选择性漏电保护装置的设计1.doc

辽宁工程技术大学应用技术学院毕业设计（论文）用纸0 前言党的十一届三中全会后工农业生产的快速发展，使电气设备和家用电器大量增加，随之带来了与安全用电的矛盾。据不完全统计，70年代中期每年都有数千人伤亡于触电事故，1975年我国触电死亡人数高达6000多人，按用电量统计平均为2.87人/千万kWh。触电死亡事故在各类伤亡事故中占相当大的比重，当时与先进国家及发展中国家相比，我国安全用电处于低水平。从各种原因分析，大都缺乏安全用电知识及用电设备保护装置不完善。其次从火灾事故分析中也可以看出，由于电器使用不当或线路漏电造成电气火灾占了火灾事故的20%以上。如果有一种设备可以使人们安全地使用电，将会避免很多不必要的损失。所以在五花八门的电器接踵而来的同时，也诞生了各式各样的保护器。其中有一种是专门保护人的，称为漏电保护器。漏电保护是利用漏电保护装置来防止电气事故的一种安全措施。漏电保护装置又称剩余电流保护装置（Residual Current Operated Protective Device,缩写RCD）。漏电保护装置是一种低压安全保护电器，主要用于单相电击保护，也用于防止由漏电引起的火灾，还可用于检测和切断各种单相接地故障。漏电保护装置的功能是提供间接接触点击保护，而额定漏电动作电流不大于30mA的漏电保护装置，在其他保护措施失效时，也可作为直接接触电击的补充保护，但不能作为基本的保护措施。漏电保护的原理和装置的种类较多，但从适用于低压电网的漏电保护原理来看，目前主要有以下几种：旁路接地式保护原理、附加直流源检测保护原理、零序电压保护原理、零序电流大小及零序电流方向保护原理。前三种保护原理为非选择性漏电保护，供电电网的任何地方出现漏电故障，保护装置即动作并切除整个工作面电网，且无法确定故障支路。后两种保护原理为选择性漏电保护，可以判断出故障支路，有选择地将故障支路切除。但是，随着电网规模的扩大，供电系统复杂性的提高，对漏电保护提出了更高的要求。实践证明，漏电保护装置和其他电气安全技术措施配合使用，在防治电气事故方面有显著的作用，因此研究漏电保护理论与技术应用对国民生活与安全生产具有重要意义。1 绪论1.1 我国漏电保护的发展我国研究漏电保护器起步晚于国外，前苏联1949年研制的用于中性点绝缘系统的漏电保护装置于20世纪50年代初被引进我国，并在全国的矿井中推广使用，大量的在国内放置的产品（JY82型）还一直延续使用到现在，对我国供电安全和安全技术研究起了重要作用。进入20世纪60年代，我国为了满足生产发展的需要，根据这一原理，又自选设计和制造了多种形式的矿用隔爆型检漏继电器，如JL80型、JL82型和JJKB30型等，分别用于井下660V和1140V电网，取得了很好的效果。20世纪70年代后期，随着综合机械化采煤技术的发展，我国先后从英国、德国、前苏联、波兰和日本等国引进了数百套综合机械化采煤机组，各种类型的漏电保护装置和电路也随配套的供电控制设备同时引进，这些引进技术对促进我国漏电保护技术的发展有重要作用。各种引进的漏电保护装置，有直流检测型的，有零序电流型的，有零序电压型的，也有零序功率方向型的，他们各有所长，很值得我们学习借鉴。进入二十世纪七十年代以后，我国用电量逐年增加，触电事故也逐年增加，因此引起各部门的重视。在各部门的努力下，开始研制漏电保护器。1986年制定了国家标准GB6829漏电电流动作保护器（剩余电流动作保护器）1995年进行了重新修订，明确规定了漏电保护其产品的质量要求、工作条件和试验方法，从此我国漏电保护其产品的设计和生产进入科学化、规范化阶段，产品系列逐步齐全，产品质量稳步提高，并逐步强制规定用户安装漏电保护器。我国漏电保护器的生产和应用起步较晚，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。经过80年代和90年代的自行研制、开发，引进国外先进技术，取得了较大的进展，已形成一个品种完善，规格齐全，负荷IEC国际标准的漏电电流保护器产品系列。在低压电网的安全保护中，尤其是农村低压电网的安全保护中发挥了重要的作用。我国生产的剩余电流保护器绝大部分为电子式的，约占剩余电流保护器的90%左右。电磁式剩余电流保护器因制造成本高、价格贵，使用量较少，目前仅占10%左右。主要种类有：家用及类似用途剩余电流断路器、剩余电流断路器（主要由低压塑壳断路器派生而成）、移动式剩余电流保护器和剩余电流继电器等。至今为止，国内外又相继研究出了一些新的漏电保护方式，如旁路接地技术、选择性自动复电技术、微机在漏电保护中的应用等，为构成全面、完善的漏电保护系统创造了条件。