汪俊林

（廈門宏發(fā)開關(guān)設(shè)備有限公司，福建廈門 361021）

引言

隨著我國電力系統(tǒng)的日益龐大，用電線路分支錯綜復(fù)雜，發(fā)生觸電或漏電的機率也隨之增大，不正當(dāng)用電、電氣設(shè)備及用電線路的故障不僅會造成人員傷亡而且也容易導(dǎo)致火災(zāi)等重大事故的發(fā)生，用電安全問題已逐漸成為人們廣泛關(guān)注的熱點。漏電斷路器作為低壓配電系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的一種開關(guān)裝置，在低壓電網(wǎng)系統(tǒng)中得到了大量應(yīng)用，承擔(dān)著終端用戶安全用電與保護重任。

傳統(tǒng)的漏電斷路器僅有單一的漏電保護功能。目前有的方案采用純硬件做漏電保護，也有方案采用單片機控制進行漏電保護，但都沒有實現(xiàn)雙重漏電保護功能，當(dāng)出現(xiàn)漏電流超限且單一漏電保護模塊失效時，斷路器無法及時進行有效分閘，容易導(dǎo)致觸電或漏電事故的發(fā)生，很難做到較好保障用戶的生命和財產(chǎn)安全。因此，研制一種更具安全性的雙重漏電保護斷路器已成為當(dāng)務(wù)之急[1,2]。

本研究在傳統(tǒng)單一漏電保護技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計出一種在斷路器內(nèi)部采用兩個獨立零序電流互感器分別檢測漏電流信號進行雙重漏電的保護方法，并且兩種漏電保護方法實現(xiàn)方式完全不同，一種通過純硬件電路控制脫扣線圈實現(xiàn)斷路器分閘，另外一種通過單片機控制電機帶動齒輪實現(xiàn)斷路器分閘[3,4]，兩種方法相對獨立，能夠較好克服傳統(tǒng)單一漏電保護技術(shù)的缺陷，起到雙重漏電保護功能，真正做到有效預(yù)防終端用戶因觸電或漏電引起的安全事故問題。

1 總體方案設(shè)計

具有雙重漏電保護智能斷路器的硬件系統(tǒng)組成架構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要由兩部分組成，一部分是獨立漏電保護模塊，其主要包含一組獨立的零序電流互感器、獨立漏電保護電路以及脫扣線圈等；另一部分是微控制器采集控制模塊，其主要包含另一組獨立的零序電流互感器、微控制器采集控制電路以及直流雙向電機等。采用兩個獨立零序電流互感器分開監(jiān)測漏電，可實現(xiàn)兩個互感器檢測信號互不影響，其都被安裝在斷路器動觸點后端，相線L、N從中間穿過。當(dāng)斷路器后端出現(xiàn)漏電且漏電流值超過預(yù)設(shè)的安全值時，兩個獨立零序電流互感器同時檢測到的漏電流信號分別提供給獨立漏電保護電路和微控制器采集控制電路。獨立漏電保護電路優(yōu)先起作用，控制脫扣線圈實現(xiàn)斷路器分閘操作。同時微控制器采集控制電路實時監(jiān)測漏電流及斷路器分合閘狀態(tài)，當(dāng)漏電流值持續(xù)超限且獨立漏電保護模塊超時無法進行分閘時，微控制器控制電機及時進行有效分閘操作，起到二次漏電保護作用。

圖1 硬件系統(tǒng)總體架構(gòu)

2 硬件設(shè)計

本系統(tǒng)硬件設(shè)計主要是針對智能斷路器漏電保護的硬件原理設(shè)計[5,6]。硬件電路組成主要包含兩大部分：獨立漏電保護電路、微控制器采集控制電路。微控制器采集控制電路又包含四個子電路，分別是微控制器電路、漏電信號處理電路、狀態(tài)監(jiān)測電路及電機驅(qū)動電路。

