基于單片機(jī)的漏電斷路器漏電保護(hù)實(shí)現(xiàn)方法

漏電保護(hù)是低壓用電保護(hù)中的一項(xiàng)重要保護(hù)技術(shù)，作為其載體之一的漏電斷路器廣泛用于低壓供電電網(wǎng)中，以防止漏電火災(zāi)和人身觸電傷亡
事故的發(fā)生?。當(dāng)前市場(chǎng)上的漏電斷路器主要是提供對(duì)地漏電保護(hù)，且均采用斷路器控制器與漏電處理模塊分立的形式。分立模塊與斷路器控
制器之問沒有任何聯(lián)系，控制器對(duì)斷路器的狀態(tài)不能完全掌控，這樣既不適應(yīng)基于現(xiàn)場(chǎng)總線的斷路器的開發(fā)和應(yīng)用，也不符合對(duì)斷路器遙測(cè)、遙信、遙控、遙調(diào)的發(fā)展要求。鑒于上述現(xiàn)狀，本文在分析現(xiàn)有漏電斷路器漏電處理模塊的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一種基于單片機(jī)實(shí)時(shí)采樣漏電信號(hào)并可接收上一級(jí)控制系統(tǒng)的參數(shù)要求，自動(dòng)設(shè)置漏電流動(dòng)作參數(shù)的漏電斷路器漏電保護(hù)方法。
1 工作原理
現(xiàn)有的漏電斷路器漏電處理模塊電路原理圖如圖1所示。當(dāng)線路有漏電流產(chǎn)生時(shí)，零序電流互感器(ZCT)次級(jí)端輸出的感應(yīng)電流信號(hào)經(jīng)電阻
轉(zhuǎn)換及二極管限幅后作為54133的電壓輸入信號(hào)，實(shí)際應(yīng)用中用戶通過撥動(dòng)開關(guān)改變接入的轉(zhuǎn)化電阻阻值實(shí)現(xiàn)多種漏電規(guī)格的選擇。轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)經(jīng)芯片內(nèi)部放大器放大后進(jìn)入芯片漏電檢測(cè)電路，當(dāng)漏電值未達(dá)到設(shè)定值時(shí)，閂鎖電路輸出低電平，晶閘管控制端輸出低電平，晶閘管截止，漏電脫扣器不動(dòng)作；當(dāng)漏電值達(dá)到設(shè)定值時(shí)，延時(shí)電路開始工作。延時(shí)電路利用芯片外圍配置的電容充、放電實(shí)現(xiàn)[2] ，當(dāng)電容充電到一定值(>2．4 V)時(shí)，閂鎖電路輸出高電平，晶閘管控制端輸出為800 mV，晶閘管導(dǎo)通，漏電脫扣器動(dòng)作，在此過程中，若漏電值減小并低于設(shè)定值，則延時(shí)電容即時(shí)放電，這樣下一次漏電發(fā)生時(shí)，延時(shí)電容又可以從零開始充電，實(shí)現(xiàn)可重復(fù)的延時(shí)功能。零序電流互感器的二次側(cè)有兩組線圈，一組用于輸出檢測(cè)到的漏電信號(hào)，另一組則用于用戶漏電測(cè)試時(shí)漏電信號(hào)的模擬輸入。

2 基于單片機(jī)采樣的漏電處理方法
基于上述的分立式漏電處理模塊工作原理，本文設(shè)計(jì)的漏電處理方法采用單片機(jī)實(shí)時(shí)采樣漏電信號(hào)，并通過單片機(jī)選擇漏電規(guī)格及延時(shí)時(shí)問。整個(gè)漏電處理模塊只需單片機(jī)2個(gè)I／0口、1個(gè)ADC的硬件資源及一段漏電采樣處理程序，即可將漏電處理集中到漏電斷路器的主控器上，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)漏電狀態(tài)的檢測(cè)。
2．1 硬件設(shè)計(jì)
本文設(shè)計(jì)的漏電處理電路由漏電信號(hào)轉(zhuǎn)換、放大、半波整流、RC濾波、及模擬開關(guān)操作等電路組成。如圖2所示。為保證漏電檢測(cè)的可靠性，本文采用定值電阻作為零序電流互感器輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換電阻，并通過單片機(jī)控制模擬開關(guān)4052開啟相應(yīng)的電阻通道以改變對(duì)轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)的放大倍數(shù)。放大后的信號(hào)通過半波整流及RC濾波電路進(jìn)入單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)的直流采樣。為消除4052導(dǎo)通內(nèi)阻及其阻值變化對(duì)接人放大電路的電阻值的影響[3] ，將電阻 R 設(shè)置為一個(gè)較大的阻值，可變電阻的初始值設(shè)定分別為103、294、970 Ω，出廠測(cè)試時(shí)進(jìn)行微調(diào)，這樣4052的波動(dòng)對(duì)采樣信號(hào)影響較小，保證了采樣的穩(wěn)定。此外，按照國(guó)家規(guī)定[4] ，漏電測(cè)試按鍵電路也包括在設(shè)計(jì)的硬件中，其工作原理及參數(shù)與分立式漏電處理模塊相同。