整个漏电保护技术与设备，正在朝着快速断电、保护方式多元、微机智能综合的方向发展。1.2 国外研究状况漏电保护技术是从二十世纪初在西欧国家发展起来的。漏电保护装置的发展大约经历了三个阶段，即初始阶段、发展阶段和成熟阶段。1921年德国正式发明了电压动作性漏电保护器，主要用于保护设备外壳漏电。自此，德国的VDE规程及英国的BS规程均制定了有关电压动作型漏电保护器的标准。但是由于电压型漏电保护装置结构复杂、受外界干扰动作特性稳定性差、制造成本高、过电压容易损坏漏电保护器等缺点，现在已经被淘汰使用，取而代之的是电流型漏电保护装置。英国早在1930年就开始在磁力起动机里装设漏电保护装置，由于当时采用的是变压器中性点直接接地的供电系统。故保护装置采用了零序电流保护原理，随后其他国家也相继使用。法国人在1940年制成了世界上第一台灵敏度为10mA，切断时间为0.1S的电流型漏电保护器。但由于当时磁性材料的发展尚未达到一定的水平，并且制造灵敏的脱扣机构的技术不完善。因此在第二次世界大战之前，漏电保护器未能大批量生产并用于工程实际中去。第二次世界大战以后，随着电器化进程的加快，电器设备用量日趋增加，触电及电气火灾的可能性也与日俱增。因此人们对漏电保护器寄予很大的希望。前苏联1949年研制了用于中性点绝缘系统的漏电保护装置（PYB型防爆漏电继电器），它采用了附加直流电源的直流检测原理。西德在50年代就开始批量生产漏电开关，但是将漏电保护装置真正作为触电保护手段用于实际工程则是在60年代以后的事情。1956年德国开始批量生产电流型保护器，1962年美国研制成功了灵敏度为5mA的电流型漏电保护器，英国生产了额定漏电动作电流为30mA，额定工作时间为30mS高灵敏快速型漏电保护器。60年代后期，西欧各国漏电保护器的发展已趋于完善。到二十世纪七十年代各国开始制定规程强制在一些场所安装漏电保护器。1.3本文所做工作本课题的研究对象是中性点不接地的低压电网系统，研究重点放在发生单相漏电故障时，通过对中性点不接地低压电网的漏电分析，提出了根据零序电流判断漏电、根据相电压的变化判断漏电相的判据，并通过单片机将漏电保护理论应用于漏电保护装置之中。具体工作主要有：1.查阅有关漏电保护的资料，了解漏电保护器的历史、现状及发展趋势；2.分析中性点不接地的低压电网发生单相漏电故障、两相漏电故障的原理及参数变化；3.提出了一种以单片机为核心，以零序电流法和最低幅值选相法为判据的新型智能漏电保护装置的设计方案；4.熟悉单片机运行原理及软件编程，结合本装置的硬件电路图对漏电保护装置进行软件编程及调试，实现了能够快速判断电网是否发生漏电，鉴别漏电相并发出报警及切除故障信号的新型漏电保护装置；5. 通过实验模拟低压电网发生单相漏电故障的电路。本装置的软件采用模块化设计方法。软件的总体结构分为数据采集模块、数据处理模块、显示模块。采用模块化设计方案将系统程序简化为若干相对独立的程序模块，各模块单独设计、编程、调试和查错，然后整体联调，大大简化了设计和调试中的工作量，并且为后续功能扩展和系统维护打下了良好的基础。2 漏电原理及分析2.1漏电分析电网一旦发生漏电故障，原来三相对称的运行状态就要发生变化，绝大部分情况下其对地的对称性遭到破坏，因而各相对地电压不再对称，并产生零序电压和零序电流等新的参数。运用对称分量法、节点电压法及戴维南定理等理论，可以对供电单元发生漏电时的状态进行升入的定量分析，分析的结果将为设计完善可靠的漏电保护系统提供理论根据。由于三相电源的中性点不接地，所以不论电网发生什么类型的漏电故障，电网的线电压将不发生变化，仍是三相对称的。单相漏电和两相漏电均属于不对称故障，故障发生后，电网各相对地电源就不再对称，并且变压器中性点也要发生位移，产生对地电压（零序电压），如果系统中有零序回路，则在回路中有零序电流流通。考虑到低压电网与其各相对地的绝缘阻抗可以构成一具有一个节点的网络，故采用节点电压法来进行漏电分析较为方便，但这种分析方法要用到的零序电压、零序电流及零序阻抗的概念，出自对称分量法的理论。针对一个节点的网络，节点电压法的定义为：联到节点的各支路电动势和该支路阻抗之商的向量和，等于该节点电压与联到该节点各支路阻抗并联值之商。即 /=) （2-1）式中节点电压； 联到节点的所有支路阻抗并联值（理解为节点内所有支路）； 节点内各支路的电动势 与各同支路的阻抗 当忽略变压器、线路等元件的阻抗后，正常时电网的电源中性点N与大地之间只有3个支路并联，并分别由各相电动势与各相对地的零序阻抗组成，故构成一具有一个节点的网络。