智能漏電保護(hù)器的設(shè)計(jì)

1、    智能漏電保護(hù)器的設(shè)計(jì)    馬瑜+王馨漪摘要：低壓電網(wǎng)的漏電保護(hù)早已經(jīng)引起了我們國(guó)家各個(gè)用電部門及勞動(dòng)保護(hù)部門的高度重視，大力建設(shè)完善的科學(xué)的智能漏電保護(hù)體系迫在眉睫。漏電保護(hù)器能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)當(dāng)前剩余電流值的大小，能適應(yīng)各種復(fù)雜的電網(wǎng)和多變的環(huán)境，能夠同時(shí)保證用電安全與供電的可靠性。采用單片機(jī)為處理器，并對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)單元、電流信號(hào)采集單元、人機(jī)接口單元等硬件電路進(jìn)行了研究和分析，用單片機(jī)技術(shù)進(jìn)行軟硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)漏電流的檢測(cè)，快速處理和顯示，設(shè)計(jì)出高可靠低價(jià)位的新型漏電保護(hù)器。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；智能；漏電保護(hù)器0 引言漏電保護(hù)器的發(fā)展大約經(jīng)歷了三個(gè)階段

2、，即初始階段、發(fā)展階段和成熟階段。我國(guó)研究漏電保護(hù)器起步要晚于國(guó)外，進(jìn)入二十世紀(jì)七十年代以來(lái)，我國(guó)用電量逐年增加，觸電事故也逐年增加，因此引起各部門的相當(dāng)重視1。隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，單片機(jī)的集成度越來(lái)越高，功能越來(lái)越豐富。以單片機(jī)為主體，取代傳統(tǒng)儀器儀表的常規(guī)測(cè)量電子線路，可以容易地將計(jì)算機(jī)技術(shù)與測(cè)量控制技術(shù)結(jié)合在一起，組成新一代的所謂“智能化測(cè)量控制系統(tǒng)”。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中采用單片機(jī)技術(shù)，能夠解決許多傳統(tǒng)儀表不能或不易解決的問(wèn)題。這種新型的智能儀表在測(cè)量過(guò)程自動(dòng)化，測(cè)量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理以及功能多樣化方面，都取得了巨大的進(jìn)展2。1 智能漏電保護(hù)器硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)1.1總體設(shè)計(jì)框圖智能化漏電保

3、護(hù)器的硬件可以劃分為五大部分，即漏電檢測(cè)電路、相位同步電路、漏電動(dòng)作電流和時(shí)間延時(shí)設(shè)定電路、漏電數(shù)字顯示電路和動(dòng)作執(zhí)行單元?？傮w設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。漏電檢測(cè)電路由零序電流互感器和信號(hào)處理單元組成，這部分電路將檢測(cè)出漏電信號(hào)送到單片機(jī)的a/d輸入通道，轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可以處理的數(shù)字信號(hào)，相位同步電路負(fù)責(zé)將電網(wǎng)的電壓信號(hào)與漏電信號(hào)的相位進(jìn)行比較，單片機(jī)根據(jù)它們的相位差來(lái)判斷各相漏電電流，漏電動(dòng)作電流和時(shí)間設(shè)定電路是來(lái)設(shè)定額定漏電動(dòng)作電流及動(dòng)作時(shí)間，根據(jù)需要也可以設(shè)定為單片機(jī)自動(dòng)選擇額定漏電動(dòng)作電流，漏電數(shù)字顯示電路是由單片機(jī)控制，顯示電網(wǎng)的漏電電流動(dòng)值和動(dòng)作原因，動(dòng)作執(zhí)行單元直接由單片機(jī)控制，完成漏電

4、保護(hù)功能。1.2 零序電流互感器的選擇零序電流的檢測(cè)是基于整個(gè)系統(tǒng)原始信號(hào)，零序電流的互感器在整個(gè)系統(tǒng)準(zhǔn)確程度完全決定了整個(gè)電氣系統(tǒng)的不一樣的精度，所以對(duì)于互感器的選擇尤為重要。而且一般來(lái)說(shuō)，零序電流互感器在原方電流小于2-5安培時(shí)它的變比和相角誤差均較大，不能滿足微機(jī)檢測(cè)設(shè)備的要求。所以選擇高精度零序電流互感器ljwz-3型，它的優(yōu)點(diǎn)是即使原方電流很小，能夠保證足夠的精確度。其輸出信號(hào)接負(fù)載電阻后送低通濾波器進(jìn)一步處理。1.3 低通濾波器設(shè)計(jì)由于大量在電力系統(tǒng)的諧波，尤其是三次和五次諧波會(huì)向數(shù)字系統(tǒng)帶來(lái)很大的傷害，為避免諧波的影響，必須有濾波電路將各次諧波濾除。濾波器電路實(shí)際上是一種選頻網(wǎng)絡(luò)

