智能漏電保護(hù)器的設(shè)計

馬瑜+王馨漪

摘要：低壓電網(wǎng)的漏電保護(hù)早已經(jīng)引起了我們國家各個用電部門及勞動保護(hù)部門的高度重視，大力建設(shè)完善的科學(xué)的智能漏電保護(hù)體系迫在眉睫。漏電保護(hù)器能夠?qū)崟r監(jiān)測當(dāng)前剩余電流值的大小，能適應(yīng)各種復(fù)雜的電網(wǎng)和多變的環(huán)境，能夠同時保證用電安全與供電的可靠性。采用單片機(jī)為處理器，并對單片機(jī)系統(tǒng)單元、電流信號采集單元、人機(jī)接口單元等硬件電路進(jìn)行了研究和分析，用單片機(jī)技術(shù)進(jìn)行軟硬件設(shè)計，實現(xiàn)漏電流的檢測，快速處理和顯示，設(shè)計出高可靠低價位的新型漏電保護(hù)器。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；智能；漏電保護(hù)器

0 引言

漏電保護(hù)器的發(fā)展大約經(jīng)歷了三個階段，即初始階段、發(fā)展階段和成熟階段。我國研究漏電保護(hù)器起步要晚于國外，進(jìn)入二十世紀(jì)七十年代以來，我國用電量逐年增加，觸電事故也逐年增加，因此引起各部門的相當(dāng)重視[1]。

隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，單片機(jī)的集成度越來越高，功能越來越豐富。以單片機(jī)為主體，取代傳統(tǒng)儀器儀表的常規(guī)測量電子線路，可以容易地將計算機(jī)技術(shù)與測量控制技術(shù)結(jié)合在一起，組成新一代的所謂“智能化測量控制系統(tǒng)”。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中采用單片機(jī)技術(shù)，能夠解決許多傳統(tǒng)儀表不能或不易解決的問題。這種新型的智能儀表在測量過程自動化，測量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理以及功能多樣化方面，都取得了巨大的進(jìn)展[2]。

1 智能漏電保護(hù)器硬件設(shè)計與實現(xiàn)

1.1總體設(shè)計框圖

智能化漏電保護(hù)器的硬件可以劃分為五大部分，即漏電檢測電路、相位同步電路、漏電動作電流和時間延時設(shè)定電路、漏電數(shù)字顯示電路和動作執(zhí)行單元?？傮w設(shè)計框圖如圖1所示。

漏電檢測電路由零序電流互感器和信號處理單元組成，這部分電路將檢測出漏電信號送到單片機(jī)的A/D輸入通道，轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可以處理的數(shù)字信號，相位同步電路負(fù)責(zé)將電網(wǎng)的電壓信號與漏電信號的相位進(jìn)行比較，單片機(jī)根據(jù)它們的相位差來判斷各相漏電電流，漏電動作電流和時間設(shè)定電路是來設(shè)定額定漏電動作電流及動作時間，根據(jù)需要也可以設(shè)定為單片機(jī)自動選擇額定漏電動作電流，漏電數(shù)字顯示電路是由單片機(jī)控制，顯示電網(wǎng)的漏電電流動值和動作原因，動作執(zhí)行單元直接由單片機(jī)控制，完成漏電保護(hù)功能。

1.2 零序電流互感器的選擇

零序電流的檢測是基于整個系統(tǒng)原始信號，零序電流的互感器在整個系統(tǒng)準(zhǔn)確程度完全決定了整個電氣系統(tǒng)的不一樣的精度，所以對于互感器的選擇尤為重要。而且一般來說，零序電流互感器在原方電流小于2-5安培時它的變比和相角誤差均較大，不能滿足微機(jī)檢測設(shè)備的要求。所以選擇高精度零序電流互感器LJWZ-3型，它的優(yōu)點是即使原方電流很小，能夠保證足夠的精確度。其輸出信號接負(fù)載電阻后送低通濾波器進(jìn)一步處理。

1.3 低通濾波器設(shè)計

由于大量在電力系統(tǒng)的諧波，尤其是三次和五次諧波會向數(shù)字系統(tǒng)帶來很大的傷害，為避免諧波的影響，必須有濾波電路將各次諧波濾除。濾波器電路實際上是一種選頻網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)阻帶的不同可分為低通、高通、帶通、帶阻濾波電路，工頻電網(wǎng)中的諧波絕大多數(shù)是高次奇次諧波，因而需要低通濾波器。使用運算放大器的濾波電路是有源濾波電路，由于運放的存在，高輸入阻抗、低輸出阻抗和一定程度的反饋，消除了因電阻分壓而造成的輸出信號幅值變小的缺點，是一種理想的濾波電路。本文所采用的是有源濾波。常用的濾波器有巴特沃斯型和切比雪夫型。本文設(shè)計了四階切比雪夫模擬濾波器用以消除三次以上諧波對系統(tǒng)造成的影響。其設(shè)計性能要求達(dá)到三次諧波衰減達(dá)到40dB，

