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消除漏電保護(hù)死區(qū)的智能保護(hù)器設(shè)計(jì)

發(fā)布時間:2011-09-27

中心議題:

  • 漏電流保護(hù)的死去問題
  • 漏電流的逐值檢測法
  • 漏電保護(hù)器的實(shí)現(xiàn)

解決方案:

  • 采用單片機(jī)設(shè)計(jì)漏電檢測系統(tǒng)


隨著工商業(yè)和家庭等的重要用電設(shè)備不斷增加,用電設(shè)備和人身安全的保護(hù)逐漸成為一項(xiàng)至關(guān)重要的工作。隨著人們對漏電保護(hù)技術(shù)的不斷研究和應(yīng)用,電流動作型漏電保護(hù)器得到了快速發(fā)展,新的漏電保護(hù)的原理和方法不斷出現(xiàn),但漏電觸電傷亡事件仍然層出不窮。將單片機(jī)技術(shù)應(yīng)用于保護(hù)電器中,可以很好地克服剩余電流保護(hù)器的誤動和拒動等缺點(diǎn),使其保護(hù)特性更加準(zhǔn)確、可靠。

1 漏電流保護(hù)的死區(qū)問題

漏電流也被稱作剩余電流,包括兩個部分:漏電流中隨氣候、設(shè)備老化等變化而緩慢變化的緩變電流和突然發(fā)生故障漏電的突變電流。由于緩變電流和突變電流的不同變化特征,對它們要采取不同的方法進(jìn)行檢測和保護(hù)。

在被保護(hù)電路工作正常,沒有發(fā)生漏電或觸電故障的情況下,通過漏電電流互感器TA一次測的電流相量和等于零,使得TA鐵中心的磁通相量和也為0,這樣TA的二次側(cè)沒有感應(yīng)電動勢產(chǎn)生,漏電保護(hù)器拒動作,系統(tǒng)保持正常供電;當(dāng)被保護(hù)電路發(fā)生漏電故障或有人觸電時,由于漏電流的存在,漏電流通過TA,使其磁通量發(fā)生變化,從而通過TA一次側(cè)各相電流的相量和不再等于零,產(chǎn)生了漏電電流Ik。這使得TA鐵中心的磁通的相量和也不等于0,在鐵心中出現(xiàn)了交變磁通。TA的二次側(cè)在交變磁通作用下,就有感應(yīng)電動勢產(chǎn)生,此漏電信號經(jīng)中間環(huán)節(jié)進(jìn)行處理和比較當(dāng)故障電流達(dá)到額定值時,足以使漏電脫扣器動作,切斷故障電路,有效地起到保護(hù)作用。

具體地說,剩余電流互感器檢測到的漏電電流為電網(wǎng)緩變電流和突變電流的相量和,即。設(shè)觸電發(fā)生在任意一相,如A相,突變電流與線路緩變電流間的相位差角為φ,則φr=0,φL=φ,就可以得到,大小為:

當(dāng)觸電發(fā)生時,突變電流匯入線路緩變電流形成新的漏電電流,其前后的變化量為:

取這個變化量△I作為漏電保護(hù)的動作信號,當(dāng)△I達(dá)到整定值時,推動保護(hù)裝置動作。將式(1)代入式(2)得△I=,此時,當(dāng)Ir為50mA,IL為100 mA時,若整定值為30 mA,則通過計(jì)算可知有63.9°~139.5°和220.5°~296.1°兩個死區(qū)區(qū)間,且隨整定值變小死區(qū)范圍會變大。經(jīng)取值計(jì)算可看出:漏電保護(hù)存在動作死區(qū),而且值越小,靈敏度越高,但死區(qū)范圍越大。