发生单相漏电或两相漏电时，就相当于在漏电相的零序阻抗上并联了过渡电阻，这样，我们就可以直接应用节点电压法求出中性点与大地的电位差，即零序电压，进而根据边界条件和回路电压定律求得其他故障参数的表达式。2.1.1 利用节点电压法分析单相漏电单项漏电时情况如图2-1所示。图中变压器二次侧中性点不接地，为相漏电的过渡电阻，其变化范围约为011K,为个相对地绝缘电阻，为各相对地电容。对于漏电回路，变压器、线路及大地的阻抗均为欧姆数量级及以下，远小于r和容抗,可以忽略。正常时电网的电源中性点N与大地之间只有三条支路并联，并分别由各相电动势与各相对地的零序阻抗组成，故构成一具有一个节点的网络。发生单相漏电或两相漏电时，相当于在漏电相的零序阻抗上并联了过渡电阻，因而可以直接应用节点电压法求出中性点与大地的电位差，进而根据边界条件和回路电压定律求得其故障参数的表达式。此时的零序电路如图2-2所示。图 2-1 利用节电电压法分析单项漏电的电路图N点为变压器二次侧中性点，N为大地，设在L1相发生单相漏电，过渡电阻为Rtr。显然当未发生单相接地时，电路相当于三项对地接有一阻抗为ZZS的三相星形负载，根据公式（2-1）可得VNN=0，也就是不产生零序电压，因此也不会有零序电流，三相对地只有较小的各相泄漏电流，并在地中达到平衡。 图 2-2 单相漏电的等效电路图N点为变压器二次侧中性点，N为大地，设在L1相发生单相漏电，过渡电阻为Rtr。显然当未发生单相接地时，电路相当于三项对地接有一阻抗为ZZS的三相星形负载，根据公式（2-1）可得VNN=0，也就是不产生零序电压，因此也不会有零序电流，三相对地只有较小的各相泄漏电流，并在地中达到平衡。需要说明的是电网每相对地零序阻抗ZZS的含义。由于电网为中性点绝缘系统，入地的漏电电流Igr必须经过非故障相的绝缘电阻r2,r3和对地电容C2 ,C3构成回路，故ZZS是电网每相对地绝缘电阻r和电容容抗Xc并联以后的阻抗值（电缆线路对地感抗很小可忽略）。 (2-2)式中XC=1/WC , W=2f=314当发生单相漏电时，相当于在L1相的零序阻抗ZZS上又并联了一个过渡电阻Rtr，因而破坏了原由ZZS组成的三相星形负载的对称性。根据公式（2-1），并令Rtt与ZZS的并联值为，故得零序电压 = = = = = （2-3）式中a、向量算子； 各相零序电流 （2-4）根据回路电压定律得故障相的对地电压 （2-5）同理，非故障相的对地电压 (2-6) (2-7)电网经入地的漏电电流 (2-8)与各相对地电压的向量关系图如2-3所示图 2-3 各相对地电压的向量关系图2.1.2 利用节点电压法分析两相漏电等效电路如图2-5所示，分别在两相发生了经过过渡电阻，同样破坏了原由三个上各并联了一个电阻，同样破坏了原由三个所组成的三相星形负载的对称性。图2-4两相漏电的等效电路图利用节点电压法，可以求得两相漏电各故障参数的向量表达式如下： (2-9) (2-10) (2-11) (2-12) (2-13)电网经入地的各相漏电电流，可据边界条件求得 (2-14) (2-15)电网的总入地漏电电流 (2-16)2.2 漏电保护原理2.2.1零序电流保护原理零序电流保护的基本原理是基于基尔霍夫电流定律：流入电路中任一节点的复电流的代数和等于零，即I=0，它是用零序CT（电流互感器）作为取样元件。在线路与电气设备正常的情况下，各相电流的矢量和等于零（对零序电流保护假定不考虑不平衡电流），因此，零序CT的二次侧绕组无信号输出（零序电流保护时躲过不平衡电流），执行元件不动作。当发生接地故障时的各相电流的矢量和不为零，故障电流使零序CT的环形铁芯中产生磁通，零序CT的二次侧感应电压使执行元件动作，带动脱扣装置，切换供电网络，达到接地故障保护目的。各支路零序电流互感器零序电压互感器复式电源低通滤波 零序有功检测环节数模转换器单片机报警提示打印RS232 图2-5 整体系统结构框图零序电流互感器的作用漏电保护器通过电流互感器检测取得异常讯号，经过中间机构转换传递，使执行机构动作，通过开关装置断开电源。 电流互感器的结构与变压器类似，是由两个互相绝缘绕在同一铁心上的线圈组成。当一次线圈有剩余电流时，二次线圈就会感应出电流。2.3 漏电保护器的分类漏电保护器（剩余电流动作保护器）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时断开被保护电路的装置。2.3.1 按漏电保护装置中间环节的结构特点分类（1）电磁式漏电保护装置。其中间环节为电磁元件，有电磁脱扣器和灵敏继电器两种形式。