電熱水器內(nèi)置漏電流檢測電路改進的試驗研究

黃智

廣東萬和新電氣股份有限公司 廣東佛山 528305

0 引言

隨著安全政策的調(diào)整和個人安全防護意識的日益提高，防漏電技術(shù)已經(jīng)成為電熱水器技術(shù)發(fā)展的方向[1]。而內(nèi)置漏電流檢測技術(shù)以其性價比高、漏電流報警值可選擇等優(yōu)點，越來越多的應用于電熱水器上。目前內(nèi)置漏電流檢測主要是依靠專用的漏電流檢測芯片來實現(xiàn)，通過預設(shè)漏電流閾值來檢測漏電流，但是專用芯片的一致性管控要求高且性價比低，導致檢測精度不高和抗干擾能力不強，易造成遺漏報警和誤觸發(fā)報警的情況，從而造成用戶使用時安全可靠性差，體驗性不好。所以漏報率（由于漏電流檢測電路檢測精度不高和抗干擾能力不強，容易遺漏報警的幾率）高和誤報率（由于漏電流檢測電路檢測精度不高和抗干擾能力不強，容易誤觸發(fā)報警的幾率）高是目前漏電流檢測電路普遍存在的問題。本文針對內(nèi)置電流檢測電路存在的問題進行研究，提出了對應的解決方案。全新設(shè)計的方案使用分立元件搭建內(nèi)置電流檢測電路，并通過增加漏電流閾值調(diào)節(jié)電路以提高檢測的精度，從而降低漏報警和誤報警的幾率，同時增加漏電流直流偏置電路來提高電路的抗干擾能力，降低漏報警和誤報警的幾率。隨后將全新設(shè)計電路應用在電熱水器控制器上，并進行試驗研究論證，結(jié)果表明，應用該電路可以提高電熱水器內(nèi)置漏電流檢測電路的精度，同時可以提高電路的抗干擾能力，從而大幅度降低電熱水器漏電流檢測的漏報率和誤報率，提升了產(chǎn)品的性能和可靠性，滿足了用戶的需求。

1 漏電流檢測漏報警和誤報警的原因分析

1.1 漏電流檢測技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展歷程

漏電流產(chǎn)生的原因一部分是由于電器本身引起的，如器具中的基本絕緣損壞導致器具“漏電”[2]；而另一部分是由于部分安裝人員專業(yè)性不足的問題，存在一定幾率的L、N線反接問題，這種情況下，器具中N線會帶電，因而存在漏電的幾率[3]。在國外，從二十世紀五十年代起，陸續(xù)出現(xiàn)了電流動作型漏電保護電器，到六十年代后期發(fā)展日趨完善。而國內(nèi)對漏電流保護技術(shù)的研究起步較晚，直到二十世紀七十年代中期才開始生產(chǎn)漏電流保護器。此后漏電流保護技術(shù)逐漸在我國發(fā)展普及，并逐漸應用于電熱水器產(chǎn)品上。

1.2 漏電流檢測漏報警和誤報警產(chǎn)生的原因

目前的內(nèi)置漏電流檢測手段主要有兩種：一種是使用漏電流檢測專用芯片；另外一種是通過分立元件搭建的漏電流檢測電路。

使用專用芯片的方案由于芯片參數(shù)一致性難以管控，同時漏電流報警值無法調(diào)節(jié)，所以該方案可以改善的空間不大。而使用分立元件的方案，受分立元件的固有誤差影響和受交流信號數(shù)據(jù)采集完整性要求的影響，同樣會出現(xiàn)誤報率和漏報率高的問題。下面針對分立元件方案存在的問題進行具體的原因分析。

