（电工理论与新技术专业论文）基于msp430单片机的剩余电流保护器的研制.pdf

华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 ii abstract with the rapid development of our economy, the electric consumption of our society has a rapid growth. because of the defects of electrical equipment, the unsuitable use and the ineffective security measures, person may get an electric shock or a fire accident may happen in the process of consuming electricity. it will bring the undue losses of people s life and property. the residual current operated protective device can provide reliable and effective techniques to prevent all kinds of accidents. it can cut off the power supply promptly and protect the equipment and personal security from harm. firstly, a brief introduction of the development of the residual current operated protective device is given, including the problems in the technology of the residual current protection that we are in face with. the technology of single- chip microcontroller will be used in residual current operated protective device for the design, in order to improve its intelligence. it can meet the diverse needs of users. the residual current operated protective device which is introduced in this paper can detect the real- time residual current value and the residual current operating value can be switched automatically according to the present condition of the power system. when the protection is occurred, the residual current operated protective device possesses the inverse time lag function, ideal time delay and the automatic reclosing function. so all kinds of complicated rural grid and climatic condition can be adapted by the residual current operated protective device, and the safety and the reliability of the power supply can be ensured. secondly, a design scheme is selected in the paper. the first design scheme is based on combining the hardware controlling with the software controlling. this design scheme does not have ideal operation reliability in the protection and has some other problems. the second design scheme is digital design scheme. the single- chip microcontroller msp430f149 which is a kind of ultra low- power mixed signal micro- controller is employed as the main controller in the new scheme. basically, the