1.4相位同步電路的設(shè)計

在三相電網(wǎng)中的漏電保護(hù)器能夠分別顯示出三相漏電電流。在三相電網(wǎng)中，只單純地顯示三相漏電矢量和，還不能完全滿足用戶的需要。分別顯示出各相漏電電流，更便于用戶進(jìn)行故障分析，判斷究竟是哪一相線路發(fā)生了漏電。

漏電信號分析模塊中在對漏電信號進(jìn)行處理時，泄漏信號處理模塊的泄漏信號分析，需要將泄漏信號被劃分成三個階段的漏電流[3-4]，從而輸出顯示，如圖3所示。

1.5單片機(jī)接口電路設(shè)計

1.5.1單片機(jī)接口按鍵設(shè)計

按鍵部分用于設(shè)置動作電流和時間參數(shù)，按鍵的硬件接口電路圖所示。當(dāng)某個按鍵電位為低電位時，表示按鍵按下，此時進(jìn)行相應(yīng)的操作。

1.5.2單片機(jī)復(fù)位電路設(shè)計

PICl6F87x系列單片機(jī)的復(fù)位功能設(shè)計得比較完善，導(dǎo)致單片機(jī)內(nèi)部復(fù)位的方式，或者說，引起單片機(jī)內(nèi)部復(fù)位的條件和原因可以大致歸納成以下5種[5-6]：

1.上電復(fù)位：每次單片機(jī)加電時，上電復(fù)位電路都要對電源電壓VDD的上升過程進(jìn)行檢測，當(dāng)VDD上升到規(guī)定值1.6-1.8V，就產(chǎn)生一個有效的復(fù)位信號，需經(jīng)72mS=1024個時鐘周期的延時。才會使單片機(jī)復(fù)位。

2.人工復(fù)位（單片機(jī)在執(zhí)行程序期間）：無論是單片機(jī)在按先設(shè)定的正常順序遠(yuǎn)行程序，還是出現(xiàn)單片機(jī)進(jìn)入不可預(yù)知的某一個死循環(huán)（形成死機(jī)現(xiàn)象），都得認(rèn)作單片機(jī)在執(zhí)行程序。單片機(jī)在執(zhí)行程序期間，只需在人工復(fù)位端MCLR加入一個低電平信號，就會令其復(fù)位。

3.看門狗復(fù)位：不論何種原因，只要沒有對看門狗定時器WDT進(jìn)行周期性地及時地清0，WDT就會出現(xiàn)超時溢出，也就會引發(fā)單片機(jī)復(fù)位。依據(jù)單片機(jī)在看門狗超時溢出之前所處的狀態(tài)是在睡眠還是在執(zhí)行程序，又可以將看門狗超時溢出分為兩種情況。其實只有在單片機(jī)執(zhí)行程序期間，看門狗發(fā)出超時溢出，才會引發(fā)單片機(jī)的復(fù)位，而另一種情況對于PIC16F87X單片機(jī)而言則不會引發(fā)單片機(jī)的復(fù)位。

4.電源欠壓復(fù)位：在上電延時之后，該電路再提供1024個時鐘周期的延遲，目的是讓振蕩電路有足夠的時間產(chǎn)生穩(wěn)定時鐘信號。

為了滿足手動復(fù)位的需要，通常設(shè)立一個外部微控制器復(fù)位引腳，用于接收外部輸入信號的手動復(fù)位，有效低電平。

1.5.3單片機(jī)振蕩電路設(shè)計

在標(biāo)準(zhǔn)晶體振蕩XT、低功耗振蕩LP和高速晶體振蕩HS三種方式中，PIC芯片可以使用已集成在片內(nèi)的振蕩器，也可使用由其他電路構(gòu)成的振蕩器電路。當(dāng)外接振蕩器時，外部振蕩信號從OSC1端輸入，OSC2端開路。

74HC04反相器用來實現(xiàn)振蕩器所需的180度相移，4.7 的電阻用來提供負(fù)反饋給反相器， 的電位器用來提供偏壓，從而使反相器74HC04工作在線性范圍內(nèi)。

