具有雙重漏電保護(hù)智能斷路器設(shè)計(jì)

汪俊林

（廈門(mén)宏發(fā)開(kāi)關(guān)設(shè)備有限公司，福建廈門(mén) 361021）

引言

隨著我國(guó)電力系統(tǒng)的日益龐大，用電線路分支錯(cuò)綜復(fù)雜，發(fā)生觸電或漏電的機(jī)率也隨之增大，不正當(dāng)用電、電氣設(shè)備及用電線路的故障不僅會(huì)造成人員傷亡而且也容易導(dǎo)致火災(zāi)等重大事故的發(fā)生，用電安全問(wèn)題已逐漸成為人們廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)。漏電斷路器作為低壓配電系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的一種開(kāi)關(guān)裝置，在低壓電網(wǎng)系統(tǒng)中得到了大量應(yīng)用，承擔(dān)著終端用戶(hù)安全用電與保護(hù)重任。

傳統(tǒng)的漏電斷路器僅有單一的漏電保護(hù)功能。目前有的方案采用純硬件做漏電保護(hù)，也有方案采用單片機(jī)控制進(jìn)行漏電保護(hù)，但都沒(méi)有實(shí)現(xiàn)雙重漏電保護(hù)功能，當(dāng)出現(xiàn)漏電流超限且單一漏電保護(hù)模塊失效時(shí)，斷路器無(wú)法及時(shí)進(jìn)行有效分閘，容易導(dǎo)致觸電或漏電事故的發(fā)生，很難做到較好保障用戶(hù)的生命和財(cái)產(chǎn)安全。因此，研制一種更具安全性的雙重漏電保護(hù)斷路器已成為當(dāng)務(wù)之急[1,2]。

本研究在傳統(tǒng)單一漏電保護(hù)技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一種在斷路器內(nèi)部采用兩個(gè)獨(dú)立零序電流互感器分別檢測(cè)漏電流信號(hào)進(jìn)行雙重漏電的保護(hù)方法，并且兩種漏電保護(hù)方法實(shí)現(xiàn)方式完全不同，一種通過(guò)純硬件電路控制脫扣線圈實(shí)現(xiàn)斷路器分閘，另外一種通過(guò)單片機(jī)控制電機(jī)帶動(dòng)齒輪實(shí)現(xiàn)斷路器分閘[3,4]，兩種方法相對(duì)獨(dú)立，能夠較好克服傳統(tǒng)單一漏電保護(hù)技術(shù)的缺陷，起到雙重漏電保護(hù)功能，真正做到有效預(yù)防終端用戶(hù)因觸電或漏電引起的安全事故問(wèn)題。

1 總體方案設(shè)計(jì)

具有雙重漏電保護(hù)智能斷路器的硬件系統(tǒng)組成架構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要由兩部分組成，一部分是獨(dú)立漏電保護(hù)模塊，其主要包含一組獨(dú)立的零序電流互感器、獨(dú)立漏電保護(hù)電路以及脫扣線圈等；另一部分是微控制器采集控制模塊，其主要包含另一組獨(dú)立的零序電流互感器、微控制器采集控制電路以及直流雙向電機(jī)等。采用兩個(gè)獨(dú)立零序電流互感器分開(kāi)監(jiān)測(cè)漏電，可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)互感器檢測(cè)信號(hào)互不影響，其都被安裝在斷路器動(dòng)觸點(diǎn)后端，相線L、N從中間穿過(guò)。當(dāng)斷路器后端出現(xiàn)漏電且漏電流值超過(guò)預(yù)設(shè)的安全值時(shí)，兩個(gè)獨(dú)立零序電流互感器同時(shí)檢測(cè)到的漏電流信號(hào)分別提供給獨(dú)立漏電保護(hù)電路和微控制器采集控制電路。獨(dú)立漏電保護(hù)電路優(yōu)先起作用，控制脫扣線圈實(shí)現(xiàn)斷路器分閘操作。同時(shí)微控制器采集控制電路實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)漏電流及斷路器分合閘狀態(tài)，當(dāng)漏電流值持續(xù)超限且獨(dú)立漏電保護(hù)模塊超時(shí)無(wú)法進(jìn)行分閘時(shí)，微控制器控制電機(jī)及時(shí)進(jìn)行有效分閘操作，起到二次漏電保護(hù)作用。

圖1 硬件系統(tǒng)總體架構(gòu)

2 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要是針對(duì)智能斷路器漏電保護(hù)的硬件原理設(shè)計(jì)[5,6]。硬件電路組成主要包含兩大部分：獨(dú)立漏電保護(hù)電路、微控制器采集控制電路。微控制器采集控制電路又包含四個(gè)子電路，分別是微控制器電路、漏電信號(hào)處理電路、狀態(tài)監(jiān)測(cè)電路及電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。