operation is not dependent on the control of the hardware, but makes full use of the functions which micro- controller itself has. most of the required functions and specifications are achieved by the control of the software. then the residual current operated protective device based on the digital design scheme is divided into hardware design section and software design section to expound the design principle and implementation in detail. in the hardware section, the paper introduces the whole hardware system briefly at first, which includes msp430f149 microcontroller, 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 iii system power module, led display module, signal regulation module, relay control circuit, status display circuit and delay time option circuit. for each part, the circuit design and the design method are described in detail. in the software section, according to the modularization design theory and the achieved functions, the whole software design is divided into seven parts, such as the system initialization, data acquisition, data processing, led display, operation value, operation logic and time interruption. for each part, the flow chart of the software program design and the function realization are expounded in detail. finally the whole development process is summarized and the further improvement is presented. keywords: residual current protective device digital msp430f149 modularization 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。近我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做出 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许 论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保 密，在_年解密后适用本授权数。 本论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪 论 1.1 课题的背景 当今，电力已经作为现代社会的主要能源，与国民经济建设和人民生活有着极为 密切的关系。因此，要求电力系统运行具有很高的安全性与可靠性。随着我国经济的 高速发展，整个社会的用电量迅速增长，电力系统中的低压配电线路遍布工业，农业， 服务业的各个角落，安全用电问题愈来愈受到人们的关注。 短路或接地短路，尤其当故障回路具有相当高的电阻，且故障回路处于电弧水平 时，这种“不安全的”短路或接地短路就具有火灾危险性。由于出现的剩余电流有时 甚至远低于前接的过电流保护装置的额定动作电流，所以不能指望过电流保护装置 （如熔断器或小型的断路器）及时分断，避免故障。只有当电流略高于过电流保护装 置的额定电流时, 才在经历较长的时间后, 进行分断, 所以要防止由接地短路酿成的 火灾在此受到限制。 导线和电气设备的部分绝缘损坏。电器或电动机的接线端子周围出现炭化的熔蚀 点。电动机过载或扼流线圈的老化而出现匝间短路。电气设备中或安装设备的部件中 潮湿或积有凝结水。在电气设备中积有导电尘埃或沉积物。以上均会引起接地电流即 剩余电流和构成电弧的故障。这类故障会引起不完全的短路或接地短路并酿成火灾， 并且有时会对人身安全造成重大的安全隐患1。 