中心議題：
- 漏電流保護的死去問題
- 漏電流的逐值檢測法
- 漏電保護器的實現(xiàn)
解決方案：
- 采用單片機設(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逐漸成為一項至關(guān)重要的工作。隨著人們對漏電保護技術(shù)的不斷研究和應(yīng)用，電流動作型漏電保護器得到了快速發(fā)展，新的漏電保護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。將單片機技術(shù)應(yīng)用于保護電器中，可以很好地克服剩余電流保護器的誤動和拒動等缺點，使其保護特性更加準確、可靠。
1 漏電流保護的死區(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行檢測和保護。
在被保護電路工作正常，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，漏電保護器拒動作，系統(tǒng)保持正常供電；當(dāng)被保護電路發(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)進行處理和比較當(dāng)故障電流達到額定值時，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作為漏電保護的動作信號，當(dāng)△I達到整定值時，推動保護裝置動作。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值進行比較處理。以周波中第二個采樣點為例：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。重要的一點就是要設(shè)計過零點檢測電路，準確檢測零相位點。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；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，進行判斷。
圖1 漏電流分析示意圖
3 漏電保護器的實現(xiàn)
根據(jù)前述漏電流檢測方法，采用單片機設(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行差值運算，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系列單片機為控制器，是一款超低功耗的16位單片機，具有功能完善、成本低廉的特點，配有8路外部通道，可方便系統(tǒng)功能的實現(xiàn)與擴展。
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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，可以準確動作，和市面上設(shè)定值為30 mA的保護裝置相比，大大提高了漏電保護的靈敏度，實現(xiàn)了漏電的準確檢測。
4 結(jié)論
經(jīng)測試驗證，人體觸電時的突變電流設(shè)定值低于國家標準規(guī)定的交流允許安全電流值(10 mA)時，該智能保護器可準確動作，性能可靠，減少了死區(qū)范圍，提高了保護靈敏度，使人們?nèi)松戆踩陀秒娫O(shè)備得到進一步保障。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，同時擴大了智能保護器的應(yīng)用區(qū)域。
