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算出來。重要的一點(diǎn)就是要設(shè)計過零點(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)前故障值并報警等。
圖3 漏電信號處理流程圖
為了測試需要，我們設(shè)計了一個信號源，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。