2．2 軟件設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)在軟件上兼顧了采樣的實(shí)時(shí)性和單片機(jī)的計(jì)算能力，適合采用定時(shí)中斷采樣的采樣方式及計(jì)算能力較弱的單片機(jī)系統(tǒng)中。程序采用c
語(yǔ)言編寫，只需要改變部分宏定義即可移植到不同的單片機(jī)系統(tǒng)中。在定時(shí)中斷采樣程序中系統(tǒng)對(duì)漏電信號(hào)進(jìn)行采樣、計(jì)算及處理。圖3為漏電處理程序流程圖，設(shè)置漏電正常狀態(tài)計(jì)數(shù)器是防止電網(wǎng)波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)判斷的影響。同時(shí)漏電動(dòng)作延時(shí)時(shí)間通過計(jì)算定時(shí)中斷的次數(shù)實(shí)現(xiàn)，這樣通過軟件實(shí)現(xiàn)的延時(shí)時(shí)間精度可以得到很好的保證。在主程序中系統(tǒng)實(shí)時(shí)查詢相應(yīng)的漏電狀態(tài)，并根據(jù)狀態(tài)做出報(bào)警及保護(hù)動(dòng)作。

3 測(cè)試結(jié)果
在浙江溫州柳市某公司對(duì)采用分立式漏電處理模塊的漏電斷路器及采用單片機(jī)采樣形式的漏電斷路器的漏電動(dòng)作電流及延時(shí)時(shí)間進(jìn)行了對(duì)比
測(cè)試。測(cè)試過程為：在相同的測(cè)試條件下，先將漏電動(dòng)作延時(shí)時(shí)間設(shè)置為100 ms，緩慢增大漏電測(cè)試儀的漏電輸出值直至斷路器斷開，記錄此時(shí)漏電測(cè)試儀上顯示的漏電值，該值即為相應(yīng)漏電規(guī)格時(shí)斷路器動(dòng)作漏電臨界值，每一漏電規(guī)格測(cè)試9次，取這9個(gè)數(shù)據(jù)中的最大值作為測(cè)試漏電動(dòng)作延時(shí)時(shí)問的漏電輸入值，然后設(shè)置漏電斷路器相應(yīng)規(guī)格的延時(shí)時(shí)間，輸入給定的漏電值，斷路器斷開后記錄漏電測(cè)試儀上顯示的延時(shí)時(shí)間。測(cè)試結(jié)果表明，采用單片機(jī)采樣方式的漏電斷路器動(dòng)作漏電電流值可以控制在70％±2％設(shè)置值的范圍內(nèi)，而采用分立模塊方式的漏電斷路器出廠要求為在75％±10％，提高了漏電處理的精度；對(duì)漏電動(dòng)作延時(shí)時(shí)間，由于受測(cè)試過程操作的影響，兩種方式都有一定的誤差，但整體上采用單片機(jī)采樣方式比采用分立模塊方式的漏電動(dòng)作延時(shí)時(shí)間的測(cè)量數(shù)據(jù)更接近設(shè)定值。
4 結(jié) 語(yǔ)
本文分析了現(xiàn)有漏電斷路器漏電處理模塊的工作原理及其在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及應(yīng)用中的不足，充分考慮了低壓電器現(xiàn)場(chǎng)總線化發(fā)展對(duì)漏電斷路器的要求及漏電處理本身的精度要求，設(shè)計(jì)出了一種基于單片機(jī)實(shí)時(shí)采樣處理的漏電斷路器漏電處理方法。試驗(yàn)結(jié)果表明該方法對(duì)單片機(jī)資源需求不高，可方便地移植到現(xiàn)有的漏電斷路器中，且漏電動(dòng)作精度要高于現(xiàn)有產(chǎn)品，同時(shí)也減少了整個(gè)漏電處理功能模塊的成本，提高了整個(gè)斷路器的可靠性。該方法為基于現(xiàn)場(chǎng)總線的漏電斷路器的設(shè)計(jì)和開發(fā)提供了一種有效的漏電解決方案。