1.2.1 漏電流檢測電路中運放電路誤差產(chǎn)生的影響

在進行漏電流檢測時，采集的是通過零序電流互感器感應后并通過相應電路轉(zhuǎn)化后的感應電壓信號。由于感應電壓信號太微弱（毫伏級別），后續(xù)的單片機電路無法識別其變化，所以需要經(jīng)過運算放大電路放大信號才能進行檢測。一般運放設(shè)計的放大倍數(shù)為幾十倍，這樣對應運算放大電路的元器件誤差也將放大，特別是運算放大器的失調(diào)電壓。

而選用的普通運算放大器的失調(diào)電壓也是毫伏級別的（與有用信號的量級相同），且正負電壓都存在失調(diào)。例如使用常規(guī)的LM358運算放大器，它的輸入失調(diào)電壓為±2 mV～±7 mV，那么經(jīng)過后續(xù)的運放放大后（按30倍放大倍數(shù)計算），則它的輸出失調(diào)電壓為±60 mV～±210 mV。所以當這個輸出失調(diào)電壓疊加到放大后的有用信號上時，就會減小有用信號幅值，導致漏報警的情況發(fā)生，或者增大有用信號幅值導致誤報警的情況發(fā)生。

1.2.2 漏電流檢測電路采集數(shù)據(jù)不完整產(chǎn)生的影響

電熱水器進行漏電檢測保護時，核心部件是零序電流互感器，它是利用電磁感應原理工作的[4]。而互感器感應出來的是交流信號，后續(xù)的放大電路若直接進行放大處理，就會導致交流負半周部分的信號無法識別的情況發(fā)生（單片機端口只能識別正相信號）。當漏電流發(fā)生在交流負半周時，由于單片機的特性決定了無法識別“負值的交流信號”，這樣就出現(xiàn)了漏報警的情況。同時，當外界出現(xiàn)交流的干擾信號時，此時由于單片機的特性只能采集正半周的漏電流信號（含交流正相的干擾信號），而無法采集到負半周的漏電流信號（含交流負相的干擾信號），從而導致誤報警的情況發(fā)生（由于采集數(shù)據(jù)不完整）。

2 降低漏電流檢測漏報率和誤報率的方法

從以上分析的漏電流檢測漏報警和誤報警的原因可知，可以采用如下三種途徑來降低漏報率和誤報率。

2.1 增加漏電流調(diào)節(jié)電路，對異常的漏電流報警值進行校準

針對漏電流檢測電路元器件誤差引起的漏報警和誤報警問題，可以通過增加全新設(shè)計的漏電流報警值調(diào)節(jié)電路來解決，以降低漏報率和誤報率，具體步驟如下：

第一步：利用精度更高的、失調(diào)電壓（mV級別）更小的運放電路進行測量，編制出標準的漏電流和單片機采樣AD值（調(diào)節(jié)檔位）對照表；

第二步：對批量生產(chǎn)的漏電流保護電路進行校準：當元器件誤差導致實際漏電流報警值比設(shè)置的初始漏電流報警值偏大時才報警（漏報警）時，則通過顯示控制器調(diào)小漏電流報警值對應的AD采樣值（調(diào)小檔位）；當元器件誤差導致實際漏電流報警值比設(shè)置的初始漏電流報警值偏小時就報警（誤報警）時，則通過顯示控制器調(diào)大漏電流報警值對應的AD采樣值（調(diào)大檔位）。具體的實現(xiàn)方法及對應的電路原理圖，如圖1所示。

