智能漏电保护器的设计

1、0 引言当今，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

2、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。随着微电子技术的不断发展，微处理器芯片的集成度越来越高，已经可以在一块芯片上同时集成cpu、存储器、定时器/计数器、并行和串行接口、看门狗、前置放大器甚至a/d, d/a转换器等电路。人们把这种超大规模集

3、成电路芯片称作“单片微控制器”，简称单片机2。单片机的出现，引起了仪器仪表结构的根本性变革。目前在研制高精度、高性能、多功能的测量控制仪表时，几乎没有不考虑采用微处理器使之成为智能仪表的，而在仪器仪表中使用最多的微处理器就是单片机。在数据采集系统中采用单片机技术，使之成为智能仪表后能够解决许多传统仪表不能或不易解决的问题。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。将单片机技术应用到剩余电流断路器可以提高其可靠性，实现更适用用户的多功能的保

4、护。因此，采用单片机技术的剩余电流断路器在功能的实现方面具有较强的优势3。1 漏电保护器发展现状和设计任务漏电保护器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。1912年德国正式发明了电压型保护器，保护电机外壳漏电。1930年欧洲国家开始采用电压型保护器。1940年法国人发明了电流型保护器。1956年，德国开始生产电流型保护器。在1962年美国研制成功灵敏度为5ma的电流型保护器，标志漏电保护器开始进入发展阶段，德、日、法等国也相继研制成功灵敏度为30ma的电流型保护器4。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，标志漏电保护器的发展进入成熟阶段。我国研

5、究漏电保护器起步要晚于国外，进入二十世纪七十年代以来，我国用电量逐年增加，触电事故也逐年增加，因此引起各部门的相当重视。近年来，我国在漏电保护器方面的科研、生产、应用有了较大的发展，国家标准主管部门先后组织编制了保护器产品标准、使用标准；此外，原国家机械委还制订了相关的产品行业标准；此外，国家建设部在gb50054低压配电设计规范和gb50096住宅设计规范等国家标准中，对低压配电系统和住宅中漏电保护器的应用均作了规定。国家标准要求漏电保护器在投入运行后，使用单位应建立运行记录及相应的管理制度，每月需在通电状态下，按动实验按钮，检查漏电保护器动作是否可靠。雷雨季节应增加检查次数。但是该试验只能

6、用来检查漏电保护器的脱扣功能，不能用来校核额定漏电动作电流和分断时间的数值。所以国家标准还规定应定期进行漏电保护器的动作特性试验，测试漏电动作电流值、漏电不动作电流值和分断时间，而且，对上述试验中采用的检测仪表的精度等级做出了明确的规定。随着微电子技术的不断发展，单片机的集成度越来越高，功能越来越丰富。以单片机为主体，取代传统仪器仪表的常规测量电子线路，可以容易地将计算机技术与测量控制技术结合在一起，组成新一代的所谓“智能化测量控制系统”。在数据采集系统中采用单片机技术，能够解决许多传统仪表不能或不易解决的问题。这种新型的智能仪表在测量过程自动化，测量结果的数据处理以及功能多样化方面，都取得了

7、巨大的进展5。1.1 国外剩余电流保护技术的发展及动向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

8、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6。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

9、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器。其额定工作电压415v，额定电流63a，额定剩余动作电流为30ma、300ma，宽度为8个模数（144mm），这项技术已处于世界领先水平。由低压塑壳断路器派生的剩余电流断路器，日本发展较快，以富士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

10、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

11、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。1.2 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70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1986年指定了第一部关于剩

12、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

13、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7。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。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。从国内剩余

14、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，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。值得注意的是，安装剩余电流保护器作为

15、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。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。1.3 本设计的主要设计内容整个研究方案通过单片机对漏电保护实现智能控制，使整个装置更准确，更可靠。以单片机为主体，取代传统仪器仪表的常规测量电子线路，可以容易地将计算机技术与测量控制技术结合在一起，组成新一代的所谓“智能化测量控制系统”，本次设计内容分为以下四点。1）智能漏电保护器工作原理介绍2）智能漏电保护器整体设计方案3）智能漏电保护器硬件设计4）智能漏电保护器软件设计2 漏电保护器介绍2.1

16、 漏电保护器的工作原理漏电保护器的种类繁多，形式各异，但基本结构和工作原理相同。漏电保护器主要由三个基本环节组成，即检测元件、中间环节和执行机构，其组成方框图如图2-1所示。 图2-1 智能型漏电保护器原理框图fig.2-1 constrution of the intelligent residual current operated protectived device1）检测元件采用漏电电流互感器将采集到的电流信号转换成中间环节可以接受的电压或功率信号。2）中间环节采用运算放大器和单片机控制系统，对漏电信号进行处理和动作控制。3）执行机构采用低压断路器或交流接触器，根据中间环节发出的指令

