超快速單相電漏電、短路保護電路仿真分析

王綏亮

（海南獅子魚深海技術(shù)有限公司，三亞 572000）

0 引言

常規(guī)的單相電路保護器，如空氣開關(guān)等，在發(fā)生故障時動作時間多數(shù)在100 ms 以上。為了確保在設備使用過程中人員的操作安全，需要在發(fā)生故障時，超快速地切斷相電。

通常使用繼電器和差動互感器作為單相電保護電路的檢測和開關(guān)部件。差動互感器是一種特殊的電流互感器，電流互感器是一種用來測量一次側(cè)大電流的重要部件。通過特殊繞線方式，實現(xiàn)在差動互感器的流入電流等于流出電流時不產(chǎn)生電壓差，在流入電流不等于流出電流時，產(chǎn)生差動電壓，反應靈敏。繼電器因工作原理的原因，吸合和釋放存在較大的時間延時，不能快速切斷相電。且往往短路保護和漏電保護是由兩個部件組成，增加了費用支出。且通常漏電保護器的安裝需要一定的專業(yè)知識，防止漏電保護器的誤動作。

提出的保護電路，采用差分互感器對漏電保護反應靈敏，且具備短路保護功能，利用場效應管的高速開關(guān)特性和低飽和壓降特點，能快速地執(zhí)行開關(guān)動作，具有很大的工程應用意義。

1 保護電路方案整體結(jié)構(gòu)

提出的超快速漏電、短路保護電路采用差動電流互感器作為漏電檢測裝置，增加取樣電阻（或使用互感器內(nèi)阻）作為短路采樣電阻。輸入電流通過開關(guān)管后，輸送給負載，當發(fā)生漏電或短路時，漏電、短路識別電路鑒別到故障發(fā)生，開關(guān)控制電路立即發(fā)生斷電指令，故障信號經(jīng)過綜合時間延長后，若在該時間之內(nèi)故障未解除，則持續(xù)斷電指令，若在該時間之內(nèi)故障解除，延長時間結(jié)束，恢復供電。如圖1所示。

圖1 漏電、短路保護電路框架

電源基準電路作用有兩個方面：一方面是提供開關(guān)管驅(qū)動電壓；另一方面是給邏輯器件供電，這兩個部分的參考地不一樣，給開關(guān)管提供供電電壓的參考地為AC300/50 Hz，給邏輯器件供電的參考地是GND。開關(guān)控制電路作用是在故障發(fā)生時，通過斷電邏輯將開關(guān)管斷開，待故障解除后再恢復正常工作。漏電、短路識別電路作用是快速鑒別故障信號。綜合時間延長電路作用是檢測到故障信號后，將故障時間延長。

2 保護電路原理分析

2.1 電源基準電路

邏輯器件和開關(guān)管工作時，需要提供供電電壓和驅(qū)動電壓。根據(jù)用途的不同，電源基準電壓選取的參考地線也不同，如圖2所示。

圖2 電源基準電路結(jié)構(gòu)

電源為交流300V50Hz 交流電，穩(wěn)壓管V1和V2 選取6.2 V 線性穩(wěn)壓二極管，能夠驅(qū)動NMOS 管 和PMOS 管。VCC 和VSS 的 參 考 地 為OUT 電位，VCC 作為驅(qū)動開關(guān)管的邏輯器件的電源正電壓，VSS 作為驅(qū)動開關(guān)管邏輯器件的電源負電壓。驅(qū)動輸出VCC 時，NMOS 管導通，驅(qū)動輸出VSS時，PMOS導通。

V3 選取電壓基準芯片TL431，參考電壓為2.5 V。VDD 參考地為GND，配置輸出5 V。作為綜合時間延長和短路保護鑒別邏輯器件供電電壓。

2.2 開關(guān)控制電路

采用超快速恢復場效應管作為開關(guān)控制器件，能夠?qū)收想娐愤M行快速的分斷。采用兩個MOS 管聯(lián)合工作，能夠降低單管工作下的負擔。如圖3所示。

