戚慧珊 吳緒輝

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院 廣東 廣州 510006)

漏電保護(hù)開關(guān)在日常中十分常見，它能夠在電路發(fā)生漏電的瞬間切斷回路，從而保護(hù)用戶的人身安全．不過，有不少人會(huì)混淆空氣斷路器與漏電保護(hù)器的概念，以為二者是可以等效替代的設(shè)備．實(shí)則不然，空氣斷路器是利用大電流產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)來吸引銜鐵推動(dòng)脫扣裝置實(shí)現(xiàn)電路的切斷，或者是利用大電流使金屬片發(fā)熱形變而推動(dòng)脫扣裝置實(shí)現(xiàn)電路的切斷，均無需額外的信號(hào)放大裝置；而漏電保護(hù)器是利用回路剩余電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)使次級(jí)線圈產(chǎn)生感應(yīng)電流信號(hào)[1]，電信號(hào)經(jīng)放大后驅(qū)動(dòng)電磁鐵推動(dòng)脫扣開關(guān)，實(shí)現(xiàn)電路的切斷．前者的閾值動(dòng)作電流為安培級(jí)，后者的閾值動(dòng)作電流為毫安級(jí)．為此，我們?cè)O(shè)計(jì)了一款能夠在人體安全電壓范圍內(nèi)工作的漏電保護(hù)演示儀，用于直觀地展示漏電保護(hù)器的工作過程．

1 漏電保護(hù)器的原理

根據(jù)基爾霍夫電流定律[2]，工作正常的回路其輸入線與輸出線的電流大小相等、方向相反，即電流代數(shù)和為零．若回路存在導(dǎo)電的破損點(diǎn)，當(dāng)破損點(diǎn)接觸導(dǎo)體或被人觸碰時(shí)，回路電流將在該破損點(diǎn)分流，漏電電流不經(jīng)回路輸出線而直接流入大地，此時(shí)回路的輸入輸出線的電流代數(shù)和不為零，即回路內(nèi)存在剩余電流．如圖1所示，漏電保護(hù)器正是通過零序電流互感器來檢測(cè)回路中的電流代數(shù)和[3]，判斷回路是否發(fā)生漏電現(xiàn)象；當(dāng)回路發(fā)生漏電時(shí)，由于電流互感現(xiàn)象使得互感器次級(jí)線圈上產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路處理后，驅(qū)動(dòng)電磁脫扣裝置執(zhí)行脫扣動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)生漏電的故障回路的即時(shí)切斷．

圖1 常用的漏電保護(hù)器電氣原理圖

2 演示儀的設(shè)計(jì)制作

演示儀的組成結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示.

圖2 演示儀的組成結(jié)構(gòu)圖

2.1 零序電流互感器

如圖3所示，零序電流互感器[4]由磁芯和次級(jí)線圈組成，其初級(jí)線圈即被檢測(cè)電路，將直接穿過互感器的中心通孔．初、次級(jí)電流與線圈匝數(shù)之間關(guān)系式為I1∶I2=n2∶n1．如圖3所示，演示儀所用的零序電流互感器為塑料封裝，次級(jí)線圈與磁芯被包裹在塑料殼體內(nèi)，其次級(jí)線圈共有1 000匝，感應(yīng)電流從S1引腳流出．當(dāng)穿過中心通孔的工作回路內(nèi)的電流代數(shù)和不為零時(shí)，磁芯的磁通量將發(fā)生變化，此時(shí)次級(jí)線圈因互感現(xiàn)象產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流流經(jīng)采樣電阻后轉(zhuǎn)為電壓并輸出．

圖3 零序電流互感器實(shí)物圖

2.2 信號(hào)處理與驅(qū)動(dòng)電路

由于零序電流互感器的次級(jí)線圈輸出的感應(yīng)電流很小，不足以直接驅(qū)動(dòng)電磁鐵工作，因此需要對(duì)感應(yīng)電流進(jìn)行放大與比較處理，圖4是信號(hào)調(diào)理電路．

