新型漏電保護(hù)器開(kāi)發(fā)

楊文熙(成都七中,四川成都 610041)

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新型漏電保護(hù)器開(kāi)發(fā)

楊文熙
(成都七中,四川成都 610041)

【摘 要】我國(guó)廣泛使用電流動(dòng)作型剩余電流保護(hù)裝置來(lái)防止人身觸電事故和漏電引起的電氣火災(zāi),但這樣的保護(hù)裝置通常通過(guò)檢測(cè)線路總剩余電流的大小或變化量來(lái)決定保護(hù)是否動(dòng)作。實(shí)際上,任何線路都可能存在自然漏漏電流,此電流與故障電流存在相位差,導(dǎo)致總剩余電流幅值可大可小,使保護(hù)裝置存在一定的保護(hù)死區(qū),因此保護(hù)裝置難以準(zhǔn)確動(dòng)作。

【關(guān)鍵詞】新型漏電 保護(hù)器 理論研究 技術(shù)開(kāi)發(fā) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在安全用電，防止人身觸電傷害領(lǐng)域，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，電擊、觸電事故難以杜絕，并且具有突發(fā)性強(qiáng)，人生傷亡率較高的特點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，60%-70%觸電事故發(fā)生在居民用電的380V(220V)電壓等級(jí)，觸電造成的死亡率占家庭突發(fā)死亡率的1%。

1 新型漏電保護(hù)器開(kāi)發(fā)的理論研究

要開(kāi)發(fā)更先進(jìn)的保護(hù)裝置，首先就需要快速、準(zhǔn)確地識(shí)別觸電特征，并準(zhǔn)確區(qū)分普通觸/漏電和人身觸電，在此基礎(chǔ)上，在識(shí)別到發(fā)生了人身觸電事故時(shí)，保護(hù)裝置動(dòng)作快速、準(zhǔn)確地切斷電源。人身是生命體，生命體與非生命體在電阻抗特性上存在不同，學(xué)者Cole K S、Cole R H提出的Cole-Cole理論和學(xué)者Schwan H P發(fā)現(xiàn)的生物阻抗頻率散射特性證明了這一點(diǎn)，可以此作為基本理論依據(jù)進(jìn)行新技術(shù)的研究。

現(xiàn)有研究表明，離體時(shí)間越長(zhǎng)，α頻散特性越弱，即只有新鮮組織頻散特性才較強(qiáng)。因此，可大致認(rèn)為“生物”具有明顯頻散特性，“死物”不具有該特性。非生命體的頻散系數(shù)α為1或接近1，人體阻抗的頻散系數(shù)α明顯小于1，與特征頻率fc一樣存在一個(gè)取值范圍。人體主要由肌肉和皮膚、血液等構(gòu)成，總阻抗主要由皮膚阻抗決定。

α頻散系數(shù)可作為識(shí)別人體觸電事故的特征，可以設(shè)置一個(gè)安全閾值，檢測(cè)到頻散系數(shù)低于這個(gè)定閾值時(shí)判定發(fā)生了人體觸電事故，其基本依據(jù)是Cole-Cole理論中提出的生物組織阻抗的四個(gè)參數(shù):R0、R∞、τ、α。如果檢測(cè)到3個(gè)不同頻率下的阻抗，就能估算阻抗半圓參數(shù)，從而估算Cole-Cole參數(shù)。

2 新型漏電保護(hù)器的技術(shù)開(kāi)發(fā)

基于上述方法，用頻散系數(shù)α作為識(shí)別人體觸電故障的依據(jù)，用DSP(數(shù)字信號(hào)處理)技術(shù)開(kāi)發(fā)有人體觸電特征識(shí)別功能的新型漏電保護(hù)裝置。工作原理如圖1:

