超快速單相電漏電、短路保護電路仿真分析

王綏亮

（海南獅子魚深海技術有限公司，三亞 572000）

0 引言

常規的單相電路保護器，如空氣開關等，在發生故障時動作時間多數在100 ms 以上。為了確保在設備使用過程中人員的操作安全，需要在發生故障時，超快速地切斷相電。

通常使用繼電器和差動互感器作為單相電保護電路的檢測和開關部件。差動互感器是一種特殊的電流互感器，電流互感器是一種用來測量一次側大電流的重要部件。通過特殊繞線方式，實現在差動互感器的流入電流等于流出電流時不產生電壓差，在流入電流不等于流出電流時，產生差動電壓，反應靈敏。繼電器因工作原理的原因，吸合和釋放存在較大的時間延時，不能快速切斷相電。且往往短路保護和漏電保護是由兩個部件組成，增加了費用支出。且通常漏電保護器的安裝需要一定的專業知識，防止漏電保護器的誤動作。

提出的保護電路，采用差分互感器對漏電保護反應靈敏，且具備短路保護功能，利用場效應管的高速開關特性和低飽和壓降特點，能快速地執行開關動作，具有很大的工程應用意義。

1 保護電路方案整體結構

提出的超快速漏電、短路保護電路采用差動電流互感器作為漏電檢測裝置，增加取樣電阻（或使用互感器內阻）作為短路采樣電阻。輸入電流通過開關管后，輸送給負載，當發生漏電或短路時，漏電、短路識別電路鑒別到故障發生，開關控制電路立即發生斷電指令，故障信號經過綜合時間延長后，若在該時間之內故障未解除，則持續斷電指令，若在該時間之內故障解除，延長時間結束，恢復供電。如圖1所示。

圖1 漏電、短路保護電路框架

電源基準電路作用有兩個方面：一方面是提供開關管驅動電壓；另一方面是給邏輯器件供電，這兩個部分的參考地不一樣，給開關管提供供電電壓的參考地為AC300/50 Hz，給邏輯器件供電的參考地是GND。開關控制電路作用是在故障發生時，通過斷電邏輯將開關管斷開，待故障解除后再恢復正常工作。漏電、短路識別電路作用是快速鑒別故障信號。綜合時間延長電路作用是檢測到故障信號后，將故障時間延長。

2 保護電路原理分析

2.1 電源基準電路

邏輯器件和開關管工作時，需要提供供電電壓和驅動電壓。根據用途的不同，電源基準電壓選取的參考地線也不同，如圖2所示。

圖2 電源基準電路結構

電源為交流300V50Hz 交流電，穩壓管V1和V2 選取6.2 V 線性穩壓二極管，能夠驅動NMOS 管 和PMOS 管。VCC 和VSS 的 參 考 地 為OUT 電位，VCC 作為驅動開關管的邏輯器件的電源正電壓，VSS 作為驅動開關管邏輯器件的電源負電壓。驅動輸出VCC 時，NMOS 管導通，驅動輸出VSS時，PMOS導通。

V3 選取電壓基準芯片TL431，參考電壓為2.5 V。VDD 參考地為GND，配置輸出5 V。作為綜合時間延長和短路保護鑒別邏輯器件供電電壓。

2.2 開關控制電路

采用超快速恢復場效應管作為開關控制器件，能夠對故障電路進行快速的分斷。采用兩個MOS 管聯合工作，能夠降低單管工作下的負擔。如圖3所示。

圖3 開關控制電路

開關控制電路與綜合時間延長電路通過光耦隔離。其中：D1、D2、D3、D4、D5、D6為施密特觸發器，供電電源為VCC和VSS，因為該供電電源的參考地為OUT，當電路正常工作時，CTL1電平為高電平，PMOS的柵極電壓為VSS負壓，NMOS 的柵極電壓為VCC 正壓，OUT1 正常輸出。當故障發生時，CTL1 被拉低到VSS，因此，PMOS和NMOS斷開，OUT1沒有輸出。

2.3 漏電、短路識別電路

漏電識別電路采用差動電流互感器結構，如圖4 所示。其中，R2 和R3 為電流互感器原邊線圈內阻，或者額外添加取樣電阻，以作為短路保護的取樣。

圖4 漏電、短路識別電路

互感器M1 和M2 是一個特殊的“差分互感器”，作用在同一個鐵芯上，有兩個相同的、并繞的初級線圈，一個做M1 的L1，一個做M2 的L4；只有一個公用的次級線圈L2。“差分互感器”的一個初級線圈流過相電流如M1，同名端接電源輸出端，一個初級線圈流過地線電流如M2，同名端接負載端。

當沒有漏電流時，因為互感產生的電流相互抵消，保證了“差分互感器”的次級線圈電流差為零，沒有電流、電壓輸出。當有漏電流時，流過兩個初級線圈的電流不同，次級線圈中電流不為零，在R1 上采樣到互感差分電壓。互感差分電壓經過綜合時間延長電路后，快速做出斷電指令，并對故障時間進行延長。

R2作為短路故障取樣電阻，假設U1輸入鑒別電壓為V，則輸出采樣電壓V為

因此，短路限制電流為：

電路正常工作時，U1 輸出邏輯為高，此時，D2 二極管陰極電平為低。由于負載發生短路故障，相地電流增大，短路取樣電阻R2 兩端電壓增大。因此，V增大，導致V增大，超過邏輯器件U1的閾值電壓時，U1輸出為低，由于D3二極管反接到地線，因此，D2二極管陰極電平為低。短路電流信號為50 Hz的交流信號，在半周期中，由于輸出電壓取樣電壓從最大值到最小值發生變化，因此，U1 輸出邏輯又從低電平到高電平轉變，大約在10 ms 左右，此時，D2 二極管陰極為高電平。經綜合時間延長電路，發生斷電指令及斷電指令時間延長。

