消除漏电保护死区的智能保护器设计

摘要：为消除漏电死区，减小漏电保护器的拒动作和误动作，介绍了漏电保护的原理，理论论述漏电死区的存在。提出漏电检测的有效方法：以连续的3个周期为处理单元，将对应时刻的漏电流值与前1周期对应时刻的缓变电流值相减，可以在每个周期内确定的时刻采样得到有效的信号值△I，然后将连续3个周期相对应时刻的△I值分别与突变电流和缓变电流的动作整定值进行比较判断并做出相应的处理。依照提出的检测方法，设计出了漏电保护的硬件电路原理框图和其软件流程图。经测试，该智能保护器可大大提高漏电保护的可靠性和有效性。
关键词：漏电死区；逐值检测法；缓变电流；突变电流；智能化

    随着工商业和家庭等的重要用电设备不断增加，用电设备和人身安全的保护逐渐成为一项至关重要的工作。随着人们对漏电保护技术的不断研究和应用，电流动作型漏电保护器得到了快速发展，新的漏电保护的原理和方法不断出现，但漏电触电伤亡事件仍然层出不穷。将单片机技术应用于保护电器中，可以很好地克服剩余电流保护器的误动和拒动等缺点，使其保护特性更加准确、可靠。

1 漏电流保护的死区问题
    漏电流也被称作剩余电流，包括两个部分：漏电流中随气候、设备老化等变化而缓慢变化的缓变电流和突然发生故障漏电的突变电流。由于缓变电流和突变电流的不同变化特征，对它们要采取不同的方法进行检测和保护。
    在被保护电路工作正常，没有发生漏电或触电故障的情况下，通过漏电电流互感器TA一次测的电流相量和等于零，使得TA铁中心的磁通相量和也为0，这样TA的二次侧没有感应电动势产生，漏电保护器拒动作，系统保持正常供电；当被保护电路发生漏电故障或有人触电时，由于漏电流的存在，漏电流通过TA，使其磁通量发生变化，从而通过TA一次侧各相电流的相量和不再等于零，产生了漏电电流Ik。这使得TA铁中心的磁通的相量和也不等于0，在铁心中出现了交变磁通。TA的二次侧在交变磁通作用下，就有感应电动势产生，此漏电信号经中间环节进行处理和比较当故障电流达到额定值时，足以使漏电脱扣器动作，切断故障电路，有效地起到保护作用。
    具体地说，剩余电流互感器检测到的漏电电流为电网缓变电流和突变电流的相量和，即。设触电发生在任意一相，如A相，突变电流与线路缓变电流间的相位差角为φ，则φr=0，φL=φ，就可以得到，大小为：
   
    当触电发生时，突变电流汇入线路缓变电流形成新的漏电电流，其前后的变化量为：
   
    取这个变化量△I作为漏电保护的动作信号，当△I达到整定值时，推动保护装置动作。将式(1)代入式(2)得△I=，此时，当Ir为50mA，IL为100 mA时，若整定值为30 mA，则通过计算可知有63．9°～139．5°和220．5°～296．1°两个死区区间，且随整定值变小死区范围会变大。经取值计算可看出：漏电保护存在动作死区，而且值越小，灵敏度越高，但死区范围越大。

2 漏电流的逐值检测法
    逐值检测法指以连续的3个周期为处理单元，将对应时刻的漏电流值与前1周期对应时刻的缓变电流值相减，可以在每个周期内确定的时刻采样得到有效的信号值△I，然后将连续3个周期相对应时刻的△I值进行比较处理。以周波中第二个采样点为例：当前采样时刻t21的△I，与设定值作比较，若大于设定值(突变电流动作整定值)，再判断后两个周期相对应时刻t22和t23的值，均大于，则确定是突变电流，发出执行信号，继电器动作；若后两个周期中相对应时刻t22和t23的值均小于，则确定为缓变电流，且原来缓变电流的值增大h2，而差值h1判断为干扰信号。依照此方法，当累积的缓变电流值达到其动作整定值I△n时，应发出执行信号，继电器动作，保护设备和人身。

    如图1所示，是电网缓变电流曲线，是测得的信号电流，其每一时刻的电流值都是缓变电流和突变电流的矢量和，由于在较短的一段时间内，缓变电流是相对不变的，大小可以等于前一时刻的缓变电流的值，即图1虚线所示，所以在t1到t3的各时刻电流突增值即突变电流就可以计算出来。重要的一点就是要设计过零点检测电路，准确检测零相位点。一般触电体是纯阻性体时，漏电流和工作电压之间的相位差为零，即同时出现信号过零点；一旦触电体为非纯阻性体时，漏电流和电压之间的相位差菲零，漏电流的过零点可能是突变电流和缓变电流在这个时刻的矢量和恰好为零导致的，那么必须检测到这两者先后过零点的时间差，然后计算出相位差，应用公式得到此刻的突变电流值，进行判断。
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3 漏电保护器的实现
    根据前述漏电流检测方法，采用单片机设计的漏电检测系统如图2所示。

    漏电流检测电路由电流互感器和信号调理单元组成，将检测到的漏电电流送到单片机的AD通道，将其大小转换成数字信号；电压互感器用于检测电源电压，并将电压信号的过零时间与漏电流信号的过零时间进行差值运算，从而得到相位差，为计算漏电信号的变化量提供硬件支持；额定动作值设定电路即键盘电路，用来设定额定突变电流动作值和缓变电流动作值；显示电路可采取LED显示，若需增加系统功能，则可选LCD液晶显示，可以显示缓变电流和突变电流的大小等；动作执行单元是在检测到的信号大于额定值时，由单片机直接控制继电器执行动作。该系统选用TI公司的MSP430系列单片机为控制器，是一款超低功耗的16位单片机，具有功能完善、成本低廉的特点，配有8路外部通道，可方便系统功能的实现与扩展。
    漏电流检测的流程图如图3所示。漏电流信号过零点后，开始AD采样转换，根据定时器测得漏电流和工作电压之间的时间差计算相位差，得到漏电流的大小，将连续3个周期同一时刻的值分别与突变电流和缓变电流的设定值作比较，判断当前是否发生漏电；若漏电，漏电由缓变电流引起还是突变电流引起；若大于整定值则立刻断电并显示系统当前故障值并报警等。

    为了测试需要，我们设计了一个信号源，可以按照系统检测信号的要求产生脉冲信号，以脉冲信号来模拟漏电信号。设定缓变电流动作值为100 mA，突变电流动作值为8 mA，当缓变电流累计值达到90 mA时，测试结果如表1所示。

    由表1可以看出本系统在Ir动作值设定为8 mA时，可以准确动作，和市面上设定值为30 mA的保护装置相比，大大提高了漏电保护的灵敏度，实现了漏电的准确检测。

4 结论
    经测试验证，人体触电时的突变电流设定值低于国家标准规定的交流允许安全电流值(10 mA)时，该智能保护器可准确动作，性能可靠，减少了死区范围，提高了保护灵敏度，使人们人身安全和用电设备得到进一步保障。而且，可以根据气候等因素更改缓变电流设定值，使用更加方便灵活，同时扩大了智能保护器的应用区域。