一種在線(xiàn)式漏電保護(hù)器測(cè)試儀的研制

摘要：介紹了一種基于單片機(jī)的漏電保護(hù)器測(cè)試儀的軟、硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了漏電保護(hù)器動(dòng)作特性的在線(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)。

關(guān)鍵詞：漏電保護(hù)器 動(dòng)作特性 單片機(jī) 斷電檢測(cè)

低壓配電系統(tǒng)中裝設(shè)漏電保護(hù)器（剩余電流動(dòng)作保護(hù)器）是防止電擊事故的有效手段之一，也是防止漏電引起電氣火災(zāi)和電氣設(shè)備損壞事故的技術(shù)措施。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求漏電保護(hù)器在投入運(yùn)行后，使用單位應(yīng)建立運(yùn)行記錄及相應(yīng)的管理制度，每月需在通電狀態(tài)下，按動(dòng)實(shí)驗(yàn)按鈕，檢查漏電保護(hù)器動(dòng)作是否可靠。雷雨季節(jié)應(yīng)增加檢查次數(shù)。但是該實(shí)驗(yàn)只能用來(lái)檢查漏電保護(hù)器的脫扣功能，不能用來(lái)校核額定漏電動(dòng)作電流和分?jǐn)鄷r(shí)間的數(shù)值。所以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定應(yīng)定期進(jìn)行漏電保護(hù)器的動(dòng)作特性實(shí)驗(yàn)，測(cè)試漏電動(dòng)作電流值、漏電不動(dòng)作電流值和分?jǐn)鄷r(shí)間。我們研制了一種漏電保護(hù)器試儀，可在線(xiàn)實(shí)現(xiàn)上述功能的測(cè)試。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路主要包括信號(hào)采集控制電路、斷電檢測(cè)電路及單片機(jī)控制電路。

1.1 信號(hào)采集控制電路

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定額定漏電動(dòng)作電流IΔn的優(yōu)先值為：0.006、0.01、0.03、0.05、0.1、0.3、0.5、1、3、5、10、20A；額定漏電不動(dòng)作電流IΔno的優(yōu)先值為0.5IΔn，如果采用其它值時(shí)應(yīng)大于0.5Iδn；漏電保護(hù)器的分?jǐn)鄷r(shí)間如表1、表2所示。

表1 直接接觸用的漏電保護(hù)器的最大分?jǐn)鄷r(shí)間

表2 間接接觸用的漏電保護(hù)器的最大分?jǐn)鄷r(shí)間

手持式電動(dòng)工具、移動(dòng)電器、家用電器插座回路的設(shè)備優(yōu)先選用IΔn，為30mA及以上、100mA以下的快速動(dòng)作的漏電保護(hù)器；有多臺(tái)設(shè)備的總保護(hù)應(yīng)選用IΔn為100mA及以上的快速動(dòng)作的漏電保護(hù)器。

根據(jù)以上要求可見(jiàn)，IΔn不大于30mA的漏電保護(hù)器應(yīng)用廣泛。由表1可知，在測(cè)試直接接觸用漏電保護(hù)器的分?jǐn)鄷r(shí)間時(shí)應(yīng)產(chǎn)生250mA的漏電流，因此該測(cè)試儀設(shè)計(jì)為最大可產(chǎn)生275mA（有效值）的漏電流，可滿(mǎn)足測(cè)試IΔn為50mA及以下的漏電保護(hù)器的所有測(cè)試項(xiàng)目、IΔn為100mA的漏電保護(hù)器除5IΔn分?jǐn)鄷r(shí)間外的所有測(cè)試項(xiàng)目。該測(cè)試儀的信號(hào)采集控制電路如圖1所示。

K選用KN62S型三位開(kāi)關(guān)，K合向位1時(shí)測(cè)試漏電動(dòng)作電流值、漏電不動(dòng)作電流值。Q1、Q2為光MOS固態(tài)繼電器，其開(kāi)路最大漏電流為10μA。測(cè)試漏電保護(hù)器某一漏電流的分?jǐn)鄷r(shí)間時(shí)，K合向位2后接通Q1，整流橋接在n0～n1之間，調(diào)節(jié)電流到測(cè)試值，然后斷開(kāi)Q1（延時(shí)10ms以上，確保Q1斷開(kāi)）接通Q2，由n1點(diǎn)接向n2點(diǎn)意味著突然產(chǎn)生漏電流，同時(shí)開(kāi)始計(jì)量分?jǐn)鄷r(shí)間。因?yàn)榱憔€(xiàn)N與地線(xiàn)PE的電位一般不同，所以測(cè)試點(diǎn)n2不接在PE線(xiàn)上。v1接斷電檢測(cè)電路。