1.5.4液晶顯示部分硬件設(shè)計

體積小，壽命長，不產(chǎn)生電磁輻射污染的優(yōu)點，成為理想的顯示裝置中的單片微計算機(jī)系統(tǒng)中，并且被廣泛應(yīng)用于智能儀器儀表，工業(yè)控制領(lǐng)域的單芯片微電腦控制。

這樣的設(shè)計是一個LCD顯示數(shù)據(jù)，以及作為關(guān)鍵控制參數(shù)設(shè)置的主要目的。使用液晶屏采用該公司生產(chǎn)的，它可以顯示一個行16個字符，并內(nèi)置HD44780主控制驅(qū)動電路。液晶屏上有PIC16F877單片機(jī)硬件接口電路如圖7所示。

1.5.5控制執(zhí)行部分硬件設(shè)計

剩余電流保護(hù)器完全可以實現(xiàn)的主要功能是在剩余電流值超過當(dāng)前檔位剩余電流值，并在適當(dāng)?shù)难舆t時間到達(dá)制動控制去除斷層線后觸發(fā)中繼點。繼電器控制一部分執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它的作用是至關(guān)重要的，這也決定了剩余電流保護(hù)器的工作可靠性的可靠性[7]。

1.5.6 電源部分設(shè)計

我們使用許多繞組變壓器，220伏的相電壓轉(zhuǎn)換為12伏的交流電壓信號，該全橋整流器變換的直流功率轉(zhuǎn)換器電路，用于在電源后備。集成運算放大器的信號調(diào)理電路需求，+5V至5V電源，LED數(shù)碼管顯示驅(qū)動芯片需要+5V電源，單片機(jī)至+5V電源，繼電器控制部分需要+12V與12V電源。

由于繼電器對于其電源的要求不高，為節(jié)省成本，將通過電容平面波的全波整流橋整流后12伏交流電壓信號，然后直接作為+12伏和12V 的DC電源。

2 智能漏電保護(hù)器軟件部分設(shè)計

在硬件的基礎(chǔ)上，通過軟件命令，完成一系列的保護(hù)工作。

本設(shè)計要實現(xiàn)的主要功能有：

1）檢測緩變漏電電流。

2）檢測突變漏電電流。

3）漏電電流動作判斷和控制。

4）動作原因、分合閘次數(shù)記憶，數(shù)據(jù)的顯示。

本文的控制軟件由五部分組成，為上電初始化模塊、中斷服務(wù)模塊、漏電信號分析模塊、漏電動作輸出模塊、漏電電流顯示模塊。

泛，并且有很大的市場價值，同時，推廣和使用漏電保護(hù)器可以有效降低觸電死亡率，具有重要的社會意義[8]。本次設(shè)計采用PIC16F877單片機(jī)，單片機(jī)作為漏電保護(hù)器的核心，單片機(jī)的性能直接決定了整個漏電保護(hù)器的質(zhì)量[9-10]，鑒于PIC系列單片機(jī)的一系列優(yōu)點，以及外圍電路的合理擴(kuò)展和其他硬件的優(yōu)化設(shè)計，使整個系統(tǒng)的性能更加優(yōu)秀、智能、性價比也得到了極大的提升。

參考文獻(xiàn)

[1]何瑞華.我國低壓電器現(xiàn)狀及國內(nèi)外發(fā)展趨勢[J].低壓電器，2008，3（8）：40～45.

[2]連理枝.關(guān)于低壓電氣設(shè)備的故障電流和過電流保護(hù)[J].江蘇電器，2009，5（4）：4～5.

[3]李奎，陸儉國.智能化漏電保護(hù)器的研究.機(jī)床電器[J]，2006，（6）：56～57.

[4]藤松林，楊校生.觸電漏電保護(hù)電器及其應(yīng)用[M].5版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011：20～32.

[5]王玉潔，永志群.單片機(jī)在漏電保護(hù)裝置中的應(yīng)用[J].中國安全科學(xué)學(xué)報，2010，4（3）：34～38.

[6]王萍.單片機(jī)在剩余電流斷路器上的應(yīng)用.電工技術(shù)雜志[J].2014，3（5）：43～44.

[7]何瑞華.我國低壓電器現(xiàn)狀及國內(nèi)外發(fā)展趨勢.低壓電器[J]，2006，3（7）：67.

[8]李奎，陸檢國.剩余電流保護(hù)器的主要技術(shù)參數(shù)及抗干擾的分析[J].機(jī)床電器，2009，2（4）：121～122.

[9]張弘廷.漏電保護(hù)器安裝運行維修[M].3版.北京：中國電力出版社， 2008：46～50.

[10]凌智敏.漏電開關(guān)及其應(yīng)用[M].5版.北京：水利電力出版社，2005：33～38.