2.1 獨(dú)立漏電保護(hù)電路

獨(dú)立漏電保護(hù)電路核心芯片采用上海復(fù)旦微電子的A型漏電保護(hù)芯片F(xiàn)M2147，該芯片不僅適用于AC型漏電流保護(hù)，也適用A型漏電保護(hù)，適用范圍較廣，且具有良好的抗電磁干擾能力，更具安全性。

獨(dú)立漏電保護(hù)電路采用純硬件控制，無(wú)需軟件，其工作原理：斷路器后端的相線L經(jīng)過(guò)脫扣線圈L1，與N線一起通過(guò)全橋整流D2后，再經(jīng)過(guò)電阻R12和穩(wěn)壓管D1給漏電保護(hù)芯片U1供電。當(dāng)斷路器后端有漏電流產(chǎn)生時(shí)，獨(dú)立零序電流互感器1檢測(cè)到漏電流，并通過(guò)電阻R1采樣轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，輸入到漏電保護(hù)芯片U1，且當(dāng)漏電流值超過(guò)預(yù)先設(shè)定安全值時(shí)，漏電保護(hù)芯片U1輸出脈寬大于30 mS的脈沖，經(jīng)過(guò)電阻R11后控制晶體管Q1導(dǎo)通，脫扣線圈瞬間通過(guò)大電流，產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)，通過(guò)電磁機(jī)構(gòu)推動(dòng)斷路器分閘。獨(dú)立漏電保護(hù)電路硬件原理如圖2所示。

圖2 獨(dú)立漏電保護(hù)電路硬件原理圖

2.2 微控制器采集控制電路

2.2.1 微控制器電路

微控制器電路核心芯片選用意法半導(dǎo)體微控制器STM8S003F3，該芯片是基于8位框架結(jié)構(gòu)的MCU，內(nèi)置16 MHz高速RC振蕩器(HSI)，無(wú)需外置晶振，外圍電路簡(jiǎn)單，對(duì)于產(chǎn)品低成本設(shè)計(jì)，是很好的選擇。另外該芯片內(nèi)帶10位模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)，滿(mǎn)足本設(shè)計(jì)漏電流信號(hào)的采樣需求。其主要外圍電路包括RC復(fù)位電路、程序下載調(diào)試電路，微控制器電路硬件原理框圖如圖3所示。

圖3 微控制器電路硬件原理圖

微控制器電路作為整個(gè)電路的核心部分，內(nèi)帶運(yùn)行程序，起著信號(hào)采集、處理、控制及協(xié)調(diào)作用。首先從ADC2通道采樣漏電流信號(hào)和從PC6和PC7 I/O口監(jiān)測(cè)斷路器的分合閘狀態(tài)，通過(guò)內(nèi)部軟件算法處理和判斷來(lái)控制PD2和PD3 I/O口輸出，達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)目的，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制斷路器分閘操作。

2.2.2 漏電信號(hào)處理電路

漏電信號(hào)處理電路作為漏電流信號(hào)采集及放大處理的中間電路，把漏電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合微控制器ADC采樣的信號(hào)，起到對(duì)信號(hào)調(diào)理的作用。其主要過(guò)程是：首先通過(guò)電阻R4采集零序電流互感器2檢測(cè)的漏電流信號(hào)，并把它轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，再經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器U2B，把電壓信號(hào)進(jìn)行放大；然后輸出給微控制器ADC采樣，放大倍數(shù)由微控制器ADC可接納的電壓范圍決定。其中在電阻R6前端加入直流偏置電壓VREF，提高了運(yùn)算放大器U2B輸出的基準(zhǔn)電平，使得微控器對(duì)漏電信號(hào)正、負(fù)半周都可以實(shí)現(xiàn)采樣。直流基準(zhǔn)電壓VREF采用射極電壓跟隨器的方式實(shí)現(xiàn)，提高電壓輸出的穩(wěn)定性，其值一般設(shè)成微控器ADC參考電壓VCC的一半。漏電信號(hào)處理電路硬件原理圖如圖4所示。

圖4 漏電信號(hào)處理電路硬件原理圖

2.2.3 狀態(tài)監(jiān)測(cè)電路

狀態(tài)監(jiān)測(cè)電路采用微動(dòng)開(kāi)關(guān)方式，實(shí)時(shí)輸出斷路器分合閘狀態(tài)給微控制器檢測(cè)。它由兩路微動(dòng)開(kāi)關(guān)電路組成，一路微動(dòng)開(kāi)關(guān)電路用來(lái)檢測(cè)合閘狀態(tài)，另一路微動(dòng)開(kāi)關(guān)電路用來(lái)檢測(cè)分閘狀態(tài)。當(dāng)斷路器動(dòng)觸頭轉(zhuǎn)動(dòng)到完全合閘位置時(shí)，通過(guò)內(nèi)部機(jī)構(gòu)點(diǎn)動(dòng)微動(dòng)開(kāi)關(guān)S1閉合，輸出低電平給微控器檢測(cè)；當(dāng)斷路器動(dòng)觸頭轉(zhuǎn)動(dòng)到完全分閘位置時(shí)，通過(guò)內(nèi)部機(jī)構(gòu)點(diǎn)動(dòng)微動(dòng)開(kāi)關(guān)S2閉合，輸出低電平給微控器檢測(cè)，從而達(dá)到判斷斷路器分合閘狀態(tài)的目的。狀態(tài)監(jiān)測(cè)電路硬件原理圖如圖5所示。