电磁式漏电保护装置因全部采用电磁元件，使得其耐过电流和过电压冲击的能力较强，因而无需辅助电源，当主电路缺相时仍能起漏电保护作用。但其灵敏度不易提高，且制造工艺复杂，价格较高。（2）电子式漏电保护装置。其中间环节使用了由电子元件构成的电子电路，有的是分立元件电路，也有的是集成电路。中间环节的电子电路用来对漏电信号进行放大、处理和比较。其特点是灵敏度高、动作电流和动作时间调整方便、使用耐久。但电子式漏电保护装置对使用条件要求严格，抗电磁干扰性能较差，当主电路缺相时，可能会因缺失辅助电源而丧失保护功能。2.3.2 按结构特征分类（1）开关型漏电保护装置。它是一种将零序电流互感器、中间环节和主要开关组合安装在同一机壳内的开关电器，通常称为漏电开关或漏电断路器。其特点是：当检测到出点、漏电后，保护器本身即可直接切断被保护主电路的供电电源。这种保护器有的还建有短路保护及过载保护。（2）组合型漏电保护装置。它是一种由漏电继电器和主开关通过电气连接组合而成的漏电保护装置。当发生触电、漏电故障时，有漏电继电器进行信号检测、处理和比较，通过其脱扣器或继电器动作，发出报警信号；也可通过控制触电去操作主开关切断供电电源。漏电继电器本身不具备直接断开主电路的功能。2.3.3 按安装方式分类（1）固定位置安装、固定接线方式的漏电保护装置；（2）带有电缆的可移动使用的漏电保护装置。2.3.4 按极数和线数分类按主开关的极数和穿过零序电流互感器的线数可将漏电保护装置分为：单级二线漏电保护装置、二极漏电保护装置、二极三线漏电保护装置、三极漏电保护装置、三极四线漏电保护装置和四极漏电保护装置。其中，单级二线漏电保护装置、二极三线漏电保护装置、三极四线漏电保护装置均有一根直接穿过零序电流互感器而不能被主开关断开的中性线。2.3.5 按运行方式分类（1）不需要辅助电源的漏电保护装置（2）需要辅助电源的漏电保护装置。此类中又分为辅助电源中断时可自动切断的漏电保护装置和辅助电源中断时不可自动切断的漏电保护装置。2.3.6 按动作时间分类按动作时间可将漏电保护装置分为：快速动作型漏电保护装置、延时型漏电保护装置和反时限型漏电保护装置。2.3.7 按动作灵敏度分类按动作灵敏度可将漏电保护装置分为：高灵敏度型漏电保护装置、中灵敏度型漏电保护装置和低灵敏度型漏电保护装置2.4 漏电保护装置的主要参数2.4.1 关于漏电动作性能的技术参数 关于漏电动作性能的技术参数是漏电保护装置最基本的技术参数，包括漏电动作电流和漏电动作时间。（1）额定漏电动作时间（）。它是指在规定的条件下，漏电保护装置必须动作的漏电动作电流值。该值反映了漏电保护装置的灵敏度。我国标准规定的额定漏电动作电流值为：6mA，10mA，（15mA），30mA，（50mA），(75mA),100mA,(200mA),300mA,500mA,10000mA, 20000mA共15个等级（带括号的值不推荐优先采用）。其中，30mA及其以下者属高灵敏度，主要用于防止各种人身触电事故；30mA以上至1000mA者属于中灵敏度，用于防止触电事故和漏电火灾；1000mA以上者属低灵敏度，用于防止漏电火灾和监视一相接地事故。（2）额定漏电不动作电流（）。它是指在规定的条件下，漏电保护装置必须不动作的漏电不动作电流值。为了防止误动作，漏电保护装置的额定不动作电流不得低于额定动作电流的1/2。（3）漏电动作分断时间。它是指从突然施加漏电动作电流开始到被保护电路完全被切断为止的全部时间。为适应人身触电保护和分级保护的需要，漏电保护装置有快速型、延时型、和反时限型三种。快速型适用于单级保护，用于直接接触触电击防护时必须选用快速型的漏电保护装置。延时型漏电保护装置认为的设置了延时，主要用于分级保护的首段。反时限型漏电保护装置是配合人体安全电流时间曲线而设计的，其特点是漏电电流越大，则对应的动作时间越小，呈现反时限动作特性。快速型漏电保护装置动作时间与动作电流的乘积不应超过30mA.s。我国标准规定漏电保护装置的动作时间如表（2-1）所示，表中额定电流40A的一栏适用于组合型漏电保护装置。延时型漏电保护装置延时时间的优选值为：0.2s，0.4s，0.8s，1s，1.5s，2s。表 2-1 漏电保护装置的动作时间额定动作电流In/ma额定电流/A动作电流/SIn2In0.5A5In30任意值0.20.10.0430任意值0.20.10.04400.20.15 2.4.2 其他参数漏电保护装置的其他技术参数的额定值主要有：（1）额定频率为50Hz；（2）额定电压为220V或380V；（3）额定电流（）为 6A，10A,16A，20A，25A，32A，40A，50A，(60A)，63A，(80A)，100A，(125A)，160A，200A，250A（带括号的值不推荐优先采用）。