智能型漏電斷路器的設計

摘要：敘述了剩余電流產生的原因及危害，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：該智能斷路器質量可靠、性能穩定、完全達到了國家標準的要求。
關鍵詞：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，使過電流保護器不能動作或不能及時動作來切斷電源，而幾百毫安的漏電弧產生的局部高溫可達2000℃以上，足以引燃周圍的可燃物而引起火災。況且，用電設備分布在建筑物的各個角落，危害范圍廣，如不對系統的漏電進行監測和防控，就會對人身和財產安全構成威脅，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路的故障和異常狀態，能有效預防常見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安全，在建筑物的電源進線處及干線上安裝智能型漏電斷路器十分必要。

1 剩余電流產生的原因和保護原理
讓三相四線導線一起穿過一零序電流互感器CT，也可在中性線N上安裝一個零序電流互感器CT，利用這些CT來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，當電路中沒有發生設備漏電或接地故障且三相負荷完全平衡時，一次側中瞬時電流的矢量和為零，即Ia+Ib+Ic+IN=0，在電流互感器中產生磁通的矢量和等于零，此時，二次線圈中感應電流IL=0。當被保護的電路出現絕緣故障時，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，在電流互感器中產生磁通的矢量和也不等于零，此時，零序電流互感器二次繞組中便產生感應電流，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，只要漏電或觸電電流達到漏電動作電流值，零序電流互感器的二次繞組就輸出一個信號，經過集成電路放大器放大后送給CUP，CPU輸出驅動信號使漏電脫扣器動作驅動斷路器脫扣，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、過載、過壓和欠壓(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，當檢測到發生漏電時，即剩余電流IL≠0，該信號經過單片機采樣運算后進行快速判斷，當剩余電流達到整定動作值時，驅動晶閘管，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)保護動作電流、分斷時間可調：用作臺區總保護時，剩余電流動作值可設置為300～1 000 mA，分斷時間可設置為0．6 s，而作為二級保護時，動作電流可設置為200 mA檔，分斷時間可設為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鑒別適合我國農村低壓電網特點，得到廣泛應用，是農村安全用電的一項有效的技術措施。
4)具有過電流長延時、過電流短延時和短路瞬時保護三段保護功能，組成所需的智能漏電斷路器保護特性。智能設定漏電電流、過電流長延時、過電流短延時和過電流瞬時的整定值及預警值。
5)顯示并儲存故障發生點的線路地址、故障類型、故障發生時間和漏電電流、三相電流值。可記錄多達200條歷史故障，長期保存，直到用指令刪除。
6)采用RS485總線通訊技術，可以利用總線與主機構成主從式監控系統，實現用戶連網，在一臺電腦上可對1～250臺智能斷路器在線遠程監控，隨時檢查各用戶安全用電情況，隨時接通或分斷各用戶供電線路，并可對斷路器的各種參數進行遠程設置。
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性光隔器取得的三相電流、漏電及電壓信號進行調理后，輸入到單片機的A／D轉換，單片機對其進行采樣后進行分析，輸出相應的顯示及報警信號等。其分析的結果也可以通過RS485總線傳送到上位機。