5、，根據(jù)阻帶的不同可分為低通、高通、帶通、帶阻濾波電路，工頻電網(wǎng)中的諧波絕大多數(shù)是高次奇次諧波，因而需要低通濾波器。使用運(yùn)算放大器的濾波電路是有源濾波電路，由于運(yùn)放的存在，高輸入阻抗、低輸出阻抗和一定程度的反饋，消除了因電阻分壓而造成的輸出信號(hào)幅值變小的缺點(diǎn)，是一種理想的濾波電路。本文所采用的是有源濾波。常用的濾波器有巴特沃斯型和切比雪夫型。本文設(shè)計(jì)了四階切比雪夫模擬濾波器用以消除三次以上諧波對(duì)系統(tǒng)造成的影響。其設(shè)計(jì)性能要求達(dá)到三次諧波衰減達(dá)到40db，1.4相位同步電路的設(shè)計(jì)在三相電網(wǎng)中的漏電保護(hù)器能夠分別顯示出三相漏電電流。在三相電網(wǎng)中，只單純地顯示三相漏電矢量和，還不能完全滿足用戶的需要。

6、分別顯示出各相漏電電流，更便于用戶進(jìn)行故障分析，判斷究竟是哪一相線路發(fā)生了漏電。漏電信號(hào)分析模塊中在對(duì)漏電信號(hào)進(jìn)行處理時(shí)，泄漏信號(hào)處理模塊的泄漏信號(hào)分析，需要將泄漏信號(hào)被劃分成三個(gè)階段的漏電流3-4，從而輸出顯示，如圖3所示。1.5單片機(jī)接口電路設(shè)計(jì)1.5.1單片機(jī)接口按鍵設(shè)計(jì)按鍵部分用于設(shè)置動(dòng)作電流和時(shí)間參數(shù)，按鍵的硬件接口電路圖所示。當(dāng)某個(gè)按鍵電位為低電位時(shí)，表示按鍵按下，此時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的操作。1.5.2單片機(jī)復(fù)位電路設(shè)計(jì)picl6f87x系列單片機(jī)的復(fù)位功能設(shè)計(jì)得比較完善，導(dǎo)致單片機(jī)內(nèi)部復(fù)位的方式，或者說(shuō)，引起單片機(jī)內(nèi)部復(fù)位的條件和原因可以大致歸納成以下5種5-6：1.上電復(fù)位：每次單片機(jī)

7、加電時(shí)，上電復(fù)位電路都要對(duì)電源電壓vdd的上升過(guò)程進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)vdd上升到規(guī)定值1.6-1.8v，就產(chǎn)生一個(gè)有效的復(fù)位信號(hào)，需經(jīng)72ms=1024個(gè)時(shí)鐘周期的延時(shí)。才會(huì)使單片機(jī)復(fù)位。2.人工復(fù)位（單片機(jī)在執(zhí)行程序期間）：無(wú)論是單片機(jī)在按先設(shè)定的正常順序遠(yuǎn)行程序，還是出現(xiàn)單片機(jī)進(jìn)入不可預(yù)知的某一個(gè)死循環(huán)（形成死機(jī)現(xiàn)象），都得認(rèn)作單片機(jī)在執(zhí)行程序。單片機(jī)在執(zhí)行程序期間，只需在人工復(fù)位端mclr加入一個(gè)低電平信號(hào)，就會(huì)令其復(fù)位。3.看門狗復(fù)位：不論何種原因，只要沒(méi)有對(duì)看門狗定時(shí)器wdt進(jìn)行周期性地及時(shí)地清0，wdt就會(huì)出現(xiàn)超時(shí)溢出，也就會(huì)引發(fā)單片機(jī)復(fù)位。依據(jù)單片機(jī)在看門狗超時(shí)溢出之前所處的狀態(tài)是在睡

8、眠還是在執(zhí)行程序，又可以將看門狗超時(shí)溢出分為兩種情況。其實(shí)只有在單片機(jī)執(zhí)行程序期間，看門狗發(fā)出超時(shí)溢出，才會(huì)引發(fā)單片機(jī)的復(fù)位，而另一種情況對(duì)于pic16f87x單片機(jī)而言則不會(huì)引發(fā)單片機(jī)的復(fù)位。4.電源欠壓復(fù)位：在上電延時(shí)之后，該電路再提供1024個(gè)時(shí)鐘周期的延遲，目的是讓振蕩電路有足夠的時(shí)間產(chǎn)生穩(wěn)定時(shí)鐘信號(hào)。為了滿足手動(dòng)復(fù)位的需要，通常設(shè)立一個(gè)外部微控制器復(fù)位引腳，用于接收外部輸入信號(hào)的手動(dòng)復(fù)位，有效低電平。 1.5.3單片機(jī)振蕩電路設(shè)計(jì)在標(biāo)準(zhǔn)晶體振蕩xt、低功耗振蕩lp和高速晶體振蕩hs三種方式中，pic芯片可以使用已集成在片內(nèi)的振蕩器，也可使用由其他電路構(gòu)成的振蕩器電路。當(dāng)外接振蕩器時(shí)，

