如何打造一款靈敏的漏電保護器測試系統(tǒng)

　　據(jù)不完全統(tǒng)計，我國每年因漏電而引起的觸電事故、火災(zāi)造成數(shù)千人死亡和數(shù)十億的經(jīng)濟損失，因此對防止漏電火災(zāi)及人身觸電保護的漏電保護器的性能提出了更高的要求。本文介紹的漏電保護器動作特性自動測試系統(tǒng)，可測量漏電保護器的漏電動作電流值、分?jǐn)鄷r間和漏電不動作電流值，對提高漏電保護器工作的可靠性提供了主要技術(shù)參數(shù)，檢測過程具有較高的自動化水平，可對在線運行與非在線運行的漏電保護器進行檢測。 系統(tǒng)硬件設(shè)計 表征漏電保護器的參數(shù)較多，其中與用電者人身安全關(guān)系最為密切的是漏電動作性能，描述漏電動作性能的主要參數(shù)為額定漏電動作電流(I△n)和漏電動作時間。額定漏電動作電流是由制造廠規(guī)定的漏電保護器在規(guī)定條件下必須動作的漏電動作電流值，它反映了漏電保護器的漏電動作靈敏度。漏電動作時間指從突然施加漏電動作電流時起，到保護電路切斷為止的時間。為了防止漏電保護器誤動作，國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了漏電不動作電流(I△n0)，它是指漏電保護器在規(guī)定條件下必須不動作的漏電電流值(優(yōu)先值為0.5I△n)，是在電網(wǎng)上投入運行所必須的技術(shù)參數(shù)。

　　圖1 漏電保護器測試系統(tǒng)框圖

　　系統(tǒng)以LPC2132為核心，具有擴展測試電流的產(chǎn)生和調(diào)節(jié)模塊、動作執(zhí)行單元、電流檢測電路以及鍵盤等外圍設(shè)備。LPC2132是一個支持實時仿真和跟蹤 32位ARM7TDMI-S核的微控制器，1個10位8路A/D轉(zhuǎn)換器，2個32位定時器/計數(shù)器，6路PWM單元輸出，2個硬件I2C接口和47個 GPIO,2個16C550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)UART,以及多達9個邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷。16kB的片內(nèi)靜態(tài)RAM和64kB的片內(nèi)Flash程序存儲器避免了LPC2132外擴存儲器，簡化了電路，提高了運行速度。漏電保護器的動作特性自動測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。 1 測試電流產(chǎn)生及調(diào)節(jié)模塊

　　圖2 測試電流產(chǎn)生及調(diào)節(jié)模塊

　　測試電流產(chǎn)生和調(diào)節(jié)模塊如圖2所示。測試電流的產(chǎn)生是將50Hz、220V的正弦交流電經(jīng)過220:12的降壓變壓器和電動調(diào)壓器，輸出0~12V的正弦交流電，再通過回路電阻，產(chǎn)生需要的測試電流。測試電流的產(chǎn)生分為3檔，以滿足不同的測量范圍。繼電器J1吸合，可產(chǎn)生0~1000mA的測試電流;繼電器 J2吸合，可產(chǎn)生0~500mA的測試電流;繼電器J1、J2都不吸合，可產(chǎn)生0~100mA的測試電流。每一檔測試電流的調(diào)節(jié)通過LPC2132控制電動調(diào)壓器實現(xiàn)。為了使測試電流能均勻地變化，電動調(diào)壓器采用了交流伺服控制。在測試過程中，LPC2132對采集到的實時回路中的測試電流值與設(shè)定值比較，并計算得到控制量，控制伺服電動機轉(zhuǎn)動，帶動電動調(diào)壓器的電刷在副邊上穩(wěn)定地滑動，使副邊電壓變化，從而改變回路中的電流。LPC2132的P0.2 腳輸出脈沖信號控制伺服電動機的運動速度，P0.3腳輸出高或低的電平信號，控制伺服電動機轉(zhuǎn)動的方向。 2 電流檢測電路 電流檢測電路如圖3所示。通過電流互感器對測試電流進行采樣，將電流互感器的二次側(cè)輸出信號經(jīng)濾波、放大、電壓提升等電路，變換為A/D模塊可以采集的單極性電壓信號(0~5V)后送入LPC2132。

　　圖3 電流檢測電路

　　在檢測電流的大小時，根據(jù)測試電流的周期(工頻)按照每個周期40個點進行采樣，采樣一個周期后，根據(jù)電流互感器的衰減倍數(shù)和提升電壓的數(shù)值，通過軟件算法計算出實際的電流有效值。電路應(yīng)滿足如下條件，當(dāng)交流電流的瞬時值達到正向峰值時，放大器輸出5V;當(dāng)交流電流的瞬時值達到負向峰值時放大器輸出0V。 3 A/D轉(zhuǎn)換及控制電路 電流檢測電路的輸出信號VOUT送入LPC2132內(nèi)置的8路10位高速A/D轉(zhuǎn)換輸入端，對漏電電流的大小進行檢測