由于剩余电流保护装置具有很好的保护作用和较大的保护范围, 所以在目前采用 的各种保护措施中，具有举足轻重的意义2。 国家对用电安全有强制性要求，在许多场合要求安装剩余电流保护器。随着农村 经济的快速发展和广大农民生活水平的逐步提高，农村用电量增长较快。由于农村安 全用电意识淡薄，家庭用电私拉乱接的现象时有发生，再加上电力线路两侧树木较多 且生长快，给电网安全运行带来较大的隐患，电气设备保护跳闸现象和人身触电伤亡 事故时有发生。国家电力公司在农村电网建设与改造技术原则中明确要求，在配 电变压器低压侧出线处要加装剩余电流保护器，对每一用电农户也要加装剩余电流保 护器3。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 如今， 单片机技术的发展日新月异， 在电器领域内单片机技术得到了广泛的应用， 从而使得电器具有的智能化功能越来越丰富。在国内外低压电器领域，单片机技术在 智能型万能式断路器、智能型塑壳式断路器、电动机保护器等产品上已经取得了长足 的应用和发展，使配电电器和保护电器的保护特性更准确、更可靠、取得了较大的社 会效益和经济效益45。因此，如何在传统的剩余电流保护器中引入高性能微处理器 以实现保护的智能化和保护性能的最佳化成为了我们的思考方向。 1.2 发展现状 1.2.3 国外剩余电流保护技术的发展及动向 (1) 家用及类似用途剩余电流断路器 欧洲剩余电流保护器的发展以家用剩余电流断路器为主，基本上都是电磁式剩余 电流断路器。欧洲不带过电流保护的剩余电流断路器近几年的发展趋势是把二极和四 极分成两个壳体，使二极剩余电流断路器的体积大为减小：二极宽度为2个模数 （36mm） ， 四极宽度为4个模数 （72mm） 。 代表性的产品有siemens公司的5sm1、 5sz3 系列； abb公司的f360、 f370系列， f&g公司的nfin系列等，其最大额定电流为63a， 采用标准导轨式安装方式，接线端子提供接线柱式接线和压板式接线两种方式，适用 于安装在配电箱中，可直接用标准母线排与其他电器连接。 带过电流保护的剩余电流断路器近几年的发展趋势为，由小型断路器（mcb）和 剩余电流动作保护附件组装成剩余电流动作断路器，组装方便灵活，尺寸模数化，标 准导轨安装方式， 便于在配电箱内安装使用。 代表性产品有siemens公司的5su系列， abb公司的ds250s，f&g公司fl7系列，施耐德公司vigi c60，vigi nc100系列等。 动作时间除原有的一般型和s型（选择性型）外，还增加了10ms的短延时特性。 具有良好的抗误动作能力，可防止闭合泄漏电流较大的负载（例如电容性负载）时引 起剩余电流断路器误动作。siemens公司把这种特性标志为k型，f&g公司标志为g 型。 此外，为适应产生平滑直流电流的工业电气设备日益增多，如频率变换器、x射 线发生器或ups系统等场合的需要，西门子公司在90年代中期推出对交流故障电流、 脉动直流故障电流和平滑直流电流都能可靠动作的全电流敏感型剩余电流动作断路 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 器。其额定工作电压415v，额定电流63a，额定剩余动作电流为30、300ma，宽度为 8个模数（144mm） ，这项技术已处于世界领先水平。 (2) 剩余电流断路器 由低压塑壳断路器派生的剩余电流断路器，日本发展较快，以富土电机公司和三 菱电机公司为代表，均为电子式剩余电流断路器，其产品在世界上处于领先地位。 日本的富士电机公司和三菱电机公司在90年代推出了30800a壳架电流等级的 孪生式断路器。其结构特点：剩余电流断路器和塑壳式断路器外形尺寸和安装尺寸完 全相同，比较老产品体积缩小了30。电压范围广，可以在100v240v440v交流 电压范围内通用，能适合于在不同电压等级的低压网络中使用。短路分断能力高，例 如富士hg403b系列可达到ac415v， 65ka； 三菱nv400- rep系列可达到440v， 125ka。 此外，三菱的hep和sep系列产品还具有预报警功能，当故障电流达到预定值的50 时，预报警指示灯开始闪烁进行报警，闪烁频率越高，表示事故越严重。预警指示可 以告诉监控人员及早采取措施，排除故障，保证供电的连续性。 abb公司在s1s3系列塑壳断路器上拼装rc211、rc212剩余电流脱扣器模块组 装成剩余电流断路器。剩余电流脱扣器模块宽度与断路器尺寸一样，可以装在塑壳断 路器后面（垂直式）或侧面（水平式） 。最大额定短路分断能力为85ka。剩余电流脱 扣器结构为电磁式，不需要任何辅助电源，能在50500v电压正常工作。rc212型还 有报警功能，当剩余电流达到预定值的50时，预报警信号灯就会闪烁报警；闪烁频 率随剩余电流增加而增加，直至电流达到预定值时自动切断电路6。 1.2.3 国内剩余电流保护技术的发展及现状 我国研究剩余电流保护器与国外相比起步较晚。上世纪7 0 年代，随着社会用电量 的增加，特别是农村低压配电网中出现的供电故障与日俱增，引起了相关各部门的高 度重视。在相关部门的努力之下，我国开始研制剩余电流保护器，并在1 9 8 6 年指定了 第一部关于剩余电流保护器的国家标准gb6829漏电电流动作保护器（剩余电流保 护器）。