圖1 漏電流檢測調(diào)節(jié)電路原理圖

從圖1可知，該檢測調(diào)節(jié)電路主要由兩部分組成：一部分是漏電流檢測電路，主要由零序電流互感器JD1、感應電流采樣電阻R1、運算放大器U1和對應的分壓電阻R5和R6、單片機和顯示控制器組成[5]。圖1中的運算放大器U1，在進行漏電流與單片機調(diào)節(jié)漏電流檔位對照測試時，需要選用高精度運算放大器，比如：SGM8581，失調(diào)電壓可以做到≤100 μV，然后把測試的對照表存入單片機中。當進行批量生產(chǎn)時，則換為普通的LM358即可滿足使用要求。另一部分是漏電流調(diào)節(jié)電路，主要由工頻變壓器（輸出信號線需要穿過零序互感器JD1）、帶通斷的可調(diào)電阻器和電流表組成。當批量生產(chǎn)時，出現(xiàn)了誤報警（實際漏電流報警值＜設(shè)置漏電流報警值）或漏報警（實際漏電流報警值＞設(shè)置漏電流報警值）時，則通過顯示控制器對漏電流報警值進行修正（使用存于單片機中的檔位調(diào)節(jié)表），隨后再通過工頻變壓器配合可調(diào)電阻器測試確認（調(diào)節(jié)完成后，必須要斷開可調(diào)電阻器），即可保證漏電流報警值在設(shè)置的范圍內(nèi)，從而達到消除由于元器件誤差引起的漏報警和誤報警的目的。

2.2 增加直流偏置電路，提高電路抗干擾能力

針對單片機只能采集交流漏電流正半周信號，導致交流漏電流信號受到干擾時，容易出現(xiàn)誤報警和漏報警情況，全新設(shè)計了帶直流偏置的漏電流檢測電路來提高抗干擾的能力，以降低漏報率和誤報率，具體電路原理圖，如圖2所示。

圖2 帶直流偏置的漏電流檢測電路原理圖

從圖2可知，該電路是在原漏電流檢測電路基礎(chǔ)上，增加了由電阻R2、電阻R3、電阻R4、二極管D1和濾波電容C1組成的直流偏置電路。直流偏置電壓是由D1的正向壓降來提供，當+12 V電源通過R4再通過D1到GND時，正向壓降UD1是基本穩(wěn)定不變的。此時，輸入到運算放大器U1的電壓信號Ui就由兩部分疊加而成（Ui=Ui1+Ui2）：其一是直流偏置電壓Ui1（恒定值），該電壓由UD1通過R3、R2和R1分壓得到（Ui1=UD1×[（R1+R2）/（R1+R2+R3）]）；其二是通過零序互感器感應出來的交流漏電流信號，并通過R1采樣電阻轉(zhuǎn)化后的交流漏電壓信號Ui2。那么Vi電壓信號經(jīng)過運算放大器信號放大后得到的Uo（Uo=Ui×（1+R6/R5））也由兩部分疊加而成（Uo=Uo1+Uo2），這樣放大后的交流漏電壓信號Uo2就被放大后的直流偏置電壓信號Uo1（恒定值）整體抬高了，只要選擇合適的R2和R3分壓電阻值，就可以把Uo2電壓信號整體抬高至合適的正電壓范圍，這樣后端的單片機就可以對漏電流信號進行完整的采集，從而提高了電路的抗干擾能力。增加直流偏置電路前后的輸出電壓波形對比圖，如圖3所示。

圖3 增加直流偏置電路前后的輸出電壓波形對比圖

2.3 帶直流偏置且有漏電流調(diào)節(jié)功能的電路，增加抗干擾能力和漏電流調(diào)節(jié)能力

為了進一步降低漏電流檢測的漏報率和誤報率，全新設(shè)計了帶直流偏置電路且有漏電流調(diào)節(jié)功能的電路，具體的電路原理圖，如圖4所示。

圖4 帶直流偏置的漏電流檢測調(diào)節(jié)電路原理圖

從圖4可知，該電路結(jié)合了2.1章節(jié)和2.2章節(jié)的優(yōu)點，組成了帶直流偏置的且可以調(diào)節(jié)漏電流報警值的漏電流檢測電路。這樣既可以采集漏電流的全部波形數(shù)據(jù)，提高抗干擾能力，同時又可以消除元器件誤差來提高檢測的精度。從而大幅度的降低內(nèi)置漏電流檢測的漏報率和誤報率。