圖3 開關(guān)控制電路

開關(guān)控制電路與綜合時間延長電路通過光耦隔離。其中：D1、D2、D3、D4、D5、D6為施密特觸發(fā)器，供電電源為VCC和VSS，因為該供電電源的參考地為OUT，當電路正常工作時，CTL1電平為高電平，PMOS的柵極電壓為VSS負壓，NMOS 的柵極電壓為VCC 正壓，OUT1 正常輸出。當故障發(fā)生時，CTL1 被拉低到VSS，因此，PMOS和NMOS斷開，OUT1沒有輸出。

2.3 漏電、短路識別電路

漏電識別電路采用差動電流互感器結(jié)構(gòu)，如圖4 所示。其中，R2 和R3 為電流互感器原邊線圈內(nèi)阻，或者額外添加取樣電阻，以作為短路保護的取樣。

圖4 漏電、短路識別電路

互感器M1 和M2 是一個特殊的“差分互感器”，作用在同一個鐵芯上，有兩個相同的、并繞的初級線圈，一個做M1 的L1，一個做M2 的L4；只有一個公用的次級線圈L2?！安罘只ジ衅鳌钡囊粋€初級線圈流過相電流如M1，同名端接電源輸出端，一個初級線圈流過地線電流如M2，同名端接負載端。

當沒有漏電流時，因為互感產(chǎn)生的電流相互抵消，保證了“差分互感器”的次級線圈電流差為零，沒有電流、電壓輸出。當有漏電流時，流過兩個初級線圈的電流不同，次級線圈中電流不為零，在R1 上采樣到互感差分電壓。互感差分電壓經(jīng)過綜合時間延長電路后，快速做出斷電指令，并對故障時間進行延長。

R2作為短路故障取樣電阻，假設U1輸入鑒別電壓為V，則輸出采樣電壓V為

因此，短路限制電流為：

電路正常工作時，U1 輸出邏輯為高，此時，D2 二極管陰極電平為低。由于負載發(fā)生短路故障，相地電流增大，短路取樣電阻R2 兩端電壓增大。因此，V增大，導致V增大，超過邏輯器件U1的閾值電壓時，U1輸出為低，由于D3二極管反接到地線，因此，D2二極管陰極電平為低。短路電流信號為50 Hz的交流信號，在半周期中，由于輸出電壓取樣電壓從最大值到最小值發(fā)生變化，因此，U1 輸出邏輯又從低電平到高電平轉(zhuǎn)變，大約在10 ms 左右，此時，D2 二極管陰極為高電平。經(jīng)綜合時間延長電路，發(fā)生斷電指令及斷電指令時間延長。

2.4 綜合時間延長電路

如圖5 所示，當負載對地發(fā)生漏電時，“差分互感器”流過相電流的初級線圈和流過地線電流的初級線圈產(chǎn)生差分電流，在R 取樣上產(chǎn)生50 Hz的互感差分電壓。假設次級差分電流為，則R取樣上產(chǎn)生的互感差分電壓為

圖5 綜合時間延長電路

D1、D2、D3 和D4 是異或邏輯器件，可選CD4030BE，供電電源為VDD，邏輯地為GND。D1 和D2 的一端接GND，另一端作為漏電差分電壓輸入鑒別。上電瞬間，由于V1 的存在，D1 和D2 的差分互感電壓鑒別引腳初始電壓為2.5 V，隨著電容充電的飽和，D1的偏置電壓為

D2的偏置電壓為

通過設置R1、R2 和R3 的阻值，設置適當?shù)闹绷髌秒妷?。設置D1 偏置比2.5 V 高一點，D2 偏置比2.5 V 低一點。電路正常工作時，D1輸出高電平，D2輸出低電平，因此D3輸出低電平，D4輸出低電平。

當存在漏電電流，產(chǎn)生差分互感電壓時，差分互感電壓為50Hz 的正弦波，初始相位為R取樣電阻的下端電位比上端電位高。D1和D2分別在偏置電壓的基礎(chǔ)上疊加差分互感電壓。