1995年对该标准进行了重新修订，明确规定了剩余电流保护器产品的质量 要求、工作条件和试验方法，从此我国剩余电流保护器产品的设计和生产进入了科学 化、规范化加阶段，并逐步开始强制规定用户安装剩余电流保护器。 由于我国研究剩余电流保护器起步较晚，从而导致我国剩余电流保护器的生产和 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 4 应用起步较晚。从70年代中期开始发展，并首先在农村低压电网中推广应用。剩余电 流继电器与交流接触器组合成剩余电流保护器作为主干线或分支线路的剩余电流保 护装置。 在80年代初期，全国农村每年触电死亡人数均在4000人左右，为了降低农村触电 死亡人数，曾大力推广使用剩余电流保护器。由于当时国民经济状况及农村用电量较 少，一般均采用一台配电变压器装一只剩余电流电保护器作为总保护和每条分路出线 装一只剩余电流保护器作为分路保护的方式。这种农村低压电网的剩余电流保护方 式，持续使用了近20年，为降低农网触电伤亡事故起到了十分重要的作用7。 在剩余电流保护器产品的开发上，经过80年代和90年代的引进国外先进技术到现 在的自行研制开发，取得了较大的发展。如今，已经形成一个在品种和规格上具有相 当规模的产品系列。我国生产的剩余电流保护器绝大部分为电子式，约占剩余电流保 护器总产量的90左右，而电磁式剩余电流保护器由于其制造成本高，价格昂贵，使 用比较少，目前仅占10左右8。 从国内剩余电流保护器的发展来看，我国剩余电流保护器从数量上和品种上，基 本能满足国民经济发展的需要，并在电网的安全保护中发挥了巨大的作用。随着农村 电气化的实现和信息时代的到来，家用电器和家用电脑在城乡居民家庭日益普及，对 供电的可靠性和连续性的要求会越来越高。用脉冲型和鉴相鉴幅型剩余电流保护器作 为一级总保护，其误动作相对较多，跳闸频繁，动作后停电面积大，因而供电可靠性 的矛盾将越来越突出。借鉴国外剩余电流保护发展的历史和现状9101112，随着农村 经济的发展和居民住宅家用剩余电流断路器逐渐普及，农村低压电网的剩余电流保护 形式将逐步向总保护、分支保护与终端保护组成的二级保护或三级保护过渡13 14。 值得注意的是，安装剩余电流保护器作为安全用电技术措施的后备保护措施是不 可缺少的，但绝不可代替其它安全措施15。剩余电流保护器在农村电网的作用，除能 防止人身触电伤亡事故外，还可作为监督线路设备绝缘水平的有力手段，从而促进农 网的运行维护水平。 1.2.3 相关问题的提出 ( 1 ) 保护的选择性问题 在低压配电系统中，由于网络中某处电路故障而影响整个或一片网络的供电是不 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 5 允许的。通过上下级断路器之间的协作配合，当一个故障出现在网络的任一点时，仅 仅由故障点上游最近的断路器动作，而其他非故障部分保持连续工作。低压供电系统 的安全性和可靠性是依据各级断路器的性能和各级断路器之间选择性保护技术来实 现的。 目前， 国内剩余电流保护器虽然种类繁多， 但是在动作时间特性上均为 “一般型” ， 即无延时型的产品，它们通常只适合作为终端保护的用途，若作为其他保护的用途， 由于保护缺乏选择性，所以供电的安全性和可靠性得不到保证，因此应用受到限制。 带延时功能的“延时型”产品，特别是作为延时型剩余电流继电器的一种特定形式的 “s型”目前在国内还比较不多见，而“s型”剩余电流继电器其动作特性可与“一般 型”剩余电流继电器匹配，用作对低压配电系统中的选择性保护，可以大大提高供电 的安全性和可靠性，应用前景非常广泛。 ( 2 ) 运行环境的自适应问题 根据在现场的实际运行情况，在空气湿度比较大的潮湿季节，特别是在雨雪天气 时候，剩余电流保护装置频繁动作，对正常的生产生活带来了很大的影响。而剩余电 流保护装置频繁动作的原因之一就是剩余电流保护器的保护整定值相对固定，即剩余 电流保护装置发现低压配电网剩余电流的大小超过整定数值的时候便切断线路，从而 为低压配电网提供剩余电流保护。事实上，在不同运行环境下，输电线路以及各种电 气设备的的绝缘状况也在不断变化。例如在雨雪天气条件下，绝缘性能会因为空气湿 度增大而降低；而在大风天气条件下，由于树枝的摆动而暂时触及输电线路也容易产 生较大的剩余电流。因此，为了对输电线路提供完善的剩余电流保护，同时又能最大 限度的满足供电的可靠性要求，必须将上述情况考虑进去，做到及时正确地跟踪实际 剩余电流数值及其变化规律， 以便合理地整定剩余电流保护器的动作电流大小。 目前， 国内个别生产剩余电流保护器的厂家虽然也注意到这个问题，展开了研究，并研制成 功一些具备自动整定剩余电流动作数值功能的产品，但是其智能化程度都比较低，只 能进行由高到低的单方向的档位切换。存在的明显缺点是每次投入运行前都要进行试 投，以确定投运初期的运行条件。并且在保护装置正常动作后故障消除，需要恢复供 电前也要进行试运行。频繁的试运行增大了运行人员的工作量，也影响了线路供电的 恢复速度。 ( 3 ) 保护方式混杂不分的问题 目前在农网改造中要解决农电安全与供电可靠性间的矛盾，就必须采用具有动作 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 6 电流和动作时间级差相互配合的分级保护。