圖4 信號(hào)調(diào)理電路

使用如圖4所示信號(hào)調(diào)理電路，其中放大器電路[5]用于對(duì)感應(yīng)電流進(jìn)行放大，并輸入到比較器電路內(nèi)進(jìn)行比較；當(dāng)輸入信號(hào)的電壓高于參考信號(hào)電壓時(shí)，比較器輸出高電平，反之輸出低電平．調(diào)節(jié)比較器的參考電壓可實(shí)現(xiàn)對(duì)漏電保護(hù)器的動(dòng)作閾值電流進(jìn)行調(diào)整，圖5是驅(qū)動(dòng)電路．

圖5 電磁脫扣裝置驅(qū)動(dòng)電路

比較器輸出端與驅(qū)動(dòng)電路連接，當(dāng)比較器輸出端為高電平時(shí)，如圖5所示的電磁脫扣裝置驅(qū)動(dòng)電路的上半橋處于導(dǎo)通狀態(tài)，電磁脫扣裝置通電工作，工作回路將被及時(shí)切斷．

2.3 電磁鐵與活動(dòng)開關(guān)

由于市面上所銷售的漏電保護(hù)器中的電磁脫扣裝置結(jié)構(gòu)緊湊、設(shè)計(jì)巧妙，難以手工復(fù)制，故使用推拉式電磁鐵與鈕子活動(dòng)開關(guān)來代替電磁脫扣裝置，以實(shí)現(xiàn)對(duì)回路開關(guān)的通斷控制．

2.4 剩余電流模擬支路

由于回路的工作電壓較低，當(dāng)回路破損點(diǎn)接地或被人觸摸后，從故障點(diǎn)分流出去的漏電電流較小，導(dǎo)致零序電流互感器內(nèi)的剩余電流很小，不足以使次級(jí)線圈產(chǎn)生感應(yīng)電流．為使演示儀的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加明顯，可跨越零序電流互感器增加模擬支路來實(shí)現(xiàn)模擬漏電，電路接線布置如圖2所示．如圖6所示，工作回路總輸入電流IN與總輸出電流IL相等，由于總輸入電流IN在破損點(diǎn)處分流后得到的模擬漏電電流I1，經(jīng)模擬支路直接流入回路的輸出線，此時(shí)零序電流互感器平面內(nèi)的輸出線電流IL大于輸入線電流I2，即電流代數(shù)和不再為零，互感器平面的剩余電流值即模擬支路的電流值，以實(shí)現(xiàn)漏電現(xiàn)象的模仿．剩余電流模擬支路串聯(lián)了交流毫安電流表，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模擬支路內(nèi)的電流值，同時(shí)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器可改變模擬支路的電流，通過對(duì)支路開關(guān)的開合來實(shí)現(xiàn)對(duì)回路“漏電現(xiàn)象”的控制．

圖6 漏電模擬支路某時(shí)刻電流方向圖

3 演示儀器的操作

漏電保護(hù)演示儀實(shí)物圖為圖7所示.

圖7 漏電保護(hù)演示儀實(shí)物圖

3.1 互感器的漏電電流響應(yīng)性能

為了得到與市電類似的單相交流信號(hào)，可利用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生頻率為50 Hz，峰值為20 V的正弦信號(hào)．?dāng)嚅_電流互感器與放大電路的連接，使用交流毫伏電壓表測(cè)量互感器的輸出信號(hào)．將模擬支路變阻器的阻值調(diào)至最大，接通工作回路與模擬支路，調(diào)節(jié)模擬支路的變阻器使支路電流增大，記錄此時(shí)電流表與電壓表測(cè)量所得的數(shù)據(jù)．將電流電壓數(shù)據(jù)繪制成如圖8所示的關(guān)系曲線．

圖8 漏電電流與互感器輸出電壓的關(guān)系曲線

由關(guān)系曲線圖可知，當(dāng)漏電電流小于30 mA時(shí)，互感器輸出電壓隨漏電電流增大的增速較小，電流響應(yīng)速度低；當(dāng)漏電電流大于40 mA時(shí)，互感器輸出電壓隨漏電電流增大的增速上升，電流響應(yīng)速度較快，響應(yīng)滯后現(xiàn)象有所減弱．