3 漏电保护装置的结构及原理3.1 漏电保护装置的结构电气设备漏电时，将呈现出异常的电流和电压信号。漏电保护装置通过检测此异常电流或异常电压信号，经信号处理，促使执行机构动作，借助开关设备迅速切断电源。根据故障电流动作的漏电保护装置是电流型漏电保护装置，根据故障电压动作的是电压型漏电保护装置。早期的漏电保护装置为电压型漏电保护装置，因其存在结构复杂、受外界干扰动作特性稳定性差、制造成本高等缺点，已逐步被淘汰，取而代之的是电流型漏电保护装置。电流型漏电保护装置得到了迅速的发展，并占据了主导地位。目前，国内外漏电保护装置的研究生产及有关技术标准均以电流型漏电保护装置为对象。漏电保护装置的组成：图3-1是漏电保护装置的组成方框图。其构成主要有三个基本环节，即检测元件、中间环节（包括放大元件和比较元件）和执行机构。其次，还有辅助电源和试验装置。实 验 装 置执行机 构比较 元 件放大元 件检测元 件中间环节辅 助 电 源图 3-1 漏电保护器组成框图1.检测元件 它是一个零序电流互感器。被保护主电路的相线和中性线穿过环形铁心构成了零序电流互感器的一次线圈，均匀缠绕在环形铁芯上的绕组构成了互感器的二次线圈。检测元件的作用是将漏电电流信号转换为电压或功率信号输出给中间环节。2.中间环节 该环节对来自零序电流互感器的漏电信号进行处理。中间环节通常包括放大器、比较器、继电器等，不同形式的漏电保护装置在中间环节的具体构成上形式各异。3.执行机构 该机构用于接收中间环节的指令信号，实施动作，自动切断故障处的电源。执行机构多为带有分离脱扣器的自动开关或交流接触器。4.辅助电源 当中间环节为电子式时，辅助电源的作用是提供电子电路工作所需要的低压电源。5.实验装置 这是对运行中的漏电保护装置进行定期检查时所使用的装置。通常是用一个限流电阻和检查按钮相串联的支路来模拟漏电的路径，以检验装置能否正常动作。3.2 漏电判断原理本课题实现了能够快速判断电网是否发生漏电，鉴别漏电相并发出报警及切除故障信号的新型漏电保护装置。主要通过零序电流保护原理判断电网是否发生漏电，通过最低幅值选相法判断漏电相。3.2.1漏电判断原理零序电流保护的基本原理是基于基尔霍夫电流定律：流入电路中任一节点的电流的代数和等于零，即=0，它是用零序电流互感器作为取样元件。在线路与电气设备正常的情况下，各相电流的矢量和等于零（对零序电流保护假定不考虑不平衡电流），因此，零序电流互感器的二次侧绕组无信号输出（零序电流保护时躲过不平衡电流），执行元件不动作。当发生接地故障时的各相电流的矢量和不为零，故障电流使零序电流互感器的环形铁芯中产生磁通，零序电流互感器的二次侧感应电压使执行元件动作，带动脱扣装置，切换供电网络，达到接地故障保护的目的。零序电流互感器具体应用可在三相线路上各装一个电流互感器（C.T），或让三相导线一起穿过一零序电流互感器，也可在中性线N上安装一个零序电流互感器，利用这些电流互感器来检测三相的电流矢量和，即零序电流I0，Ia+Ib+IC=0，当线路上所接的三相负荷完全平衡时（无接地故障，且不考虑线路、电器设备的泄漏电流），I0=0；当线路上所接的三相负荷不平衡，则I0=IN，此时的零序电流为不平衡电流IN；当某一相发生接地故障时，必然产生一个单相接地故障电流Id，此时检测到的零序电流I0=IN+Id，是三相不平衡电流与单相接地电流的矢量和。如果在三相四线中接入一个电流互感器，这时感应电流为零。当电路中发生触电或漏电故障时，回路中有漏电电流流过，这时穿过互感器的三相电流相量和不等零，其相量和为：Ia+Ib+IC=I(漏电电流）这样互感器二次线圈中就有一个感应电压，此电压加于检测部分的电子放大电路，与保护区装置预定动作电流值相比较，如大于动作电流，即使灵敏继电器动作，作用于执行元件掉闸。这里所接的互感器称为零序电流互感器，三相电流的相量和不等于零，所产生的电流即为零序电流。图3-2是某三相四线制供电系统的漏电保护原理图。现通过此图，对漏电保护装置的原理进行说明。图 3-2 漏电保护器工作原理在被保护的电路工作正常、没有发生漏电或触电的情况下，由基尔霍夫定律可知，通过电流互感器一次侧电流的向量和等于零。这使得电流互感器一次铁芯中磁通的向量和也为零。电流互感器二次侧不产生感应电动势。漏电保护装置不动作。系统保持正常供电。当被保护电路发生漏电或有人触电时，由于漏电电流的存在，通过电流互感器一次侧的各相负荷电流的向量和不再等于零，即产生了剩余电流。