具有雙重漏電保護智能斷路器設計

汪俊林

（廈門宏發開關設備有限公司，福建廈門 361021）

引言

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

傳統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，但都沒有實現雙重漏電保護功能，當出現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，容易導致觸電或漏電事故的發生，很難做到較好保障用戶的生命和財產安全。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務之急[1,2]。

本研究在傳統單一漏電保護技術的基礎上，設計出一種在斷路器內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方式完全不同，一種通過純硬件電路控制脫扣線圈實現斷路器分閘，另外一種通過單片機控制電機帶動齒輪實現斷路器分閘[3,4]，兩種方法相對獨立，能夠較好克服傳統單一漏電保護技術的缺陷，起到雙重漏電保護功能，真正做到有效預防終端用戶因觸電或漏電引起的安全事故問題。

1 總體方案設計

具有雙重漏電保護智能斷路器的硬件系統組成架構如圖1所示。系統主要由兩部分組成，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測漏電，可實現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。當斷路器后端出現漏電且漏電流值超過預設的安全值時，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先起作用，控制脫扣線圈實現斷路器分閘操作。同時微控制器采集控制電路實時監測漏電流及斷路器分合閘狀態，當漏電流值持續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 硬件系統總體架構

2 硬件設計

本系統硬件設計主要是針對智能斷路器漏電保護的硬件原理設計[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、狀態監測電路及電機驅動電路。

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旦微電子的A型漏電保護芯片FM2147，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經過脫扣線圈L1，與N線一起通過全橋整流D2后，再經過電阻R12和穩壓管D1給漏電保護芯片U1供電。當斷路器后端有漏電流產生時，獨立零序電流互感器1檢測到漏電流，并通過電阻R1采樣轉換成電壓信號，輸入到漏電保護芯片U1，且當漏電流值超過預先設定安全值時，漏電保護芯片U1輸出脈寬大于30 mS的脈沖，經過電阻R11后控制晶體管Q1導通，脫扣線圈瞬間通過大電流，產生強磁場，通過電磁機構推動斷路器分閘。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體微控制器STM8S003F3，該芯片是基于8位框架結構的MCU，內置16 MHz高速RC振蕩器(HSI)，無需外置晶振，外圍電路簡單，對于產品低成本設計，是很好的選擇。另外該芯片內帶10位模擬/數字轉換器(ADC)，滿足本設計漏電流信號的采樣需求。其主要外圍電路包括RC復位電路、程序下載調試電路，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，內帶運行程序，起著信號采集、處理、控制及協調作用。首先從ADC2通道采樣漏電流信號和從PC6和PC7 I/O口監測斷路器的分合閘狀態，通過內部軟件算法處理和判斷來控制PD2和PD3 I/O口輸出，達到控制電機轉動目的，進而實現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，把漏電流信號轉換成適合微控制器ADC采樣的信號，起到對信號調理的作用。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，并把它轉換成電壓信號，再經過運算放大器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輸出的基準電平，使得微控器對漏電信號正、負半周都可以實現采樣。直流基準電壓VREF采用射極電壓跟隨器的方式實現，提高電壓輸出的穩定性，其值一般設成微控器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 狀態監測電路

狀態監測電路采用微動開關方式，實時輸出斷路器分合閘狀態給微控制器檢測。它由兩路微動開關電路組成，一路微動開關電路用來檢測合閘狀態，另一路微動開關電路用來檢測分閘狀態。當斷路器動觸頭轉動到完全合閘位置時，通過內部機構點動微動開關S1閉合，輸出低電平給微控器檢測；當斷路器動觸頭轉動到完全分閘位置時，通過內部機構點動微動開關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的目的。狀態監測電路硬件原理圖如圖5所示。

圖5 狀態監測電路硬件原理圖

2.2.4 電機驅動電路

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

圖6 電機驅動電路硬件原理圖

3 軟件設計

根據雙重漏電保護智能斷路器實際應用的需求，本系統中獨立漏電保護模塊采用純硬件控制，無需軟件，軟件設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計：即主程序設計及定時中斷服務程序設計。

3.1 主程序設計

主程序是一個無限死循環的程序。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，加權均方根算法實現，并把計算所得的漏電流有效值存入指定的內存單元；接著程序開始判斷斷路器是否處于合閘狀態，如果處于合閘狀態且50 ms內的最近4個漏電流有效值數據超過預設整定漏電流值，可以判定為已產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 中斷服務程序設計

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

圖8 定時中斷服務程序流程圖

4 測試

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

表1 測試項目及結果

5結語

對傳統斷路器的漏電保護功能進行提升設計，在滿足基本漏電保護功能基礎上，增加了二次漏電保護功能，滿足實際應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定可靠、安全保護系數高，可以有效防范發生觸電或漏電引起的事故，較好地保障用戶的生命和財產安全，助力平安城市建設。