分级保护是农村低压电网剩余电流保护的 最佳方式。该保护方式需要在不同的保护分级下使用不同功能的剩余电流保护器实现 其需要的保护功能。而当前许多生产厂商热衷于产品功能的综合化，即集各种保护方 式于一身。虽然这样看起来产品功能似乎变得更加强大，但实际上将各种保护方式集 成在一起反而使得各自性能不能很好的发挥，更容易出现误判和误动的问题。从未来 的发展趋势看，保护器的单一化，高性化才是最佳的选择。 ( 4 ) 更新升级问题 目前大多数的剩余电流保护装置的适应性差，更新升级及为不方便。由于天气气 候以及地域因素的影响， 现场的运行条件是在经常发生变化的。 在差异比较小的时候， 比如说在同一地域或运行环境之下，可以由前面阐述的自动整定动作电流值的大小来 加以解决。而在差异比较大的时候，就需要重新开发出一种适合相应情况的保护器， 这样的重复开发浪费大量的人力物力财力。 1.3 课题的主要任务 针对目前剩余电流保护器存在的一些问题，结合自己的一些想法和实验室项目的 实际需要，我们将微控器技术引入剩余电流保护器装置，设计出一种基于先进微控器 的剩余电流保护器。该保护器的设计目的作为多级保护中的第一级剩余电保护器，实 际使用中安装于配电变压器低压侧出口处。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 7 2 剩余电流保护器的相关理论 2.1 基本概念 我们平常所见到的漏电流保护器是按gb6829- 86漏电流动作保护器的标准执 行的，使用的是“漏电保护器”、“漏电动作电流”、“漏电电流”等名词术语。而 gb6829剩余电流保护器的一般要求是新标准，取代gb6829- 86的标准，在名词术 语上也做了修改，以“剩余电流”代替“漏电流”16。 1. 剩余电流继电器 剩余电流继电器是指能同时完成检测剩余电流，将剩余电流与基准值相比较，以 及当剩余电流超过基准值时，发出一个机械开闭信号的装置，包括检测部分和控制部 分成为一体的整体式剩余电流继电器以及检测部分和控制部分分开安装，但通过电气 连接组合在一起使用的分体式剩余电流继电器。 2. 剩余电流保护器 剩余电流继电器与低压断路器或低压接触器组装成组合式的剩余电流保护器，可 以用来对线路进行接地故障保护，防止由于接地故障电流引起的设备事故或电气火 灾，也可用来对人身触电危险提供间接接触保护。 3. 额定剩余动作电流 ni 额定剩余动作电流是指在规定条件下必须动作的剩余动作电流值。 4. 额定剩余不动作电流noi 额定剩余不动作电流是指在规定的条件下，必须不动作的剩余电流值。额定剩余 不动作电流的优先值为0.5ni。 5. 剩余电流继电器的分断时间 从对剩余电流继电器突然施加剩余动作电流时起，到剩余电流继电器的输出触头 发生开闭动作的时间。 6. 极限不驱动时间 对剩余电流继电器施加一个规定的动作剩余电流而不引起剩余电流继电器动作 的最大延时时间。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 8 7额定频率 设计剩余电流继电器时所采用供电电源频率，这频率与其它特性值有关。额定频 率的优先值为50hz。 8. 延时型剩余电流继电器 对于规定的剩余电流动作值能达到一个预定的极限不驱动时间的剩余电流继电 器17。 2.2 剩余电流保护的基本原理 剩余电流保护的原理如图2- 1所示。 图 2- 1 剩余电流保护的原理图 我们运用零序电流互感器对线路中的剩余电流进行检测。当低压配电电网未发生 触电和漏电事故时，根据电路原理可知，在正常情况下通过零序电流互感器ta的各相 线路中的电流与中性线电流的相量和等于零，即 0abcoiiii+= （2.1） 此时，各相线路中的电流与中性线电流在零序电流互感器环形铁芯中产生的磁通 相量和等于零，即 0abco+= （2.2） 此时，零序电流互感器ta的二次测绕组没有感应电压输出，剩余电流保护器不动 作，线路正常供电。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 9 当被保护线路有人发生触电或产生其他的接地漏电故障时，由于剩余电流的出 现，零序电流互感器一次侧各相线路中的电流与中性线电流的相量和将不再等于零， 即 abcoriiiii+= （2.3） 各相线路中的电流与中性线电流的相量和ri即为剩余电流。此时，在零序电流互 感器环形铁芯上将有励磁磁势存在，该励磁磁势产生的磁通实际上就是各相线路中的 电流与中性线电流在零序电流互感器环形铁芯中产生磁通的相量和，即 abcor+= （2.4） 因此，零序电流互感器的二次侧线圈在交变磁通 r 的作用下，在零序电流互感 器ta二次测绕组就有感应电压信号输出。该电压信号经过一系列处理，当故障电流达 到事先所整定的数值时，继电器就推动断路器的脱扣机构动作，迅速切断电源，达到 剩余电流保护的目的。 2.3 剩余电流保护器的分类 (1) 根据动作方式分类 电磁式剩余电流保护器： 零序电流互感器的二次回路输出电压不经任何放大，直接激励剩余电流脱扣器， 称为电磁式剩余电流保护器，其动作功能与线路电压无关。 