2.1 獨立漏電保護電路

獨立漏電保護電路核心芯片采用上海復(fù)旦微電子的A型漏電保護芯片F(xiàn)M2147，該芯片不僅適用于AC型漏電流保護，也適用A型漏電保護，適用范圍較廣，且具有良好的抗電磁干擾能力，更具安全性。

獨立漏電保護電路采用純硬件控制，無需軟件，其工作原理：斷路器后端的相線L經(jīng)過脫扣線圈L1，與N線一起通過全橋整流D2后，再經(jīng)過電阻R12和穩(wěn)壓管D1給漏電保護芯片U1供電。當(dāng)斷路器后端有漏電流產(chǎn)生時，獨立零序電流互感器1檢測到漏電流，并通過電阻R1采樣轉(zhuǎn)換成電壓信號，輸入到漏電保護芯片U1，且當(dāng)漏電流值超過預(yù)先設(shè)定安全值時，漏電保護芯片U1輸出脈寬大于30 mS的脈沖，經(jīng)過電阻R11后控制晶體管Q1導(dǎo)通，脫扣線圈瞬間通過大電流，產(chǎn)生強磁場，通過電磁機構(gòu)推動斷路器分閘。獨立漏電保護電路硬件原理如圖2所示。

圖2 獨立漏電保護電路硬件原理圖

2.2 微控制器采集控制電路

2.2.1 微控制器電路

微控制器電路核心芯片選用意法半導(dǎo)體微控制器STM8S003F3，該芯片是基于8位框架結(jié)構(gòu)的MCU，內(nèi)置16 MHz高速RC振蕩器(HSI)，無需外置晶振，外圍電路簡單，對于產(chǎn)品低成本設(shè)計，是很好的選擇。另外該芯片內(nèi)帶10位模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)，滿足本設(shè)計漏電流信號的采樣需求。其主要外圍電路包括RC復(fù)位電路、程序下載調(diào)試電路，微控制器電路硬件原理框圖如圖3所示。

圖3 微控制器電路硬件原理圖

微控制器電路作為整個電路的核心部分，內(nèi)帶運行程序，起著信號采集、處理、控制及協(xié)調(diào)作用。首先從ADC2通道采樣漏電流信號和從PC6和PC7 I/O口監(jiān)測斷路器的分合閘狀態(tài)，通過內(nèi)部軟件算法處理和判斷來控制PD2和PD3 I/O口輸出，達到控制電機轉(zhuǎn)動目的，進而實現(xiàn)控制斷路器分閘操作。

2.2.2 漏電信號處理電路

漏電信號處理電路作為漏電流信號采集及放大處理的中間電路，把漏電流信號轉(zhuǎn)換成適合微控制器ADC采樣的信號，起到對信號調(diào)理的作用。其主要過程是：首先通過電阻R4采集零序電流互感器2檢測的漏電流信號，并把它轉(zhuǎn)換成電壓信號，再經(jīng)過運算放大器U2B，把電壓信號進行放大；然后輸出給微控制器ADC采樣，放大倍數(shù)由微控制器ADC可接納的電壓范圍決定。其中在電阻R6前端加入直流偏置電壓VREF，提高了運算放大器U2B輸出的基準(zhǔn)電平，使得微控器對漏電信號正、負半周都可以實現(xiàn)采樣。直流基準(zhǔn)電壓VREF采用射極電壓跟隨器的方式實現(xiàn)，提高電壓輸出的穩(wěn)定性，其值一般設(shè)成微控器ADC參考電壓VCC的一半。漏電信號處理電路硬件原理圖如圖4所示。

圖4 漏電信號處理電路硬件原理圖

2.2.3 狀態(tài)監(jiān)測電路

狀態(tài)監(jiān)測電路采用微動開關(guān)方式，實時輸出斷路器分合閘狀態(tài)給微控制器檢測。它由兩路微動開關(guān)電路組成，一路微動開關(guān)電路用來檢測合閘狀態(tài)，另一路微動開關(guān)電路用來檢測分閘狀態(tài)。當(dāng)斷路器動觸頭轉(zhuǎn)動到完全合閘位置時，通過內(nèi)部機構(gòu)點動微動開關(guān)S1閉合，輸出低電平給微控器檢測；當(dāng)斷路器動觸頭轉(zhuǎn)動到完全分閘位置時，通過內(nèi)部機構(gòu)點動微動開關(guān)S2閉合，輸出低電平給微控器檢測，從而達到判斷斷路器分合閘狀態(tài)的目的。狀態(tài)監(jiān)測電路硬件原理圖如圖5所示。

