智能型漏電斷路器的設計

摘要：敘述了剩余電流產(chǎn)生的原因及危害，設計了一套智能型漏電斷路器，并給出了硬件結構和軟件設計。試驗結果表明：該智能斷路器質(zhì)量可靠、性能穩定、完全達到了國家標準的要求。
關(guān)鍵詞：剩余電流；斷路器；電氣火災

電氣接地故障中電弧性對地短路是引發(fā)電氣火災的重要原因。電弧性對地短路具有很大的阻抗和電壓降，它限制了故障電流，使過(guò)電流保護器不能動(dòng)作或不能及時(shí)動(dòng)作來(lái)切斷電源，而幾百毫安的漏電弧產(chǎn)生的局部高溫可達2000℃以上，足以引燃周?chē)目扇嘉锒鸹馂?。況且，用電設備分布在建筑物的各個(gè)角落，危害范圍廣，如不對系統的漏電進(jìn)行監測和防控，就會(huì )對人身和財產(chǎn)安全構成威脅，存在很大的火災隱患。智能型漏電斷路器能準確監控電氣線(xiàn)路的故障和異常狀態(tài)，能有效預防常見(jiàn)的因漏電導致接地電弧所引起的建筑物電氣火災事故。為了保證人民生命財產(chǎn)安全，在建筑物的電源進(jìn)線(xiàn)處及干線(xiàn)上安裝智能型漏電斷路器十分必要。

1 剩余電流產(chǎn)生的原因和保護原理
讓三相四線(xiàn)導線(xiàn)一起穿過(guò)一零序電流互感器CT，也可在中性線(xiàn)N上安裝一個(gè)零序電流互感器CT，利用這些CT來(lái)檢測三相的電流矢量和，即剩余電流，如圖1所示，根據電路原理可知，當電路中沒(méi)有發(fā)生設備漏電或接地故障且三相負荷完全平衡時(shí)，一次側中瞬時(shí)電流的矢量和為零，即Ia+Ib+Ic+IN=0，在電流互感器中產(chǎn)生磁通的矢量和等于零，此時(shí)，二次線(xiàn)圈中感應電流IL=0。當被保護的電路出現絕緣故障時(shí)，負載側有對地泄載電流，零序電流互感器的矢量和不為零，即Ia+Ib+Ic+IN≠0，在電流互感器中產(chǎn)生磁通的矢量和也不等于零，此時(shí)，零序電流互感器二次繞組中便產(chǎn)生感應電流，即剩余電流IL≠0。

漏電斷路器主要由零序電流互感器CT，漏電檢測電路，脫扣器組成。被保護電路有漏電或人體觸電時(shí)，只要漏電或觸電電流達到漏電動(dòng)作電流值，零序電流互感器的二次繞組就輸出一個(gè)信號，經(jīng)過(guò)集成電路放大器放大后送給CUP，CPU輸出驅動(dòng)信號使漏電脫扣器動(dòng)作驅動(dòng)斷路器脫扣，從而切斷電源起到漏電和觸電保護作用。

2 斷路器控制器的設計
2．1 系統基本功能
智能型漏電斷路器集剩余電流、短路、過(guò)載、過(guò)壓和欠壓(缺相)等電氣故障的監測、分析、報警及控制于一體，主要具有以下功能：
1)具有剩余電流檢測和保護功能，當檢測到發(fā)生漏電時(shí)，即剩余電流IL≠0，該信號經(jīng)過(guò)單片機采樣運算后進(jìn)行快速判斷，當剩余電流達到整定動(dòng)作值時(shí)，驅動(dòng)晶閘管，接通電磁脫扣器電源，電磁脫扣器吸合，使斷路器跳閘，從而達到漏電保護的功能。
2)保護動(dòng)作電流、分斷時(shí)間可調：用作臺區總保護時(shí)，剩余電流動(dòng)作值可設置為300～1 000 mA，分斷時(shí)間可設置為0．6 s，而作為二級保護時(shí)，動(dòng)作電流可設置為200 mA檔，分斷時(shí)間可設為0．3 s．這樣的設置可以避免因越級跳閘而引起的大面積停電現象的發(fā)生。
3)可智能識別突變剩余電流和緩變剩余電流，從而鑒別設備漏電和活體觸電。緩變與突變漏電分開(kāi)鑒別適合我國農村低壓電網(wǎng)特點(diǎn)，得到廣泛應用，是農村安全用電的一項有效的技術(shù)措施。
4)具有過(guò)電流長(cháng)延時(shí)、過(guò)電流短延時(shí)和短路瞬時(shí)保護三段保護功能，組成所需的智能漏電斷路器保護特性。智能設定漏電電流、過(guò)電流長(cháng)延時(shí)、過(guò)電流短延時(shí)和過(guò)電流瞬時(shí)的整定值及預警值。
5)顯示并儲存故障發(fā)生點(diǎn)的線(xiàn)路地址、故障類(lèi)型、故障發(fā)生時(shí)間和漏電電流、三相電流值?？捎涗浂噙_200條歷史故障，長(cháng)期保存，直到用指令刪除。
6)采用RS485總線(xiàn)通訊技術(shù)，可以利用總線(xiàn)與主機構成主從式監控系統，實(shí)現用戶(hù)連網(wǎng)，在一臺電腦上可對1～250臺智能斷路器在線(xiàn)遠程監控，隨時(shí)檢查各用戶(hù)安全用電情況，隨時(shí)接通或分斷各用戶(hù)供電線(xiàn)路，并可對斷路器的各種參數進(jìn)行遠程設置。
2．2 整體硬件設計
智能型漏電斷路器主要由電源電路、單片機PIC24FJ64、三相交流電電壓電流檢測電路、剩余電流檢測電路、串行通信接口電路、人機接口電路及報警器等幾部分構成的，如圖2所示。

其主要工作原理：把從電流互感器和線(xiàn)性光隔器取得的三相電流、漏電及電壓信號進(jìn)行調理后，輸入到單片機的A／D轉換，單片機對其進(jìn)行采樣后進(jìn)行分析，輸出相應的顯示及報警信號等。其分析的結果也可以通過(guò)RS485總線(xiàn)傳送到上位機。