圖5 狀態(tài)監(jiān)測(cè)電路硬件原理圖

2.2.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用羅姆品牌的專(zhuān)用雙向直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片BA6287，微控器通過(guò)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片U3的正、反輸入引腳，再經(jīng)過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片推挽式輸出引腳控制直流電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、剎車(chē)及待機(jī)模式，最后由斷路器內(nèi)部機(jī)構(gòu)裝置來(lái)達(dá)到控制斷路器分合閘目的。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路硬件原理圖如圖6所示。

圖6 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路硬件原理圖

3 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)雙重漏電保護(hù)智能斷路器實(shí)際應(yīng)用的需求，本系統(tǒng)中獨(dú)立漏電保護(hù)模塊采用純硬件控制，無(wú)需軟件，軟件設(shè)計(jì)主要是針對(duì)微控制器采集控制模塊[7]。軟件主要分兩部分設(shè)計(jì)：即主程序設(shè)計(jì)及定時(shí)中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì)。

3.1 主程序設(shè)計(jì)

主程序是一個(gè)無(wú)限死循環(huán)的程序。程序運(yùn)行后，先對(duì)微控器I/O端口、定時(shí)器及ADC寄存器等進(jìn)行初始化操作，啟動(dòng)1 ms的定時(shí)中斷；然后每隔10 ms(計(jì)數(shù)器加到10)計(jì)算一次最近10次(半周波)采樣的漏電流有效值，計(jì)算方式采用抗干擾去極值濾波，加權(quán)均方根算法實(shí)現(xiàn)，并把計(jì)算所得的漏電流有效值存入指定的內(nèi)存單元；接著程序開(kāi)始判斷斷路器是否處于合閘狀態(tài)，如果處于合閘狀態(tài)且50 ms內(nèi)的最近4個(gè)漏電流有效值數(shù)據(jù)超過(guò)預(yù)設(shè)整定漏電流值，可以判定為已產(chǎn)生有效超限漏電且獨(dú)立漏電保護(hù)模塊分閘失效，則立即控制電機(jī)執(zhí)行斷路器分閘操作。主程序流程圖如圖7所示。

圖7 主程序流程圖

3.2 中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì)

定時(shí)中斷服務(wù)程序采用微控器定時(shí)器1(TIM1)，每隔1 ms產(chǎn)生一次定時(shí)中斷，定時(shí)中斷產(chǎn)生后，進(jìn)入中斷服務(wù)子程序，在中斷服務(wù)程序里，先清除中斷標(biāo)志位，對(duì)零序電流互感器2產(chǎn)生的漏電流信號(hào)進(jìn)行A/D采樣，并把采樣到的數(shù)值經(jīng)過(guò)換算得到實(shí)時(shí)漏電流值存儲(chǔ)到指定的內(nèi)存單元，然后計(jì)數(shù)器加1。定時(shí)中斷服務(wù)程序流程圖如圖8所示。

圖8 定時(shí)中斷服務(wù)程序流程圖

4 測(cè)試

根據(jù)上述設(shè)計(jì)方案對(duì)智能斷路器進(jìn)行樣機(jī)研制，并對(duì)整個(gè)系統(tǒng)安全、可靠性進(jìn)行模擬測(cè)試驗(yàn)證，主要的測(cè)試項(xiàng)目及結(jié)果如表1所示。測(cè)試結(jié)果表明該方案研制的智能斷路器滿(mǎn)足低壓電器設(shè)備相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求[8]，性能做到安全、可靠，能起到二次漏電保護(hù)作用。

表1 測(cè)試項(xiàng)目及結(jié)果

5結(jié)語(yǔ)

對(duì)傳統(tǒng)斷路器的漏電保護(hù)功能進(jìn)行提升設(shè)計(jì)，在滿(mǎn)足基本漏電保護(hù)功能基礎(chǔ)上，增加了二次漏電保護(hù)功能，滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用中更具安全性的需求。研制出的雙重漏電保護(hù)斷路器工作穩(wěn)定可靠、安全保護(hù)系數(shù)高，可以有效防范發(fā)生觸電或漏電引起的事故，較好地保障用戶(hù)的生命和財(cái)產(chǎn)安全，助力平安城市建設(shè)。