　　圖4 A/D轉(zhuǎn)換及控制電路

　　由于A/D轉(zhuǎn)換為10位，當(dāng)輸入電壓為5V時，輸出數(shù)據(jù)值為1024(4FFH)，因此最大分辨率為0.0049V(5V/1024)。若產(chǎn)生測試電流的回路電阻為12Ω時，漏電電流的分辨率為0.4mA(0.0049V/12Ω)，完全滿足測試需要。漏電保護器的漏電電流產(chǎn)生的開始信號和動、靜觸頭斷開信號分別送入LPC2132的外部中斷輸入端，采用中斷的方式對漏電保護器動、靜觸頭的分?jǐn)鄷r間進行檢測。P0.5與P0.6腳分別控制繼電器J1、J2的閉合和分?jǐn)啵x擇三種不同測量范圍的測試電流。LPC2132與上位機之間采用串行通信，由于系統(tǒng)是3.3V系統(tǒng)，所以要使用SP3232E進行RS- 232電平轉(zhuǎn)換。SP3232E是3V工作電源的RS-232轉(zhuǎn)換芯片。A/D轉(zhuǎn)換及控制電路如圖4所示。 軟件設(shè)計 LPC2132軟件部分的設(shè)計基于嵌入式C語言，采用模塊化程序結(jié)構(gòu)。包括主程序、系統(tǒng)初始化子程序、人機接口控制功能子程序、電流采樣子程序、漏電動作電流檢測子程序、漏電動作時間子程序、與上位機通信子程序、上位機PC監(jiān)控程序。 主程序是漏電動作特性檢測試驗的核心程序，在測試系統(tǒng)開始工作后，程序保持在主程序中循環(huán)運行，根據(jù)不同需要對其它功能子程序進行調(diào)用，調(diào)用完畢后，程序返回主程序繼續(xù)進行循環(huán)。主程序流程圖如圖5所示。

　　圖5 主程序流程圖

　　系統(tǒng)初始化子程序主要完成系統(tǒng)初始化工作，包括引腳配置初始化、A/D轉(zhuǎn)換初始化、定時器初始化、中斷初始化、系統(tǒng)參數(shù)初始化、設(shè)定檢測項目和參數(shù)等。人機接口控制功能子程序是控制系統(tǒng)與人之間的交流，主要實現(xiàn)按鍵功能的掃描。電流采樣子程序?qū)λ腿隠PC2132的測試電流信號(經(jīng)濾波、放大、電壓提升后變?yōu)?~5V的單極性電壓信號)進行A/D轉(zhuǎn)換，通過計算將所得數(shù)字量還原為實際電路中的電流值。漏電動作電流檢測子程序用來檢測漏電保護器斷開瞬間的漏電電流值(I△)。漏電動作時間子程序完成對漏電保護器漏電動作時間的檢測。與上位機通信子程序主要完成LPC2132與上位機PC的通信。上位機PC監(jiān)控程序主要實現(xiàn)上位機PC對LPC2132的控制及顯示測量結(jié)果等。 測試系統(tǒng)的上位機PC監(jiān)控程序基于LabVIEW8.6平臺開發(fā)， 通過LabVIEW的圖形化編程環(huán)境， 利用LabVIEW8.6中的串口子選板內(nèi)的串口通信操作的功能函數(shù)，通過串口函數(shù)的配置，比較容易地編出所見即所得的程序界面，簡化了Windows的串行通信編程，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。

　　圖6 測試系統(tǒng)界面

　　控制界面如圖6所示，圖中顯示了一次測量數(shù)據(jù)。 系統(tǒng)開始測試后，根據(jù)設(shè)定測試參數(shù)，自動對測試設(shè)備進行初始化，軟件制定控制端口控制字，以選擇適合的硬件電路回路和采樣電阻。使測試電流從小于0.2 I△n開始，在30s內(nèi)穩(wěn)定地增加至I△n，測定漏電保護器斷開瞬間的漏電電流值I△，若滿足I△n0 結(jié)論 本測試系統(tǒng)克服了很多傳統(tǒng)手動測試方法存在的弊端，操作界面更加簡單，你只需在測試時輸入測試條件和參數(shù)就可以開始測試。測試結(jié)果一目了然，實現(xiàn)了測量自動化和智能化，既能檢測非在線運行的漏電保護器，又能檢測在線運行的漏電保護器。提高了漏電保護器的測試水平，為漏電保護器的性能研究、質(zhì)量檢驗及生產(chǎn)提供了有效手段。 隨著我國社會經(jīng)濟建設(shè)的高速發(fā)展，電這種重要的能源廣泛應(yīng)用于我們的生活，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)越來越龐大與復(fù)雜。人們的日常生活與工作已經(jīng)離不開各種各樣的電氣設(shè)施與電子裝備，促使人們對用電的安全性和供電的可靠性方面提出了更高的要求。作為保護人身和設(shè)備安全的漏電保護器，得到了空前廣泛的使用。漏電保護芯片作為漏電保護器的核心部分，對漏電保護器的性能影響非常大，所以研究和設(shè)計漏電保護控制電路變得尤為重要。