电子式剩余电流保护器： 零序电流互感器的二次回路和脱扣器之间接入一个电子放大线路，互感器二次回 路的输出电压经过电子线路放大后再激励剩余电流脱扣器，称为电子式剩余电流保护 器，其动作功能与线路电压有关18。 (2) 根据剩余电流保护器的功能分类 剩余电流断路器： 由低压塑壳断路器派生的剩余电流断路器，适用于专业人员使用。基本上都是电 子式的剩余电流断路器。这类产品额定电流较大，除了剩余电流保护外，还具有过载 和短路保护，可作为工厂车间、农村等配电装置主干线、分支线的漏电和过载短路保 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 10 护装置。 剩余电流继电器： 剩余电流继电器是检测剩余电流，将剩余电流值与基准值相比较，当剩余电流值 超过基准值时，发出一个机械开闭信号使机械开关电器脱扣或声光报警装置发出报警 的电器。剩余电流继电器常和交流接触器或低压断路器组成剩余电流保护器，作为农 村低压电网的总保护开关或分支保护开关使用。 移动式剩余电流保护器： 移动式剩余电流保护器是由插头、剩余电流保护装置和插座或接线装置组成的电 器，它包括剩余电流保护插头、移动式剩余电流保护插座、剩余电流保护插头插座转 换器等，用来对移动电器设备提供漏电保护。 固定安装的剩余电流保护插座： 由固定式插座和剩余电流保护装置组成的电器，也可对移动电器设备提供漏电保 护。 (3) 根据剩余电流保护器的使用场合分类 专业人员使用的剩余电流保护器： 这种剩余电流保护器一般额定电流比较大，作为配电装置中主干线或分支线的保 护开关用，发生故障影响范围比较大，要求由专业人员来安装、使用和维护。剩余电 流继电器和大电流剩余电流断路器属于这种形式的剩余电流保护器。 家用及类似用途剩余电流保护器： 可分为带过电流保护和不带过电流保护两种，适合于非专业人员使用。主要用于 商场、办公楼、饭店及城乡居民住宅等建筑物中，一般额定电流比较小，作为终端电 气线路的漏电保护装置。主要是家用剩余电流断路器和移动式剩余电流保护器。 (4) 根据剩余电流保护器的动作时间分类 一般型剩余电流保护器： 无故意延时的剩余电流保护器，主要作为分支线路和终端线路的剩余电流保护装 置。 延时型剩余电流保护器： 专门设计的对某一剩余动作电流值能达到一个预定的极限不动作时间的的剩余 电流保护器。延时型剩余电流保护器主要作为主干线或分支线的保护装置，可以与终 端线路的保护装置配合，达到选择性保护的要求。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 11 (5) 根据故障信号的形式分类 电压动作型保护器： 剩余电流在接地装置或检测元件上产生电压降，通过检测该电压信号的大小来实 现保护功能。当故障电压达到预定的危险极限值时，电压线圈推动脱扣机构使主开关 切除故障电源。它可以装设在低压电网配电变压器低压侧，用来保护整个电网，也可 以装设在单台电气设备处，用来保护该台设备。 其优点是：结构简单、容易制造、造价低廉的优点。但是，由于原理上的缺陷使 得其存在以下缺点：检测元件的阻抗比较高，这样在装设在低压电网总出线处时，会 改变电网原有的运行状态；对于三相四线制电网，若中性线对地绝缘下降到一定程度 时，故障电流大部分通过中性线回流，使保护器动作灵敏度下降的很厉害，甚至发生 拒动；安装工程较为复杂，且不能装设在分支线路上；热稳定性能较差，极易因电网 过电压或遭受雷击而烧坏。 因此，电压动作型保护器的应用受到限制。目前在电网上基本不用，只是在某些 用电设备上还有一定的应用价值。 电流动作型保护器： 其检测元件是零序电流互感器，通过电流互感器检测故障电流，在二次侧产生一 个感应电压，当感应电压达到一定值时，推动脱扣机构，使主开关切断电路。它可以 方便地安装在电网的任何地方而又不改变电网的运行特性，可直接作为直接接触的补 充保护，也可进行分级保护。加上其性能优越、动作可靠、不易损坏，已逐渐取代电 压动作型，目前世界各国开发的剩余电流保护器基本上都是电流型剩余电流保护器 19。 2.3 剩余电流保护器额定动作电流的选择 正确合理地选择剩余电流保护器的额定动作电流非常重要：一方面在发生触电或 泄漏电流超过允许值时，剩余电流保护器可有选择地动作；另一方面，剩余电流保护 器在正常泄漏电流作用下不应动作, 防止供电中断而造成不必要的经济损失。 剩余电保护器的额定动作电流应满足以下三个条件： (1) 为了保证人身安全，额定动作电流应不大于人体安全电流值，国际上公认 30ma为人体安全电流值2021。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 12 (2) 为了保证电网可靠运行，额定动作电流应躲过低电压电网正常泄漏电电流。 (3) 为了保证多级保护的选择性，下一级额定电动作电流应小于上一级额定动作 电流，各级额定动作电流应有适当的级差。 第一级剩余电保护器安装在配电变压器低压侧出口处。该级保护的线路长，泄漏 电电流较大，其额定动作电流在无完善的多级保护时，最大不得超过100ma。具有完 善多级保护时。泄漏电电流较小的电网，非阴雨季节为75ma，阴雨季节为200ma； 泄漏电电流较大的电网，非阴雨季节为100ma，阴雨季节为300ma。 第二级剩余电流保护器安装于分支线路出口处, 被保护线路较短, 用电量不大, 泄漏电电流较小。