这就导致了铁芯中磁通的向量和也不再为零，即在铁芯中出现了交变磁通。在此交变磁通作用下，TA二次侧线圈就有感应电动势产生。此漏电信号经中间环节进行处理和比较，当达到预定值时，是主开关分励脱扣线圈TL通电，驱动主开关QF自动跳闸，迅速切断被保护电路的供电电源，从而实现保护。3.2.2 漏电相选择原理当电网发生单相漏电时，在一定的条件下，故障相的对地电压总是最低的，利用这一特点而构成的选相方法叫最低幅值选相法。由采样电路取出三相对地电压Ua、Ub、UC，电网正常时他们数值基本相等并与相电压成相同的比例；当电网发生单相漏电时，三者数之商有较大的差异，漏电相电压低于其他两相。根据最低幅值选相法我们可以选择出漏电相。表3-1为660V电网单相漏电时的各相电压。表 3-1 660V电网单相漏电时的各相电压根据实验室条件零序电流与各相电压漏电保护原理进行了实验室实验。由于实验室条件有限，我们模拟的电网如图3-3：图 3-3模拟电网线路为了更好的得到试验结果我把电压调到了22V/38V，R1=20，R2=7.5，漏电电阻R0=07.5。因实验室没有电容，故约去。假如线路发生C相漏电，则全电网C相对地电压会降低，A、B两相会升高。中性点电压变为 (2-34) 即为零序电压，式中则有 (2-35) (2-36)3.3单片机的选用 单片微型计算机简称单片机。它把组成微型计算机的各功能部件：中央处理器、CPU随机存取存储器RAM、只读存储器ROM、可编程存储器EPROM、并行及串口输入输出I/O接口电路、定时器中断控制器等部件集成在一块半导体芯片上，构成一个完整的卫星计算机。随着大规模集成电路技术的发展，单片机内还包含A/D、D/A转换器、告诉输入/输出部件、DMA通道、浮点运算等新的特殊功能部件。由于它的结构和指令功能都是按工业控制要求设计的，特别适合于工业控制及控制有关的数据处理场合。3.3.1 MCS51单片机系列单片机简介单片机经历了4位单片机、8位低档单片机、8位高档单片机、16位单片机等各个阶段，现在正向高性能、高速度、高集成度、大容量、多功能、低功耗、加强10能力及结构兼容的32位和双CPU方向发展。尽管单片机的种类很多，但从国内情况来看，使用最广泛的仍是MCS51系列。从MCS48单片机发展到如今的新一代单片机，大致经历了三代。如以Intel8单片机为例，这H代的划分大致如下：第一代：以MCS48系列单片机为代表。其主要的技术特征是将CPU和计算机外围电路集成到了一个芯片上，在与通用CPU分道扬镳、构成新型工业微控制器方面取得了成功，为单片机的进一步发展开辟了成功之路。第二代：以MCS51系列的8位单片机为代表。MCS51系列 8位高档单片机是在总结MCS48系列单片机的基础上，于80年代初推出的新产品。其主要的技术特征是：（1）扩大了片内存储容量、外部寻址空间：程序存储器和片外数据存储器的寻址都增加到64KB。（2）增强了并行口、增设了全双工串行口 IO： 4个8位并行1O接口，可用于地址和数据的传送，也可与8243、8155等连接，进行外部1O接口的扩展；串行1O接口，是一个全双工串行通信日，可用于数据的串行接收和发送，为构成串行通信网络提供了方便。（3）增加了定时器计数器的个数并扩展了长度：定时器计数器由一个增为两个（805为三个），计数长度由8位增为16位，且有4种工作方式。这样，既提高了定时计数范围，又使用户使用灵活方便。（4）增强了中断系统：设置有2级中断优先级，可接受5个中断源的中断请求，中断优先级别可由用户定义。这样，就使 MCS51单片机很适合用于数据采集与处理、智能仪器仪表和工业过程控制。（5）具备较强的指令寻址和运算等功能：有 111条指令，可分为 4大类。使用了7种寻址方式。这些指令44%为单字节指令，41%为双字节指令，15%为三字节指令。若用12MHZ的晶体频率,50%指令可在11S内执行完毕，而40%指令可在 2S内执行完毕。此外，还设有减法、比较和 8位乘、除法指令。乘。除法指令的执行时问仅为4S。这样，大大提高了 CPU的运算与数据处理能力。（6）增设了颇具特色的布尔处理机：在指令系统中设置有位操作指令，这些位操作指令与位寻址空间一起构成布尔处理机。布尔处理机对于实时逻辑控制处理具有突出的优点。第三代：以80C51系列单片机为代表。它包括了Intel公司发展 MCS51系列的新一代产品，如 8XC152、80C5lFA FB、80C5 1GA GB、SXC451、8XC452，还包括了Philips、Siemens、AMD、OKI、ATMEL等公司以 80C51为核心推出的大量各具特色、与 MCS51引兼容的单片机。