保護(hù)裝置的組成部分有:動(dòng)作機(jī)構(gòu)(主開(kāi)關(guān)、脫扣器)、數(shù)據(jù)采集(檢測(cè)漏電電流用互感器和電壓互感器)和信號(hào)處理。電壓互感器(PT)與漏電電流檢測(cè)用電流互感器(CT)，按上圖接入被保護(hù)電網(wǎng)的線路。由主開(kāi)關(guān)輸出的二根導(dǎo)線同時(shí)穿過(guò)CT的環(huán)形鐵心，再接至負(fù)載。主開(kāi)關(guān)正常閉合供電時(shí)，得到的漏電電流，在理論上為Id=0，因?yàn)椋藭r(shí)，穿過(guò)環(huán)形鐵心的主電路電流I1和I2大小相等、方向相反，I1+I2=0。當(dāng)發(fā)生觸/漏電事故時(shí)，由于線路N中的電流經(jīng)人體到大地，這個(gè)電流就是觸電時(shí)的漏電流Id=I1+I2。因此，如果測(cè)量到有漏電流，就可以將其用上面的方法經(jīng)信號(hào)處理單元進(jìn)行分析，如果判定為發(fā)生了人體觸電事故，立刻給脫扣器或主開(kāi)關(guān)發(fā)動(dòng)作信號(hào)，立刻切斷電源，觸電信號(hào)的檢測(cè)和識(shí)別全部由信號(hào)處理單元完成，主要是根據(jù)前面分析的方法，通過(guò)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)，由于DSP處理的運(yùn)算速度很快，就能在人身受到傷害前切斷電源，起到保護(hù)人身安全的作用。

圖1 新型漏電保護(hù)器工作原理圖

3 新型漏電保護(hù)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

裝置的構(gòu)成，包括:數(shù)據(jù)采集、信息處理和動(dòng)作機(jī)構(gòu)。

3.1 數(shù)據(jù)采集

信號(hào)調(diào)制電路:利用一組PT和CT將任一相電壓、電流轉(zhuǎn)換到可處理的信號(hào)范圍(電壓0～3V，電流0～500uA)。PT直接接入220V電網(wǎng)中，而CT則用于測(cè)量對(duì)應(yīng)漏電電流。

A/D轉(zhuǎn)換器:采用TI公司的TMS320F2812芯片內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器，16通道12位同時(shí)采樣，具有2個(gè)采樣保持器，高達(dá)80ns的快速轉(zhuǎn)換時(shí)間，12.5MSPS的最大采樣頻率，I/O電平范圍0.25V～Vdvdd (5V)-0.4V。

3.2 信息處理

核心處理單元:用DSP進(jìn)行核心的數(shù)據(jù)處理，采用TI公司的TMS320F2812芯片，32位定點(diǎn)，CPU主頻150MHz，F(xiàn)lash 128K× 32，RAM 1K×32，ROM 8K×32，足夠處理現(xiàn)有技術(shù)要求，并且價(jià)格方面比較便宜。主要用于處理信號(hào)，提取觸電特征，判定人體觸電，發(fā)出信號(hào)使保護(hù)裝置動(dòng)作。

3.3 動(dòng)作機(jī)構(gòu)

信號(hào)隔離電路:隔離DSP發(fā)出的信號(hào)與動(dòng)作裝置的機(jī)械部分，切斷引進(jìn)干擾的通道，使測(cè)控裝置僅與現(xiàn)場(chǎng)保持信號(hào)聯(lián)系，無(wú)直接電的聯(lián)系，消除電磁干擾等。測(cè)控裝置與現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)之間、弱電和強(qiáng)電之間，常用的隔離方式有光電隔離、繼電器隔離、變壓器隔離、隔離放大器等。

執(zhí)行元件:利用故障模式識(shí)別信號(hào)觸發(fā)比較器導(dǎo)通和斷開(kāi)，從而控制電磁繼電器的開(kāi)合來(lái)開(kāi)斷導(dǎo)通用電回路。采用線圈電壓DC12V，通過(guò)電流10A的電磁繼電器。

4 結(jié)論與展望

本文提出的基于頻散特性的人體觸電特征識(shí)別方法，明顯比現(xiàn)有漏電保護(hù)裝置的原理先進(jìn)，對(duì)所開(kāi)發(fā)的新型保護(hù)裝置的測(cè)試結(jié)果證明，開(kāi)發(fā)的新型保護(hù)裝置能準(zhǔn)確識(shí)別和區(qū)分人體觸電特征，并在發(fā)生人體觸電事故時(shí)能及時(shí)切斷電源，可避免人身觸電時(shí)造成人身傷害，其技術(shù)原理先進(jìn)、可行，方法正確，技術(shù)路線合理，有明顯的推廣應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn):

[1]滕松林,楊校生.觸電漏電保護(hù)器及其應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工作出版社,1994.

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