剩余电流保护器的额定动作电流应介于上、下级保护器额定动作电 流之间, 一般取3075ma。 第三级剩余电流保护器用于保护单个或多个用电设备，是直接防止人身触电的保 护设备。被保护线路和设备的用电量小，泄漏电电流小，一般不超过10ma，宜选用 额定动作电流为30ma，动作时间小于0.01s的剩余电流保护器22。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 13 3 总体设计方案的选择 3.1 剩余电流保护器的设计要求 根据第一章最后提出的课题主要任务，本保护器设计目的为安装在配电变压器低 压侧的剩余电流总保护器，并针对于三相不平衡泄漏电流较大的农村电网，用于切除 主干线路故障。由于保护的区间大，为避免停电造成的影响，应设计为中灵敏度的延 时型剩余电流保护器，其剩余电流动作值的选择以防止间接接触的触电保护和电气设 备的火灾为主，并在躲过电网正常的剩余电流的前提下尽量选小。在间接接触性触电 的情况下可很好的保证人身安全，在直接接触的触电情况下，需要通过末级剩余电流 保护器来实现对人身安全的保证。 因此， 我们提出了以下具体的功能特点和技术指标。 3.1.1 剩余电流保护器的主要功能和特点 ( 1 ) 实时监测并显示当前剩余电流值的大小； 为用户提供了一个监视电网剩余电流情况的手段。如果用户发现线路的剩余电流 明显增加，就可以在剩余保护器还没有动作时，检查线路故障并排除故障，从而大大 方便了用户的使用。 ( 2 ) 根据电网运行水平自动切换剩余电流动作档位； 由于地域、气候、季节或天气的影响，剩余电流的大小会有所不同，有时相差很 大，有些用户希望在剩余电流较大时也能投运，剩余电流保护器能够自动调节动作电 流，就可以满足用户的这种需要。既可以保障在电网剩余电流较小情况下剩余电流突 然增大时能起到保护作用，也保障在电网剩余电流较大情况下可以投运，以适应运行 环境的变化。 ( 3 ) 保护动作具有反时限功能； 反时限过电流保护是指动作时间随短路电流的增大而自动减小的保护。使用在输 电线路上的反时限过电流保护，能更快的切除被保护线路首端的故障，为选择性保护 提供优异的性能。 ( 4 ) 可选择的动作延时特性； 0.3s、0.5s延时可选择，方便了用做选择性保护时用户的延时选用，提高了产品 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 14 的适应性。 ( 5 ) 自动重合闸及重合闭锁功能； 对于像大风天气下，树枝触碰线路而导致的暂时性故障，自动重合功能可大大提 高供电的可靠性；对于发生的永久性故障，重合闭锁功能可以提高供电的安全性。 ( 6 ) 可适应多种开关类型； 通过 2 个分闸继电器的配合实现对多种开关的适应，提高产品的通用型。 3.1.2 剩余电流保护器的主要技术指标 1 剩余电流动作档位的自动切换 初始化时将剩余电流的动作档位置于 430ma 水平。随后由保护器实时自动监测 剩余电流的大小，并根据以下条件切换至相应的剩余电流动作档位。 当缓慢变化的剩余电流在290ma360ma之间保持1分钟后切换至430ma档位； 当缓慢变化的剩余电流在220ma290ma之间保持1分钟后切换至360ma档位； 当缓慢变化的剩余电流在150ma220ma之间保持1分钟后切换至290ma档位； 当缓慢变化的剩余电流在 80ma150ma 之间保持 1 分钟后切换至 220ma 档位； 当缓慢变化的剩余电流在 10ma80ma 之间保持 1 分钟后切换至 150ma 档位； 当缓慢变化的剩余电流小于 10ma 保持 1 分钟后切换至 80ma 档位。 基于以上原则可以灵活的实现档位切换。首次将运行档位设置再最高档位可以避 免由于运行水平不符合当前档位的设置而发生误动作，然后通过对当前运行水平的跟 踪切换置实际的运行档位。不但具有从高档位自动向低档位切换的功能，还可以从低 档位自动向高档位切换，并且换挡不伴随跳闸的发生。这样可以大大增强保护器的适 应性。 2 剩余电流动作特性 当突然变化的剩余电流大于当前所在档位的动作电流值的时候，应当可选择的在 0 . 3 或 0 . 5 s 内进行分断。分断之后 3 0 s 进行一次自动重合闸操作。合闸之后若发现当 前剩余电流值仍然超过当前所在档位的动作电流值则立即进行分断，并且进行自动重 合闸闭锁，保持分断状态。合闸之后若发现当前剩余电流值对于当前所在档位的动作 电流值已恢复正常则进入正常运行状态。自动重合闸的相关功能大大提高了供电的可 靠性与安全性。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 15 3 分段时间和不驱动时间标准值 本保护具有反时限功能，具体要求如表 3 - 1 所示。 表 3- 1 分段时间和不驱动时间标准值 4剩余电流保护器控制开关的类型和要求 一、配交流接触器 （1）剩余电流保护器在控制 cj 型接触器时，要求 220v半波直流启动，启动后 迅速断开，然后 9v 直流保磁运行。 （2）配接 cjc 节能接触器。 二、配 dw10、dw15 断路器 剩余电流保护器控制回路有：启动控制回路；分励脱扣控制回路；欠压脱扣控制 回路。 三、配 dz20 型 4 极断路器 剩余电流保护器控制回路：在剩余电流达到额定动作值时发出分断信号。 