3 漏電流檢測電路改善后的測試驗證

為驗證漏電流檢測電路改善前后的實際效果，選取了某款電熱水器控制器進行了測試。該測試主要從以下兩個方面進行。

3.1 增加漏電流調(diào)節(jié)電路后測試數(shù)據(jù)

該試驗選用圖1所示的帶漏電流檢測調(diào)節(jié)電路的電熱水器控制器來進行測試。由于家庭生活用電使用的漏電保護器是為了防止人身觸電，所選用漏電流報警值一般在30 mA（高靈敏度）以下，所以本次測試設(shè)置的漏電流報警值為20 mA±5 mA（15 mA～25mA）。隨后選取一定數(shù)量的熱水器控制器，對增加調(diào)節(jié)電路后的漏電流檢測電路進行漏電流測試。漏電流測試的方法是使用漏電流調(diào)節(jié)電路中的工頻變壓器電壓轉(zhuǎn)換后配合調(diào)節(jié)可調(diào)電阻器來模擬漏電流故障信號，當通過電流表讀出的漏電流報警值不在設(shè)定的范圍內(nèi)時（15 mA～25 mA），則挑選出來。本次測試挑選了10組異常數(shù)據(jù)，隨后按照2.1章節(jié)的方法對異常漏電流報警值的控制器進行了校準，具體結(jié)果如表1所示。

表1 漏電流測試數(shù)據(jù)表

通過表1可知，增加漏電流調(diào)節(jié)電路后，可以對測試到異常的漏電流報警值（產(chǎn)生誤報警和漏報警的原因）進行校準，把異常的漏電流報警值調(diào)回至正常值，從而驗證了“帶漏電流調(diào)節(jié)功能的漏電流檢測電路”可以大幅度降低漏電流檢測的漏報率和誤報率的可行性。

3.2 增加直流偏置電路前后抗干擾性能對比

該試驗選用圖2所示的帶直流偏置的漏電流檢測電路的電熱水器控制器來進行測試。測試的內(nèi)容是對增加了直流偏置電路前后的控制器進行抗干擾測試（群脈沖EFT和傳導抗騷擾測試CS）對比，具體的測試結(jié)果如表2所示（10套控制器的測試數(shù)據(jù)）。

表2 抗干擾測試對比數(shù)據(jù)表

通過表2的試驗結(jié)果的對比，增加直流偏置電路后，EFT和CS的抗干擾能力都獲得了提高，從而減少了在外界強干擾情況下漏報警和誤報警情況的發(fā)生。從而驗證了“帶直流偏置的漏電流檢測電路”可以大幅度降低漏電流檢測的漏報率和誤報率的可行性。

4 結(jié)論

通過以上試驗證明，增加漏電流閾值調(diào)節(jié)電路，可以對電熱水器控制器的漏電流異常閾值進行校準，減少漏報警和誤報警的情況發(fā)生，從而提高電路的檢測精度。同時增加漏電流直流偏置電路，可以提高電路的抗干擾能力，也可以減少漏報警和誤報警的情況發(fā)生。全新設(shè)計的電路與以前的電路相比，在檢測精度上（可以對異常的漏電流閾值進行全面的校準）和抗干擾能力（EFT抗干擾能力提高到了4000 V，CS抗干擾能力提高到了10 V）上都有了較大的提高，從而解決了原電熱水器控制器內(nèi)置漏電流檢測漏報率和誤報率高的問題。但是全新設(shè)計的電路還是存在漏電流閾值調(diào)節(jié)精度不高（mA級別）以及直流偏置電路中直流偏置點容易偏移的問題。所以后續(xù)在電路上需要提高漏電流閾值的調(diào)節(jié)精度（μA級別）和直流偏置電路中直流偏置點的穩(wěn)定性，從而進一步降低電熱水器內(nèi)置漏電流檢測的漏報率和誤報率，以提升電熱水器的安全性和可靠性，滿足用戶的需求。