構成了互感器的二次線圈，如果沒有漏電發生，這時流過相線、中性線的電流向量和等於零，因此在二次線圈上也不能產生相應的感應電動勢。如果發生了漏電，相線、中性線的電流向量和不等於零，就使二次線圈上產生感應電動勢，這個信號就會被送到中間環節進行進一步的處理，如圖3所示。

　　

　　交流信號經過絕對值放大電路處理後，得到全波整流，處理後的信號送入到單片機中。單片機每個周期採樣36個點，根據式（1）可以計算出剩餘電流的有效值，其中X為採樣值。

　　

　　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換為電壓信號，經運算放大器構成的電路調理後整流濾波輸入到單片機的A/D轉換器進行轉換。

　　傳統的電壓檢測方法是採用電壓互感器或者線性光隔器，採用電壓互感器進行電壓檢測的缺點是互感器體積偏大，而很多時候設計的產品要求控制器的體積小巧，從而安裝使用方便，而採用線性光隔的缺點是電壓檢測精度不高。本系統採用電流互感器與電阻串聯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。

　　

　　電流互感器採用耀華電子生產的1:1的電流互感器TV16，由於電流互感器的原邊和副邊變比相等，所以副邊電壓等於原邊電壓。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採樣電壓，互感器副邊電壓經過整流橋後變成單相全波，單片機的A/D轉換器可對全波進行採樣分析。

　　電源相序檢測採用峰值檢測法，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，設為△t，根據△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，如果超出這個範圍，則判定為相序錯誤。

　　2.2.4 RS485總線硬體電路

　　智能型漏電斷路器與上位機採用RS485總線通信，一臺主機可以控制多達250臺斷路器，RS485通信系統採用主從式結構，從機不主動發送命令或數據，一切都由主機控制。因此在一個通訊系統中，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發。與上位機通信硬體電路如圖5所示。

　　

　　智能斷路器與上位機之間通信採用Modbus通信協議，Modbus通信協議是目前國際智能化儀表普遍採用的主流通信協議之一。兩者之間採用主從式通信方式，當上位機發送通信命令至斷路器時，符合相應地址碼的從機接收通信命令，並根據功能碼及相關要求讀取信息。如果CRC校驗無誤，則執行相應的任務，然後把執行結果返送給主機。

　　3 智能斷路器的軟體設計

　　軟體完成整個斷路器的功能，採用模塊化結構化的C語言程序設計方案。主要包括的程序：

　　1）系統主程序。主要完成系統的埠、定時器、A/D轉換器等模塊的初始化工作、同時完成LCD界面顯示工作。

　　2）定時中斷服務子程序及A/D轉換子程序，主要完成A/D轉換任務及按鍵處理功能，單片機需要在一個周期（20ms）採樣36次，並對採樣暑假進行保存。

　　3）數據處理子程序，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置漏電保護的整定值、延時跳閘時間等，其參數的修改有密碼保護。

　　主要的軟體系統框圖如圖6所示。

　　

　　編輯點評：智能漏電斷路器IRCCB是在配電網中廣泛應用的一種低壓電器主要用於防止人身觸電和設備漏電故障，其工作的正確性直接影響供電的安全性和可靠性，採用 PIC單片機進行智能型漏電斷路器的智能化設計，質量可靠，抗幹擾性強，並能夠通過總線通信技術的應用實現斷路器控制的系統化和網絡化。
電子發燒友《汽車電子特刊》，更多優質內容，馬上下載閱覽