3.2 模擬漏電測(cè)試

(1)設(shè)定漏電保護(hù)動(dòng)作電流閾值

在進(jìn)行模擬漏電測(cè)試前，需對(duì)漏電保護(hù)動(dòng)作電流閾值進(jìn)行設(shè)定．首先接通所有電路模塊，調(diào)節(jié)模擬支路變阻器使交流毫安表的示數(shù)為30 mA，觀察此時(shí)電磁脫扣裝置是否動(dòng)作．若未執(zhí)行脫扣動(dòng)作，則需適當(dāng)?shù)卦黾有盘?hào)放大器的增益和降低比較器電路的參考電壓，直至電磁鐵通電工作．此時(shí)，漏電保護(hù)演示儀的動(dòng)作電流閾值被設(shè)定成30 mA．

(2)回路電流的改變對(duì)剩余電流的影響

斷開漏電模擬支路開關(guān)，逐漸增大負(fù)載電路的負(fù)載，觀察電磁脫扣裝置是否被觸發(fā)工作．經(jīng)測(cè)試，當(dāng)工作回路電流逐漸增大到200 mA時(shí)，活動(dòng)開關(guān)仍處于閉合狀態(tài)；當(dāng)漏電模擬支路被閉合時(shí)，工作回路被電磁鐵即時(shí)切斷．這說明工作回路電流的增大對(duì)互感器平面內(nèi)的剩余電流值的影響很?。?/p>

(3)電路熱噪聲對(duì)動(dòng)作電流閾值的影響

保持放大電路增益與比較電路參考電壓不變，閉合漏電模擬支路開關(guān)，調(diào)節(jié)模擬支路變阻器來改變漏電電流，記錄能使電磁鐵恰好觸發(fā)工作的漏電電流，重復(fù)多次，并繪制如表1所示的數(shù)據(jù)記錄表．

表1 動(dòng)作電流閾值數(shù)據(jù)記錄表

分析數(shù)據(jù)記錄表，可知當(dāng)模擬支路電流值在31 mA～36 mA范圍波動(dòng)時(shí)，活動(dòng)開關(guān)都存在被切斷的可能性，這是由于信號(hào)放大電路與比較電路當(dāng)中存在電路熱噪聲，而電流熱噪聲將會(huì)影響比較電路的判斷結(jié)果，故動(dòng)作電流閾值會(huì)在一定范圍內(nèi)波動(dòng)．因此，為使實(shí)驗(yàn)效果明顯，在進(jìn)行微弱漏電測(cè)試時(shí)，可將模擬支路的電流值設(shè)為30 mA以下，用來演示回路發(fā)生“漏電”但活動(dòng)開關(guān)未跳閘的現(xiàn)象；在進(jìn)行正常漏電測(cè)試時(shí)，可將模擬支路的電流值設(shè)為40 mA以上，用來演示回路發(fā)生漏電并被即時(shí)切斷的現(xiàn)象．

4 結(jié)束語

漏電保護(hù)演示儀以剩余電流互感現(xiàn)象為核心原理，采用剩余電流模擬支路的方式對(duì)漏電現(xiàn)象進(jìn)行模擬展示．當(dāng)漏電電流大于40 mA時(shí)，剩余電流互感器的電流響應(yīng)速率較高，電路開關(guān)將被即時(shí)切斷．演示儀的核心器件零序電流互感器的靈敏度高、性能穩(wěn)定，滿足了演示實(shí)驗(yàn)對(duì)控制變量的需求．回路電流的改變對(duì)剩余電流的影響較小，電路熱噪聲會(huì)對(duì)動(dòng)作閾值電流帶來波動(dòng)干擾，但波動(dòng)影響在5 mA范圍內(nèi)．同時(shí)，演示儀將漏電保護(hù)器的額定工作電壓從220 V下調(diào)至人體安全電壓范圍內(nèi)，既打破了演示實(shí)驗(yàn)的場(chǎng)所限制，又有效地保護(hù)了實(shí)驗(yàn)操作者的人身安全．模塊化的設(shè)計(jì)可充分地展示出漏電保護(hù)器的工作過程，有助于向?qū)W生普及漏電保護(hù)器的原理與安全用電知識(shí)．演示裝置實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象直觀，教學(xué)效果顯著，具有良好的推廣價(jià)值．