9、外部振蕩信號(hào)從osc1端輸入，osc2端開(kāi)路。74hc04反相器用來(lái)實(shí)現(xiàn)振蕩器所需的180度相移，4.7 的電阻用來(lái)提供負(fù)反饋給反相器， 的電位器用來(lái)提供偏壓，從而使反相器74hc04工作在線性范圍內(nèi)。1.5.4液晶顯示部分硬件設(shè)計(jì)體積小，壽命長(zhǎng)，不產(chǎn)生電磁輻射污染的優(yōu)點(diǎn)，成為理想的顯示裝置中的單片微計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，并且被廣泛應(yīng)用于智能儀器儀表，工業(yè)控制領(lǐng)域的單芯片微電腦控制。這樣的設(shè)計(jì)是一個(gè)lcd顯示數(shù)據(jù)，以及作為關(guān)鍵控制參數(shù)設(shè)置的主要目的。使用液晶屏采用該公司生產(chǎn)的，它可以顯示一個(gè)行16個(gè)字符，并內(nèi)置hd44780主控制驅(qū)動(dòng)電路。液晶屏上有pic16f877單片機(jī)硬件接口電路如圖7所示。1.

10、5.5控制執(zhí)行部分硬件設(shè)計(jì)剩余電流保護(hù)器完全可以實(shí)現(xiàn)的主要功能是在剩余電流值超過(guò)當(dāng)前檔位剩余電流值，并在適當(dāng)?shù)难舆t時(shí)間到達(dá)制動(dòng)控制去除斷層線后觸發(fā)中繼點(diǎn)。繼電器控制一部分執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它的作用是至關(guān)重要的，這也決定了剩余電流保護(hù)器的工作可靠性的可靠性7。1.5.6 電源部分設(shè)計(jì)我們使用許多繞組變壓器，220伏的相電壓轉(zhuǎn)換為12伏的交流電壓信號(hào)，該全橋整流器變換的直流功率轉(zhuǎn)換器電路，用于在電源后備。集成運(yùn)算放大器的信號(hào)調(diào)理電路需求，+5v至5v電源，led數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)芯片需要+5v電源，單片機(jī)至+5v電源，繼電器控制部分需要+12v與12v電源。由于繼電器對(duì)于其電源的要求不高，為節(jié)省成本，將通過(guò)電

11、容平面波的全波整流橋整流后12伏交流電壓信號(hào)，然后直接作為+12伏和12v 的dc電源。2 智能漏電保護(hù)器軟件部分設(shè)計(jì)在硬件的基礎(chǔ)上，通過(guò)軟件命令，完成一系列的保護(hù)工作。本設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)的主要功能有：1）檢測(cè)緩變漏電電流。2）檢測(cè)突變漏電電流。3）漏電電流動(dòng)作判斷和控制。4）動(dòng)作原因、分合閘次數(shù)記憶，數(shù)據(jù)的顯示。本文的控制軟件由五部分組成，為上電初始化模塊、中斷服務(wù)模塊、漏電信號(hào)分析模塊、漏電動(dòng)作輸出模塊、漏電電流顯示模塊。泛，并且有很大的市場(chǎng)價(jià)值，同時(shí)，推廣和使用漏電保護(hù)器可以有效降低觸電死亡率，具有重要的社會(huì)意義8。本次設(shè)計(jì)采用pic16f877單片機(jī)，單片機(jī)作為漏電保護(hù)器的核心，單片機(jī)的性能

12、直接決定了整個(gè)漏電保護(hù)器的質(zhì)量9-10，鑒于pic系列單片機(jī)的一系列優(yōu)點(diǎn)，以及外圍電路的合理擴(kuò)展和其他硬件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使整個(gè)系統(tǒng)的性能更加優(yōu)秀、智能、性價(jià)比也得到了極大的提升。參考文獻(xiàn)1何瑞華.我國(guó)低壓電器現(xiàn)狀及國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)j.低壓電器，2008，3（8）：4045.2連理枝.關(guān)于低壓電氣設(shè)備的故障電流和過(guò)電流保護(hù)j.江蘇電器，2009，5（4）：45.3李奎，陸儉國(guó).智能化漏電保護(hù)器的研究.機(jī)床電器j，2006，（6）：5657.4藤松林，楊校生.觸電漏電保護(hù)電器及其應(yīng)用m.5版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011：2032.5王玉潔，永志群.單片機(jī)在漏電保護(hù)裝置中的應(yīng)用j.中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2010，4（3）：3438.6王萍.單片機(jī)在剩余電流斷路器上的應(yīng)用.電工技術(shù)雜志j.2014，3（5）：434