由整流特性及電流有效值定義知整流橋前后的電流有效值相等，圖1中I1即為漏電流值?？紤]在線(xiàn)測(cè)試時(shí)三極管集電極電位較高，以三極管發(fā)射極電流有效值I3作為測(cè)量信號(hào)?？刂齐妷篤3作為測(cè)量信號(hào)?？刂齐妷篤2為1.4～4.8V，2SD272、2SD594的hFE分別為40和50，R3取1Ω，R2的值由下式確定：

r2取15kΩ。Rw選用10kΩ的電位器，以便出廠(chǎng)時(shí)調(diào)整V2的動(dòng)態(tài)范圍（因不同的2SD272、2SD594的hFE可能不同）。

∵i1=i3-i2 ∴i1=i3-[1/(1+40)(1+50)]

若令i3=i1，則因簡(jiǎn)化產(chǎn)生的誤差er為：

因er很小，可認(rèn)為I1=I3。

∵V3=I3R3，由V3即可測(cè)得漏電流I1的值。

1.2 斷電檢測(cè)電路

在測(cè)試漏電保護(hù)器的動(dòng)作持性時(shí)，必須準(zhǔn)確測(cè)知漏電保護(hù)器的動(dòng)作時(shí)刻。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的斷電檢測(cè)電路見(jiàn)圖2。6N138為光電二極管與達(dá)林頓光電晶體管封裝的光電耦合器，一次側(cè)工作電流IF為1.6mA，Ifmax為20mA，Vfmax為1.7V?？紤]到整流橋的正向?qū)▔航礦dmax為2.4V，6N138一次側(cè)電流iF由下式確定：

從v1的零時(shí)刻開(kāi)始使iF增加到1.6mA所需的時(shí)間t可由式（1）求得：t=0.4ms。因?yàn)閕F為脈動(dòng)直流信號(hào)，所以的關(guān)斷時(shí)間大于0.8ms，即可判斷電網(wǎng)斷電、漏電保護(hù)器已動(dòng)作。我們?cè)O(shè)計(jì)的判斷時(shí)間為1ms，在電網(wǎng)電壓波動(dòng)較大時(shí)仍保證判斷正確。由式（1）還可求得iFmax=11.4mA，小于6N138的Ifmax。

1.3 單片機(jī)控制電路框圖及工作原理

單片機(jī)控制電路框圖如圖3所示，包括單片機(jī)、采集信號(hào)轉(zhuǎn)換電路、鍵盤(pán)電路、LCD顯示電路、D/A轉(zhuǎn)換電路以及電源電路。

單片機(jī)選用AT89C52，時(shí)鐘頻率為12MHz。單片機(jī)系統(tǒng)通過(guò)信號(hào)采集控制電路控制漏電流的產(chǎn)生和調(diào)節(jié)漏電流的大小，漏電流信號(hào)檢測(cè)電壓V3經(jīng)有效值轉(zhuǎn)換器AD636得到與其有效值對(duì)應(yīng)的直流信號(hào)，通過(guò)10位串行A/D轉(zhuǎn)換器TLC1549轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送單片機(jī)。V3的脈動(dòng)頻率為100Hz，AD636的平均電容CAV選用2.2μF的電解電容，則AD636的輸出信號(hào)建立時(shí)間T8由下式確定：

Ts=25ms/μF×CAV=25ms/μF×2.2μF=55ms

即V3的穩(wěn)定時(shí)間要大于55ms。選用74HC373和74HC377作為鍵盤(pán)I/O接口。顯示器采用16字符×1行LCD。D/A轉(zhuǎn)換器選用具有上電復(fù)位功能、建立時(shí)間為12.5μs的10位串行D/A TLC5615，因其為電壓輸出型，輸出可直接作為控制電壓V2控制漏電流的變化。系統(tǒng)中的所有IC選用單5V電源、低功耗的芯片。該測(cè)試儀采用電荷泵DC-DC變換器7201，用四節(jié)1.5V電池供電。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)漏保護(hù)器動(dòng)作特性測(cè)試有兩種方法，一是根據(jù)基本條件由系統(tǒng)自動(dòng)完成，二是由鍵盤(pán)控制完成。功能模塊包括漏電流檢測(cè)、斷電檢測(cè)、鍵盤(pán)掃描、顯示等模塊。