圖5 狀態(tài)監(jiān)測電路硬件原理圖

2.2.4 電機驅(qū)動電路

電機驅(qū)動電路采用羅姆品牌的專用雙向直流電機驅(qū)動芯片BA6287，微控器通過控制電機驅(qū)動芯片U3的正、反輸入引腳，再經(jīng)過電機驅(qū)動芯片推挽式輸出引腳控制直流電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、剎車及待機模式，最后由斷路器內(nèi)部機構(gòu)裝置來達到控制斷路器分合閘目的。電機驅(qū)動電路硬件原理圖如圖6所示。

圖6 電機驅(qū)動電路硬件原理圖

3 軟件設(shè)計

根據(jù)雙重漏電保護智能斷路器實際應(yīng)用的需求，本系統(tǒng)中獨立漏電保護模塊采用純硬件控制，無需軟件，軟件設(shè)計主要是針對微控制器采集控制模塊[7]。軟件主要分兩部分設(shè)計：即主程序設(shè)計及定時中斷服務(wù)程序設(shè)計。

3.1 主程序設(shè)計

主程序是一個無限死循環(huán)的程序。程序運行后，先對微控器I/O端口、定時器及ADC寄存器等進行初始化操作，啟動1 ms的定時中斷；然后每隔10 ms(計數(shù)器加到10)計算一次最近10次(半周波)采樣的漏電流有效值，計算方式采用抗干擾去極值濾波，加權(quán)均方根算法實現(xiàn)，并把計算所得的漏電流有效值存入指定的內(nèi)存單元；接著程序開始判斷斷路器是否處于合閘狀態(tài)，如果處于合閘狀態(tài)且50 ms內(nèi)的最近4個漏電流有效值數(shù)據(jù)超過預(yù)設(shè)整定漏電流值，可以判定為已產(chǎn)生有效超限漏電且獨立漏電保護模塊分閘失效，則立即控制電機執(zhí)行斷路器分閘操作。主程序流程圖如圖7所示。

圖7 主程序流程圖

3.2 中斷服務(wù)程序設(shè)計

定時中斷服務(wù)程序采用微控器定時器1(TIM1)，每隔1 ms產(chǎn)生一次定時中斷，定時中斷產(chǎn)生后，進入中斷服務(wù)子程序，在中斷服務(wù)程序里，先清除中斷標(biāo)志位，對零序電流互感器2產(chǎn)生的漏電流信號進行A/D采樣，并把采樣到的數(shù)值經(jīng)過換算得到實時漏電流值存儲到指定的內(nèi)存單元，然后計數(shù)器加1。定時中斷服務(wù)程序流程圖如圖8所示。

圖8 定時中斷服務(wù)程序流程圖

4 測試

根據(jù)上述設(shè)計方案對智能斷路器進行樣機研制，并對整個系統(tǒng)安全、可靠性進行模擬測試驗證，主要的測試項目及結(jié)果如表1所示。測試結(jié)果表明該方案研制的智能斷路器滿足低壓電器設(shè)備相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求[8]，性能做到安全、可靠，能起到二次漏電保護作用。

表1 測試項目及結(jié)果

5結(jié)語

對傳統(tǒng)斷路器的漏電保護功能進行提升設(shè)計，在滿足基本漏電保護功能基礎(chǔ)上，增加了二次漏電保護功能，滿足實際應(yīng)用中更具安全性的需求。研制出的雙重漏電保護斷路器工作穩(wěn)定可靠、安全保護系數(shù)高，可以有效防范發(fā)生觸電或漏電引起的事故，較好地保障用戶的生命和財產(chǎn)安全，助力平安城市建設(shè)。