17、，来切断保护电路的电源。零序电流互感器工作原理如图2-2所示图2-2 零序电流互感器工作原理图fig.2-2 constrution of the residual current transformer当被保护电路无触电、漏电故障时，通过漏电电流互感器ta的一次侧电流（2-1）这样，各相工作电流在此电流互感器中所产生的磁通向量和也为零，即：（2-2）因此电流互感器的二次侧线圈没有感应电动势产生，漏电保护器不动作，系统正常供电。当被保护电路中有人触电或出现漏电故障时，由于漏电电流的存在，使得通过漏电电流互感器一次侧的各相负载电流（包括中性线电流）向量和不再为零，即：（2-3） 这一向量和就是漏

18、电电流。此时在电流互感器的环形铁心上将有励磁磁势存在，磁通向量和为：（2-4）电流互感器的二次侧线圈在磁通向量和的作用下，有感应电动势产生，此信号电压经过中间环节的处理和比较，当达到预期时，使主开关的励磁线圈通电，驱动主动开关动作，迅速切断被保护电路的供电电源，从而达到防止触电事故发生的目的。2.2 漏电保护器的分类漏电保护器经过几十年的发展，已经形成了一个品种非常齐全、非常庞大的产品系列，下面将根据不同的方法将其进行分类。2.2.1 根据动作方式分类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线路，零序电流互感器二次回路的输出电压经过电子线路放大处理后再激励脱扣器，

19、称为电子式剩余电流保护器，其动作功能与线路电压有关8。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。2.2.2 根据漏电保护器的功能分类剩余电流断路器:其作用是检测剩余电流，将剩余电流值与预先设定值相比较，当剩余电流值超过预定值时，主电路触头断开，是一种机械开关电器。剩余电流继电器:检测剩余电流，将剩余电流值与预定值相比较，当剩余电流值超过预定值时，发出一个机械断开信号使机械开关电器脱扣或声光报警装置发出报警。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，作为低压电网的总保护开关或分

20、支保护开关使用。主要包括一般型剩余电流继电器、脉冲型剩余电流继电器、鉴相鉴幅型剩余电流继电器及智能型剩余电流继电器等。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，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。2.2.3 根据漏电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

21、护。剩余电流继电器和大电流剩余电流断路器均属于这种形式的剩余电流保护器。家用和类似用途的剩余电流保护器:用于城乡居民住宅等建筑物中的剩余电流保护器，一般额定电流比较小，作为终端电气线路的漏电保护装置，适合于非专业人员使用，主要是家用剩余电流断路器和移动式剩余电流保护器9。2.2.4 根据漏电保护器动作是否具有延时时间分类一般型剩余电流保护器:无故意延时，主要作为分支线路和终端线路的漏电保护装置。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动作延时时间的剩余电流保护器。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

22、。2.3 漏电保护器的国家标准近40年来，我国漏电保护器的发展，经历了自然发展阶段、组织推广阶段、规范管理阶段和普及发展阶段等四个阶段。从第三阶段开始，漏电保护器的研究、生产、使用得到了重视，管理逐渐规范标准化，并与国际标准接轨。这个期间国家标准主管部门先后组织编制了漏电保护器的产品标准：gb6829剩余电流动作保护器的一般要求；gb16916家用和类似用途带过电流保护的剩余电流断路器；gb16917家用和类似用途不带过电流保护的剩余电流断路器。有关漏电保护器的使用标准有：gb13955漏电保护器的安装和运行；gb14287电气火灾报警控制系统。原国家机械委员会还制订了相关的漏电保护产品行业标

23、准：gb8755移动式剩余电流动作保护器；gb8756剩余电流动作保护继电器。原电力部制订的行业标准dl499农村低压电力技术规程和dl493农村安全用电规程中对农村电网中安装使用漏电保护器作了有关规定。此外，国家建设部在gb50096住宅设计规范等国家标准中，对低压配电系统和住宅中漏电保护器的应用也作了相应的规定。根据gb6829-1995规定，漏电保护器的试验和检验主要分为以下几种：型式试验、定期试验、常规试验和出厂抽样试验。型式试验、定期试验和常规试验中都要求对保护器进行动作特性的验证试gb13955规定，为检验漏电保护器在运行中的动作特性及其变化，应定期进行动作特性试验，进行动作特性试

24、验时，应使用经国家有关部门检测合格的专用测试仪器，严禁利用“相线直接触碰接地”的试验方法10。这些标准和规范的制订，对保护器的生产和安装使用起到了技术指导和推动作用。另外，国家安产品质量管理部门执行产品质量认证制度，对保护器实行产品质量认证，通过认证严格控制保护器的质量，维护了使用者的权益，使漏电保护器的应用和推广得以健康发展。下面将具体介绍几个漏电保护器的主要标准。gb6829是中国第一部漏电保护器国家标准，于1986年制定，并在1995年进行了修改。gb6829标准采用了iec755标准的全部内容，但对额定接通分断能力结合我国实际情况作了适当的修正和补充。此标准适用于交流额定电压至38ov