2 漏電流的逐值檢測法

逐值檢測法指以連續(xù)的3個周期為處理單元,將對應(yīng)時刻的漏電流值與前1周期對應(yīng)時刻的緩變電流值相減,可以在每個周期內(nèi)確定的時刻采樣得到有效的信號值△I,然后將連續(xù)3個周期相對應(yīng)時刻的△I值進(jìn)行比較處理。以周波中第二個采樣點(diǎn)為例:當(dāng)前采樣時刻t21的△I,與設(shè)定值作比較,若大于設(shè)定值(突變電流動作整定值),再判斷后兩個周期相對應(yīng)時刻t22和t23的值,均大于,則確定是突變電流,發(fā)出執(zhí)行信號,繼電器動作;若后兩個周期中相對應(yīng)時刻t22和t23的值均小于,則確定為緩變電流,且原來緩變電流的值增大h2,而差值h1判斷為干擾信號。依照此方法,當(dāng)累積的緩變電流值達(dá)到其動作整定值I△n時,應(yīng)發(fā)出執(zhí)行信號,繼電器動作,保護(hù)設(shè)備和人身。
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如圖1所示,是電網(wǎng)緩變電流曲線,是測得的信號電流,其每一時刻的電流值都是緩變電流和突變電流的矢量和,由于在較短的一段時間內(nèi),緩變電流是相對不變的,大小可以等于前一時刻的緩變電流的值,即圖1虛線所示,所以在t1到t3的各時刻電流突增值即突變電流就可以計(jì)算出來。重要的一點(diǎn)就是要設(shè)計(jì)過零點(diǎn)檢測電路,準(zhǔn)確檢測零相位點(diǎn)。一般觸電體是純阻性體時,漏電流和工作電壓之間的相位差為零,即同時出現(xiàn)信號過零點(diǎn);一旦觸電體為非純阻性體時,漏電流和電壓之間的相位差菲零,漏電流的過零點(diǎn)可能是突變電流和緩變電流在這個時刻的矢量和恰好為零導(dǎo)致的,那么必須檢測到這兩者先后過零點(diǎn)的時間差,然后計(jì)算出相位差,應(yīng)用公式得到此刻的突變電流值,進(jìn)行判斷。


圖1 漏電流分析示意圖

3 漏電保護(hù)器的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)前述漏電流檢測方法,采用單片機(jī)設(shè)計(jì)的漏電檢測系統(tǒng)如圖2所示。


圖2 漏電檢測系統(tǒng)框圖

漏電流檢測電路由電流互感器和信號調(diào)理單元組成,將檢測到的漏電電流送到單片機(jī)的AD通道,將其大小轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號;電壓互感器用于檢測電源電壓,并將電壓信號的過零時間與漏電流信號的過零時間進(jìn)行差值運(yùn)算,從而得到相位差,為計(jì)算漏電信號的變化量提供硬件支持;額定動作值設(shè)定電路即鍵盤電路,用來設(shè)定額定突變電流動作值和緩變電流動作值;顯示電路可采取LED顯示,若需增加系統(tǒng)功能,則可選LCD液晶顯示,可以顯示緩變電流和突變電流的大小等;動作執(zhí)行單元是在檢測到的信號大于額定值時,由單片機(jī)直接控制繼電器執(zhí)行動作。該系統(tǒng)選用TI公司的MSP430系列單片機(jī)為控制器,是一款超低功耗的16位單片機(jī),具有功能完善、成本低廉的特點(diǎn),配有8路外部通道,可方便系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)與擴(kuò)展。
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漏電流檢測的流程圖如圖3所示。漏電流信號過零點(diǎn)后,開始AD采樣轉(zhuǎn)換,根據(jù)定時器測得漏電流和工作電壓之間的時間差計(jì)算相位差,得到漏電流的大小,將連續(xù)3個周期同一時刻的值分別與突變電流和緩變電流的設(shè)定值作比較,判斷當(dāng)前是否發(fā)生漏電;若漏電,漏電由緩變電流引起還是突變電流引起;若大于整定值則立刻斷電并顯示系統(tǒng)當(dāng)前故障值并報(bào)警等。


圖3 漏電信號處理流程圖

為了測試需要,我們設(shè)計(jì)了一個信號源,可以按照系統(tǒng)檢測信號的要求產(chǎn)生脈沖信號,以脈沖信號來模擬漏電信號。設(shè)定緩變電流動作值為100 mA,突變電流動作值為8 mA,當(dāng)緩變電流累計(jì)值達(dá)到90 mA時,測試結(jié)果如表1所示。

由表1可以看出本系統(tǒng)在Ir動作值設(shè)定為8 mA時,可以準(zhǔn)確動作,和市面上設(shè)定值為30 mA的保護(hù)裝置相比,大大提高了漏電保護(hù)的靈敏度,實(shí)現(xiàn)了漏電的準(zhǔn)確檢測。

4 結(jié)論

經(jīng)測試驗(yàn)證,人體觸電時的突變電流設(shè)定值低于國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的交流允許安全電流值(10 mA)時,該智能保護(hù)器可準(zhǔn)確動作,性能可靠,減少了死區(qū)范圍,提高了保護(hù)靈敏度,使人們?nèi)松戆踩陀秒娫O(shè)備得到進(jìn)一步保障。而且,可以根據(jù)氣候等因素更改緩變電流設(shè)定值,使用更加方便靈活,同時擴(kuò)大了智能保護(hù)器的應(yīng)用區(qū)域。

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