2.1 漏電流大小檢測(cè)模塊

模塊的入口參數(shù)為D/A轉(zhuǎn)換器TCL5615的輸入控制值D，放在單片機(jī)內(nèi)存的30H、31H單元。AD636的建立時(shí)間為55ms，TLC1549、TLC5615建立時(shí)間都很短，因此輸出D后延時(shí)60ms讀取TLC1549的輸出值。出口參數(shù)漏電流大小I1存放到內(nèi)存的40H、41H單元。

2.2 斷電檢測(cè)模塊

該模塊由模塊主程序、外部中斷INT1和定時(shí)器T1中斷服務(wù)子程序組成。

T1在INT1端變?yōu)楦唠娖剑?N138截止）時(shí)啟動(dòng)，定時(shí)到1ms發(fā)生中斷，說(shuō)明電路已斷電，漏電保護(hù)器已動(dòng)作。在T1中斷服務(wù)子程序中置位斷電標(biāo)志、關(guān)閉INT1和T1中斷。

根據(jù)1.2所述，在電網(wǎng)正常通電情況下，6N138截止使INT1端保護(hù)高電平的時(shí)間小于1ms。INT1端電平由高變低發(fā)生中斷，在其中斷服務(wù)子程序中設(shè)置使T1重新定時(shí)1ms，從而使T1不會(huì)在電網(wǎng)正常通電情況下發(fā)生中斷。

模塊主程序初始化INT1、T1，復(fù)位斷電標(biāo)志。

2.3 自動(dòng)檢測(cè)的算法

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定測(cè)試漏電動(dòng)作電流值的方法是調(diào)節(jié)剩余電流從小于0.2IΔn開(kāi)始在30s內(nèi)穩(wěn)定地增加至IΔn值。由鍵盤(pán)選擇進(jìn)入自動(dòng)檢測(cè)功能操作后，輸入IΔn值，單片機(jī)計(jì)算出對(duì)應(yīng)0.2IΔn和（IΔn-0.2IΔn）/275的輸出控制初值D0和輸出變化范圍ΔD，調(diào)用一次漏電流檢測(cè)子程序約需61ms，由ΔD計(jì)算出每步后的延時(shí)時(shí)間，使整個(gè)測(cè)試在30s內(nèi)完成。測(cè)試開(kāi)始前調(diào)用斷電檢測(cè)模塊，每步測(cè)量完成后查看斷電標(biāo)志，若置位則停止檢測(cè)。在測(cè)試過(guò)程中電流的變化值都顯示在顯示器上，并最終指示斷電電流值或最后的電流值（兩種情況顯示標(biāo)志不同）。

測(cè)試分?jǐn)鄷r(shí)間的程序流程如圖4所示。用定時(shí)器T0計(jì)量分?jǐn)鄷r(shí)間，T0每次定時(shí)的時(shí)間為60ms，中斷次數(shù)存于內(nèi)存50H單元，圖中“T0定時(shí)值”等于50×（50H）加上T0最后一次的定時(shí)值。分?jǐn)喽〞r(shí)時(shí)間減去1.65ms是因?yàn)楣虘B(tài)繼電器Q2的典型動(dòng)作時(shí)間為1.65ms。

2.5 鍵盤(pán)控制檢測(cè)的方法

鍵盤(pán)控制檢測(cè)方式指調(diào)節(jié)漏電流的變化的操作由鍵盤(pán)控制完成。設(shè)計(jì)了實(shí)現(xiàn)正常和快速增加、減少的鍵盤(pán)掃描模塊。

該裝置利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了漏電保護(hù)器動(dòng)作特性在線(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)。如果只測(cè)度漏電動(dòng)作電流值，可在漏電保護(hù)器后的任一帶PE線(xiàn)插座上測(cè)試。建筑物內(nèi)的插座回路、電氣醫(yī)用設(shè)備、手持式電動(dòng)工具等安裝漏電保護(hù)器的設(shè)備和場(chǎng)所都可用該測(cè)試儀定期進(jìn)行漏電保護(hù)器動(dòng)作特性實(shí)驗(yàn)。