3.2 两种方案的选择 根据上一节提出的设计要求及其技术指标，在设计过程中首先提出了一种基于硬 件控制跳闸方式的设计方案，之后通过对该方案的设计与分析，继而又提出了一种全 数字化的设计方案。 3.2.1 基于硬件控制跳闸方案的设计与分析 1方案的设计原理及设计思想 该方案是采用软件和硬件相结合的方法， 来实现所需要的功能。 设计原理如图 3- 1 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 16 所示。 图 3- 1 基于硬件控制跳闸的设计方案 硬件电路固有的优点就是响应速度快，作为保护器来说，这恰好又是迫切需要的 一个特点。而软件擅长的是对信号量和数字量的判断处理。在设计思想上主要考虑整 个跳闸的过程完全由硬件控制的方式实现，而软件则进行一些其他的辅助和协调工 作。这样可以充分发挥硬件和软件的各自优势，取长补短，相互结合，起到一个硬件 和软件资源优化配置的作用。 基于上述原因，考虑采用以下方案，由以比较器和逻辑门为核心的硬件电路对剩 余电流的输入信号进行实时监视，一旦发现剩余电流过大，则按照不同的剩余电流对 应的不同的时限要求，经过相应的阻容延时电路延时后直接输出驱动控制继电器动 作。硬件控制的跳闸发生后需要在30s后进行重合闸，由于这段时间相对比较长，因 此在单片机定时器控制的延时时间达到之后， 通过软件控制的办法由单片机i/o引脚控 制继电器进行重合闸操作。重合闸之后如果故障仍未消除，可以通过软件控制单片机 i/o口输出闭锁信号的手段实现对重合闸功能的闭锁。 2微控制器的选择与设计 (1) c8051f330 的介绍及其主要特点 c8051f330器件是完全集成的混合信号片上系统型mcu，其主要特性有： 高速、流水线结构的 8051 兼容的 cip- 51 内核（可达 25mips）； 全速、非侵入式的在系统调试接口（片内）； 真正10位200ksps的16通道单端/差分adc，带模拟多路器； 10位电流输出dac； 高精度可编程的25mhz内部振荡器； 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 17 8kb可在系统编程的flash存储器； 768字节片内ram； 硬件实现的smbus/i2c、增强型uart和增强型spi串行接口； 4个通用的16位定时器； 具有3个捕捉/比较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器/定时器阵列 （pca） ； 片内上电复位、vdd监视器和温度传感器； 片内电压比较器； 17个端口i/o（容许5v输入）； 具有片内上电复位、vdd监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的c8051f330/1是 真正能独立工作的片上系统。flash存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易 失性数据存储，并允许现场更新8051固件。用户软件对所有外设具有完全的控制，可 以关断任何一个或所有外设以节省功耗。 可在工业温度范围（- 45到+85）内用2.7v- 3.6v的电压工作。端口i/o和/rst 引脚都容许5v的输入信号电压。c8051f330采用20脚mlp封装2324。 由以上介绍易看出，c8051f330是一款性能非常优越的单片机，并且其价格相对 较低，出色的性价比使我们首先考虑了选择它。 (2) c8051f330 的接线设计及其功能实现 c8051f330 的接线设计如图 3- 2 所示。 图 3- 2 c8051f330 的接线设计 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 18 c8051f330器件包含一个可编程内部高频振荡器，该振荡器在系统复位后被默认 为系统时钟。因此可以无需外接晶振或其他振荡器。 c8051f330有17个i/o引脚 （两个8位口和一个1位口） ， 端口的工作情况与标准8051 相似，但有一些改进。每个端口引脚都可以被配置为模拟输入或数字i/o，读那些被配 置为模拟输入的引脚时总是返回“1”，被配置为数字输入时直接读端口引脚。被选 择作为数字i/o的引脚还可以被配置为推挽或漏极开路输出。在标准8051中固定的“ 弱 上拉” 可以被总体禁止，这为低功耗应用提供了进一步节电的能力。 数字交叉开关允许将内部数字系统资源映射到端口 i/o 引脚。可通过设置交叉开 关控制寄存器将片内的计数器/定时器、串行总线、硬件中断、比较器输出以及微控制 器内部的其它数字信号配置为出现在端口 i/o 引脚。 p0.1、p0.2、p0.3 三个引脚通过数字交叉开关配置为数字 i/o 引脚，并且将这三 个数字 i/o 引脚配置为漏极开路输出，分别经 4.7k 电阻上拉至 5v，以便与接口芯片 的电平相配合。这三个数字 i/o 引脚经过多路通道模拟开关实现对剩余电流动作档位 的自动切换，并通过相应的译码电路点亮当前的档位指示灯。 p1.0、p1.1、p1.2、p1.3 四个引脚通过数字交叉开关配置为数字 i/o 引脚，并且将 这四个数字 i/o 引脚配置为推挽输出。这四个数字 i/o 引脚与