2.4 綜合時間延長電路

如圖5 所示，當負載對地發生漏電時，“差分互感器”流過相電流的初級線圈和流過地線電流的初級線圈產生差分電流，在R 取樣上產生50 Hz的互感差分電壓。假設次級差分電流為，則R取樣上產生的互感差分電壓為

圖5 綜合時間延長電路

D1、D2、D3 和D4 是異或邏輯器件，可選CD4030BE，供電電源為VDD，邏輯地為GND。D1 和D2 的一端接GND，另一端作為漏電差分電壓輸入鑒別。上電瞬間，由于V1 的存在，D1 和D2 的差分互感電壓鑒別引腳初始電壓為2.5 V，隨著電容充電的飽和，D1的偏置電壓為

D2的偏置電壓為

通過設置R1、R2 和R3 的阻值，設置適當的直流偏置電壓。設置D1 偏置比2.5 V 高一點，D2 偏置比2.5 V 低一點。電路正常工作時，D1輸出高電平，D2輸出低電平，因此D3輸出低電平，D4輸出低電平。

當存在漏電電流，產生差分互感電壓時，差分互感電壓為50Hz 的正弦波，初始相位為R取樣電阻的下端電位比上端電位高。D1和D2分別在偏置電壓的基礎上疊加差分互感電壓。

差分互感電壓負半波通過時，D1 偏置電壓逐漸減小，D2 偏置電壓逐漸增大，當偏置電壓超過邏輯器件的閾值電壓時，邏輯器件產生動作，此時，D1 輸出低電平，因為C2 通過電阻4放電，電阻4設置比較大的電阻值，放電較慢，因此，對應D3端輸入引腳存在負壓。D2輸出高電平，對應D3 的輸入引腳存在正壓，因為電阻R5阻值設置較大，正壓降低較慢，此時D3輸入端一端為高電平，一端為負壓，D3 輸出為高電平，D4 產生斷電指令高電平，且C4 電容充電。

差分互感電壓正半波通過時，D1 偏置電壓逐漸增大，D2 偏置電壓逐漸減小，超過邏輯器件的閾值電壓時，邏輯器件D1 和D2 產生動作，D1 輸出高電平，C2 放電未完又重新充電，因此，對應D3 的輸入端輸入引腳電壓為0 V。D2輸出低電平，因為C3 充電較慢，對應D3 的輸入端輸入引腳電壓存在較低的負壓，邏輯電平為低。因此，D3輸出為低，因為電容C4保持電壓的作用，此時，D4 輸出仍然為高電平。C4 通過電阻R7 放電，因此，綜合時間延長電路時間延長為

在漏電故障排除后，經過綜合時間延長時間后，D4恢復低電平輸出。

短路識別電路輸出連接到綜合時間延長電路的6和7。因為短路電流是50 Hz的正弦波，正常工作時短路識別輸出低電平，當電路發生短路時，短路識別輸出高電平，因此，D4 產生斷電指令。待故障解除，且綜合時間延長結束后，恢復正常供電。

3 仿真結果分析

3.1 電源基準電路仿真分析

電源基準電路仿真結果如圖6所示。橫坐標為時間軸，單位s；縱坐標為電壓軸，單位V。VCC 和VSS 的參考地為相線，VDD 參考地為地線。仿真結果顯示，VCC 平均值為6.19 V，VSS平均值為-6.19 V，VDD平均值為5.02 V。

圖6 電源基準電路仿真曲線

3.2 綜合時間延長電路仿真分析

綜合時間延長電路仿真分析如圖7所示。橫坐標為時間軸，單位為s；縱坐標為電壓軸，單位為V。

圖7 綜合時間延長電路仿真曲線圖

從仿真曲線可以看出，當負載存在漏電時，此時漏電電流僅僅有30 mA，“差分互感器”將產生差分互感電壓，經過綜合時間延長電路處理后，產生斷電指令。從漏電電流產生到斷電指令發生時間差幾乎可以忽略不計。

3.3 整體電路仿真

整體電路仿真結果如圖8所示。橫坐標為時間軸，單位為s；縱坐標為電壓軸，單位為V。

圖8 整體電路仿真曲線圖

仿真參數設置為，漏電故障發生于3.5 s～4 s，短路故障發生于4.5 s～4.8 s。

發生漏電故障時，漏電電流最大只有20 mA，“差分互感器”產生差分互感電壓，識別到漏電故障發生后，立即產生斷電指令，高電平。經綜合時間延長后，在延長時間內故障信號仍然存在，因此斷電指令仍然保持高電平。4 s 后，漏電故障解除，待綜合時間延長內，電壓降低到邏輯器件的閾值電壓，電路恢復正常供電。

發生短路故障時，短路識別電路檢測到短路故障發生。經過約半個周期時間，約10 ms產生斷

電指令高電平。在綜合時間延長時間內，故障

存在，斷電指令保持高電平，4.8 s后，短路故障解除，斷電指令恢復低電平，電路正常輸出。

4 結語

提出的單相電漏電、短路保護電路仿真分析方法，結果表明，漏電保護幾乎無時間延時，短路故障保護動作時間約在15 ms之內。在進行工程實施時，需要考慮各個元器件的耐壓等級和額定電流值。該電路方案在解決快速漏電、短路保護中具有較大的參考意義。