80C51系列单片机是在MCS48的HMOS基础上发展起来的，它们具有CHMOS结构。它保留了MCS48单片机的所有特性，内部组成基本相同。同时80C51系列单片机增设了两种可以用软件进行选择的低功耗工作方式：空闲方式和掉电方式。50C51系列单片机产品中增加了一些外部接口功能单元，如 AD、PWM、PCA（可编程计数器阵列）、WDT（监视定时器）、高速10接口、计数器的捕获比较逻辑等。此外，由于80C51系列采用了CMOS技术制造而成，较之MCS48系列集成度高、速度快、功耗低。因此 80C51系列单片机得到了广泛的应用。3.3.2 单片机外部引脚说明MCS51系列单片机芯片均为40个引脚，HMOS工艺制造的芯片采用双列直插（DIP）方式封装，下面以8051为例分析和说明下各个引脚的功能。如图3-5所示MCS51系列单片机的40个引脚中有2个专用于主电源的引脚，2个外接晶体的引脚，4个控制或与其它电源复用的引脚，以及32条输入输出I/O引脚。下面按引脚功能分为4个部分叙述各引脚的功能。1.主电源引脚VCC和VSSVCC（40脚）：接+5V电源正端；VSS（20脚）：接+5V电源地端。图3-5 8051单片机管脚示意图2.主电源引脚VCC和VSSVCC（40脚）：接+5V电源正端；VSS（20脚）：接+5V电源地端。3.外接晶体引脚XTAL1和XTAL2XTAL1（19脚）：接外部石英晶体的一端。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了内振荡器。当采用外部时钟时，对于HMOS单片机，该引脚接地；对于CHMOS单片机，该引脚作为外部振荡信号的输入端。XTAL2（18脚）：接外部晶体的另一端。在单片机内部，接至片内振荡器的反相放大器的输出端。当采用外部时钟时，对于HMOS单片机，该引脚作为外部振荡信号的输入端；对于CHMOS芯片，该引脚悬空不接。4.控制信号或与其它电源复用引脚控制信号或与其它电源复用引脚有、等4种形式。（1）（9脚）：RST即为RESET，为备用电源，所以该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。当单片机振荡器工作时，该引脚上出现持续两个机器周期的高电平，就可实现复位操作，使单片机回复到初始状态（复位电路将在我的硬件设计中给出说明）。当VCC发生故障、降低到低电平规定值或掉电时，该引脚可接上备用电源（+50.5V）为内部RAM供电，以保证RAM中的数据不丢失。（2）（30脚）：当访问外部存储器时，ALE（允许地址锁存信号）以每机器周期两次的信号输出，用于锁存出现在P0口的低8位地址。在不访问外部存储器时，ALE殿仍以上述不变的频率（振荡器频率的1/6），周期性地出现正脉冲信号，可作为对外输出的时钟脉冲或用于定时目的。但要注意，在访问片外数据存储器期间，ALE脉冲会跳过一个，此时作为时钟输出就不妥当了。对于片内含有EPROM的单片机，在EPROM编程期间，该引脚作为编程脉冲的输入端。（3）（29脚）：片外程序存储器读选通信号输出端，低电平有效。当从外部程序存储器读取指令或者常数期间，每个机器周期两次有效，以通过数据总线口读回指令或常数。当访问外部数据存储器期间，信号将不出现。（4）（31脚）：为访问外部程序存储控制信号，低电平有效。当端保持高电平时，单片机访问片内程序存储器4KB（MCS52子系列为8KB）。若超出该范围时，自动转去执行外部程序存储器的程序。当端保持低电平时，无论片内有无程序存储器，均只访问 程序存储器。对于片内含有EPROM的单片机，在EPROM编程期间，该引脚用于接21V的编程电源。5.输入/输出（I/O）引脚P0口、P1口、P2口及P3口（1）P0口（39脚32脚）：P0.0P0.7统称为P0口。当不接外部存储器与不扩展I/O接口时，它可作为准双向8位输入/输出接口。当接有外部存储器或扩展I/O接口时，P0口为地址/数据分时复用口。它分时提供8位地址总线和8位双向数据总线。对于片内含EPROM的单片机，当EPROM编程时，从P0口输入指令字节，而当检验程序时，则输出指令字节。（2）P1口（1脚8脚）：P1.0P1.7统称为P1口，可作为准双向I/O接口使用。对于MCS52子系列单片机，P1.0和P1.1还还有第2功能：P1.0可用作定时器/计数器2的计数脉冲输入端T2；P1.1用作定时器/计数器2的外部控制端T2EX。对EPROM编程和进行程序验证时，P1口接收输入的低8位地址。