消除漏電保護死區的智能保護器設計

摘要：為消除漏電死區，減小漏電保護器的拒動(dòng)作和誤動(dòng)作，介紹了漏電保護的原理，理論論述漏電死區的存在。提出漏電檢測的有效方法：以連續的3個(gè)周期為處理單元，將對應時(shí)刻的漏電流值與前1周期對應時(shí)刻的緩變電流值相減，可以在每個(gè)周期內確定的時(shí)刻采樣得到有效的信號值△I，然后將連續3個(gè)周期相對應時(shí)刻的△I值分別與突變電流和緩變電流的動(dòng)作整定值進(jìn)行比較判斷并做出相應的處理。依照提出的檢測方法，設計出了漏電保護的硬件電路原理框圖和其軟件流程圖。經(jīng)測試，該智能保護器可大大提高漏電保護的可靠性和有效性。
關(guān)鍵詞：漏電死區；逐值檢測法；緩變電流；突變電流；智能化

隨著(zhù)工商業(yè)和家庭等的重要用電設備不斷增加，用電設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(zhù)人們對漏電保護技術(shù)的不斷研究和應用，電流動(dòng)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，但漏電觸電傷亡事件仍然層出不窮。將單片機技術(shù)應用于保護電器中，可以很好地克服剩余電流保護器的誤動(dòng)和拒動(dòng)等缺點(diǎn)，使其保護特性更加準確、可靠。

1 漏電流保護的死區問(wèn)題
漏電流也被稱(chēng)作剩余電流，包括兩個(gè)部分：漏電流中隨氣候、設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(jìn)行檢測和保護。
在被保護電路工作正常，沒(méi)有發(fā)生漏電或觸電故障的情況下，通過(guò)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的二次側沒(méi)有感應電動(dòng)勢產(chǎn)生，漏電保護器拒動(dòng)作，系統保持正常供電；當被保護電路發(fā)生漏電故障或有人觸電時(shí)，由于漏電流的存在，漏電流通過(guò)TA，使其磁通量發(fā)生變化，從而通過(guò)TA一次側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，在鐵心中出現了交變磁通。TA的二次側在交變磁通作用下，就有感應電動(dòng)勢產(chǎn)生，此漏電信號經(jīng)中間環(huán)節進(jìn)行處理和比較當故障電流達到額定值時(shí)，足以使漏電脫扣器動(dòng)作，切斷故障電路，有效地起到保護作用。
具體地說(shuō)，剩余電流互感器檢測到的漏電電流為電網(wǎng)緩變電流匯入線(xiàn)路緩變電流形成新的漏電電流，其前后的變化量為：

取這個(gè)變化量△I作為漏電保護的動(dòng)作信號，當△I達到整定值時(shí)，推動(dòng)保護裝置動(dòng)作。將式(1)代入式(2)得△I=，此時(shí)，當Ir為50mA，IL為100 mA時(shí)，若整定值為30 mA，則通過(guò)計算可知有63．9°～139．5°和220．5°～296．1°兩個(gè)死區區間，且隨整定值變小死區范圍會(huì )變大。經(jīng)取值計算可看出：漏電保護存在動(dòng)作死區，而且值越小，靈敏度越高，但死區范圍越大。

2 漏電流的逐值檢測法
逐值檢測法指以連續的3個(gè)周期為處理單元，將對應時(shí)刻的漏電流值與前1周期對應時(shí)刻的緩變電流值相減，可以在每個(gè)周期內確定的時(shí)刻采樣得到有效的信號值△I，然后將連續3個(gè)周期相對應時(shí)刻的△I值進(jìn)行比較處理。以周波中第二個(gè)采樣點(diǎn)為例：當前采樣時(shí)刻t21的△I，與設定值作比較，若大于設定值(突變電流動(dòng)作整定值)，再判斷后兩個(gè)周期相對應時(shí)刻t22和t23的值，均大于，則確定是突變電流，發(fā)出執行信號，繼電器動(dòng)作；若后兩個(gè)周期中相對應時(shí)刻t22和t23的值均小于，則確定為緩變電流，且原來(lái)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，當累積的緩變電流值達到其動(dòng)作整定值I△n時(shí)，應發(fā)出執行信號，繼電器動(dòng)作，保護設備和人身。

如圖1所示，是電網(wǎng)緩變電流曲線(xiàn)，是測得的信號電流，其每一時(shí)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(shí)間內，緩變電流是相對不變的，大小可以等于前一時(shí)刻的緩變電流的值，即圖1虛線(xiàn)所示，所以在t1到t3的各時(shí)刻電流突增值即突變電流就可以計算出來(lái)。重要的一點(diǎn)就是要設計過(guò)零點(diǎn)檢測電路，準確檢測零相位點(diǎn)。一般觸電體是純阻性體時(shí)，漏電流和工作電壓之間的相位差為零，即同時(shí)出現信號過(guò)零點(diǎn)；一旦觸電體為非純阻性體時(shí)，漏電流和電壓之間的相位差菲零，漏電流的過(guò)零點(diǎn)可能是突變電流和緩變電流在這個(gè)時(shí)刻的矢量和恰好為零導致的，那么必須檢測到這兩者先后過(guò)零點(diǎn)的時(shí)間差，然后計算出相位差，應用公式得到此刻的突變電流值，進(jìn)行判斷。