差分互感電壓負半波通過時，D1 偏置電壓逐漸減小，D2 偏置電壓逐漸增大，當偏置電壓超過邏輯器件的閾值電壓時，邏輯器件產(chǎn)生動作，此時，D1 輸出低電平，因為C2 通過電阻4放電，電阻4設置比較大的電阻值，放電較慢，因此，對應D3端輸入引腳存在負壓。D2輸出高電平，對應D3 的輸入引腳存在正壓，因為電阻R5阻值設置較大，正壓降低較慢，此時D3輸入端一端為高電平，一端為負壓，D3 輸出為高電平，D4 產(chǎn)生斷電指令高電平，且C4 電容充電。

差分互感電壓正半波通過時，D1 偏置電壓逐漸增大，D2 偏置電壓逐漸減小，超過邏輯器件的閾值電壓時，邏輯器件D1 和D2 產(chǎn)生動作，D1 輸出高電平，C2 放電未完又重新充電，因此，對應D3 的輸入端輸入引腳電壓為0 V。D2輸出低電平，因為C3 充電較慢，對應D3 的輸入端輸入引腳電壓存在較低的負壓，邏輯電平為低。因此，D3輸出為低，因為電容C4保持電壓的作用，此時，D4 輸出仍然為高電平。C4 通過電阻R7 放電，因此，綜合時間延長電路時間延長為

在漏電故障排除后，經(jīng)過綜合時間延長時間后，D4恢復低電平輸出。

短路識別電路輸出連接到綜合時間延長電路的6和7。因為短路電流是50 Hz的正弦波，正常工作時短路識別輸出低電平，當電路發(fā)生短路時，短路識別輸出高電平，因此，D4 產(chǎn)生斷電指令。待故障解除，且綜合時間延長結(jié)束后，恢復正常供電。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 電源基準電路仿真分析

電源基準電路仿真結(jié)果如圖6所示。橫坐標為時間軸，單位s；縱坐標為電壓軸，單位V。VCC 和VSS 的參考地為相線，VDD 參考地為地線。仿真結(jié)果顯示，VCC 平均值為6.19 V，VSS平均值為-6.19 V，VDD平均值為5.02 V。

圖6 電源基準電路仿真曲線

3.2 綜合時間延長電路仿真分析

綜合時間延長電路仿真分析如圖7所示。橫坐標為時間軸，單位為s；縱坐標為電壓軸，單位為V。

圖7 綜合時間延長電路仿真曲線圖

從仿真曲線可以看出，當負載存在漏電時，此時漏電電流僅僅有30 mA，“差分互感器”將產(chǎn)生差分互感電壓，經(jīng)過綜合時間延長電路處理后，產(chǎn)生斷電指令。從漏電電流產(chǎn)生到斷電指令發(fā)生時間差幾乎可以忽略不計。

3.3 整體電路仿真

整體電路仿真結(jié)果如圖8所示。橫坐標為時間軸，單位為s；縱坐標為電壓軸，單位為V。

圖8 整體電路仿真曲線圖

仿真參數(shù)設置為，漏電故障發(fā)生于3.5 s～4 s，短路故障發(fā)生于4.5 s～4.8 s。

發(fā)生漏電故障時，漏電電流最大只有20 mA，“差分互感器”產(chǎn)生差分互感電壓，識別到漏電故障發(fā)生后，立即產(chǎn)生斷電指令，高電平。經(jīng)綜合時間延長后，在延長時間內(nèi)故障信號仍然存在，因此斷電指令仍然保持高電平。4 s 后，漏電故障解除，待綜合時間延長內(nèi)，電壓降低到邏輯器件的閾值電壓，電路恢復正常供電。

發(fā)生短路故障時，短路識別電路檢測到短路故障發(fā)生。經(jīng)過約半個周期時間，約10 ms產(chǎn)生斷

電指令高電平。在綜合時間延長時間內(nèi)，故障

存在，斷電指令保持高電平，4.8 s后，短路故障解除，斷電指令恢復低電平，電路正常輸出。

4 結(jié)語

提出的單相電漏電、短路保護電路仿真分析方法，結(jié)果表明，漏電保護幾乎無時間延時，短路故障保護動作時間約在15 ms之內(nèi)。在進行工程實施時，需要考慮各個元器件的耐壓等級和額定電流值。該電路方案在解決快速漏電、短路保護中具有較大的參考意義。