（3）P2口（21脚28脚）：P2.0P2.7统称为P2口，一般可作为准双向I/O接口。当接有外部存储器或扩展I/O接口且寻址范围超过256个字节时，P2口用于高8位地址总线送出高8位地址。对于EPROM编程和进行程序验证时，P2口接收输入的高8位地址。（4）P3口（10脚17脚）：P3.0P3.7统称为P3口。它为双功能口，可以作为一般的准双向I/O接口，也可以将每1位用于第2功能，而且P3口的每一条引脚均可独立定义为第1功能的输入或第2功能。P3口的第2功能详见表3-2。表 32 P3口第2功能表综上所述，MCS51系列单片机的引脚作用可归纳为以下两点：（1）单片机功能多，引脚数少，因而许多引脚都具有第2功能；（2）单片机对外呈3总线形式，由P2、P0口组成16位地址总线；由P0口分时复用作为数据总线；由ALE、RST、与P3口中的、T0、T1、共10个引脚组成控制总线。由于是16位地址线，因此，可使外部存储器的寻址范围达到64KB。4 选择性漏电保护系统的软件开发4.1软件设计的总体思想对于一个实际的应用系统来说，往往需要从硬件、软件两个方面进行设计。硬件电路是实现预定功能的基础，是漏电保护器的“肢体”，是整个设计任务的第一步。而所有功能的实现和可靠运行，还依赖与完整的软件设计。即软件是设计任务的关键，是灵魂。在设计系统的指挥下，漏电保护器才能够完成一系列的保护工作。软件是系统的指挥中心，性能优良的软件是保证系统高效、可靠、安全工作的技术保障。根据保护系统的控制原则和技术要求，使用C语言进行编程。C语言是一种应用广泛的高级语言，他具有功能丰富、表达能力强、目标代码效率高、可移植性好等优点，同时它还具有位操作等许多低级语言的特点，非常适合用来开发单片机等嵌入式应用程序。在进行软件设计时，常用的设计方法有三种：模块化程序设计、自顶向下逐步求精程序设计、结构化程序设计。由于实际的单片机控制系统的功能复杂、信息量大、程序较长，所以选用切合实际的程序设计方法就显得相当重要。由于模块化程序设计的中心思想是把一个复杂应用程序按整体功能划分成若干相对独立的程序模块，各模块可以单独设计、编程、调试、和差错，然后装配起来联调，最终成为一个完成一个功能，具有实用价值的程序。本文中采用了模块化程序设计方法设计了保护系统的主控程序和各功能模块程序，并给出了程序框图。试验表明，采用模块化结构程序设计方法设计调试方便，编程效率高。4.1.1软件设计原则软件设计包括拟定程序的总体方案并画出程序流程图、编制具体程序、程序的检查修改、程序调试等步骤。（1）程序的总体设计程序设计首先要拟定设计的总体方案，由于一个实际的控制系统功能复杂、信息量大、程序较长，因此需要选用切实可行的程序设计方法。该系统使用结构化程序设计方法，把一个较大的程序划分为若干个具有独立功能的子程序，各子程序分别进行编译、调试，最后链接成一个统一的整体。在设计过程中，应确定出具体功能模块的数学模型和算法，并转换成计算机可以处理的形式，最后绘制出各功能模块和总体设计的流程图。（2）程序的编制程序流程图绘制成功后，整个程序的轮廓和思路已十分清楚。设计者就可以进行编制程序。首先要统筹考虑和安排一些全局问题，如:程序地址空间分配、工作寄存器安排、数据结构、端口地址和输入/输出格式等。然后就可以依照程序流程图来编出目标程序。（3）程序的检查和修改实际的应用程序编好后，往往会有不少潜在隐患和错误，这是不足为奇的。但如果这些隐患和错误不加排除和修改很容易产生并发症，使得本来很好的程序陷入不可收拾的地步。因此，源程序编好后在上机调试前进行静态检查是十分必要的。（4）程序的调试程序经过检查直到没有错误后，就可以进入调试过程，调试过程的主要目的是检验编制的程序是否符合实际功能，各模块子程序之间配合是否协调，是否存在漏洞以及程序优化等，最后完成系统的总体程序设计。4.1.2本课题要实现的主要功能本课题主要研究的智能漏电装置主要实现以下功能：（1）检测零序电流（2）判断电路是否漏电（3）判断漏电相（4）显示零序电流（5）按键设置整定值4.1.3程序构成程序主要由数据采集、漏电故障判断、漏电故障相判断、控制信号输出、报警等部分组成。数据采集主要将A/D转换的数据读入计算机，A/D转换出发工作方式采用软件出发，即在软件操作下，选通某一输入通道，将该通道模拟输入信号送入采样保持器，然后通过单稳电路启动A/D转换开始。当A/D转换完成时，转换完成为寄存器被置为“1”。当软件查询到这个状态位为“1”时，即将数据读入到计算机内存中。漏电故障判断及漏电故障相判断，这部分程序主要实现故障的判断功能，即通过检测到的各信号判断是否漏电，