25、、额定电流至20oa的剩余电流动作保护器，对于额定电压大于38ov但不超过1200v，额定电流超过20oa的剩余电流保护器也可采用此标准规定的基本要求。标准中的剩余电流保护器是指能同时完成检测剩余电流，将电流与基准值相比较，以及当剩余电流超过标准值时，断开被保护电路等三个功能的装置(例如剩余电流断路器)或组合装置(例如由剩余电流继电器与低压断路器或低压接触器组成的剩余电流保护器)，对只能完成上述两个功能而不能断开被保护电路的电器(如剩余电流继电器和剩余电流报警装置等)，除了必须补充技术要求外，也可采用gb6829有关的基本要求。本标准中所规定的剩余漏电保护器的主要功能是对有致命危险的人身触电提

26、供间接接触保护。额定剩余动作电流不超过0.03a的剩余电流保护器在其它保护措施失效时，也可作为直接接触保护的补充保护，但不能作为唯一的直接保护。在gb16916和gb16917制订之前，gb6829作为总的漏电保护器国家标准，规定所有类型的漏电保护器参数，而gb16916及gb16917将家用及类似用途的漏电保护器从漏电保护器中分离开，专门进行描述，而gb6829主要适用于剩余电流断路器及剩余电流继电器等，通俗的讲，gb6829标准主要适用于总级保护及中级保护漏电保护器11。在gb6829中，最重要的漏电保护器的分断时间特性如表2-1和表2-2所示。表2-1 直接接触保护用的剩余电流保护器最大

27、分断时间tab.2-1 the maximum break-lime of the residual current protector used for direct contact protecting最大分断时间/s0.25/a0.03任何值0.10.04表2-2 间接接触保护用的剩余电流保护器最大分断时间tab.2-2 the maximum break-lime of the residual current protector used for indirect contact protecting最大分断分断时间/s250.03任何值0.20.10.04400.20.15随着经济

28、的不断发展，越来越多的家用电器进入人民群众的家庭生活中，因此发生人身触电事故的可能性大大增加，有必要将家用和类似用途的剩余电流动作断路器从漏电保护器大类中分离出来，单独形成一个产品体系，并制定相应的国家标准以规范产品的性能。在这种环境下，国家在1992年制定了gb16916和gb16917，分别用于描述和规范不带过电流功能的剩余电流动作断路器(rccb)和带过电流功能的剩余电流动作断路器(rcbo)。gbi6916与 gb16917除了在与过电流功能有关的条文上有些不一致外，其核心参数:漏电流与分断时间及不驱动时间关系表都是一致的，如表2-3所示表2-3 分断时间与不驱动时间的标准值tab.2

29、-3 the normal value of the time minute break and not to actuation型号剩余电流（）等于下列值时的分断时间和不驱动时间标准值/s5a,10a,20a,50a100a,200a,500a一般型任何值任何值0.30.150.040.04最大分断时间s型250.030.50.20.150.15最大分断时间0.130.060.050.04最小不驱动时间2.4 电流对人体的作用高压电的危害性人们都比较清楚，而对于380v、220v这些常用电压却往往有不正确的认识，如认为这类“低”压电不易电死人。然而试验数据告诉我们，人体通过“50hz”交流电

30、50ma，就开始失去白动脱离电源的能力，呼吸也变得困难，通过100ma电流，就会使心室纤颤，血液循环停止，最终导致死亡。所以说即使220v的电压在绝缘条件一般的环境中往往也非常危险，因为人体电阻通常约为1k (当个人防护措施较差时，电阻还会更小)，当人触及220v电压，其流过人体电流由欧姆定律可知为:i=220v/=22oma，远远超过人体能承受的电流值。漏电保护器在实践中已经使用多年，效果明显。剩余动作电流小于30ma，动作时间小于0.15s的保护器(在250ma时动作时间小于4oms)，可以用来做直接接触保护用的保护器，其它动作特性的保护器用作间接接触保护或漏电保护。安装了保护器，触电事故

31、中死亡人数明显减少。为了分析触电电流和触电动作时间的规律，有人作了以下试验(用狗作为触电对象):l) 固定触电时间为0.1秒、0.2秒、0.4秒、0.5秒，改变电流大小，电流从10ma起每次增加10ma试验。结果是:0.1秒时，电流达到220ma时，动物仍未有死亡危险；0.2秒时，电流达到14oma时，动物就有心室纤颤和心跳过速；0.4秒时，电流达到10oma时，就能使心室纤颤；0.5秒时，电流达到10oma时，使动物心室纤颤，电流达到16oma时即可使动物死亡。2) 固定触电电流为30ma、80ma、100ma、140ma，时间从0.1秒起每次按倍时增加进行试验。结果是:30ma时，时间达6

32、0秒；80ma时，时间达12秒；100ma时，时间达六秒，对动物均无死亡危险。140ma时，时间达0.2秒就有心室纤颤。从上面试验结果分析可以知道:在发生触电事故时，流过身体的电流越大，人体所能承受的时间越短。而触电时间越长，所能承受的流过身体的电流越小。那么人体到底能承受多大的电流和作用时间呢?经过反复试验，国际电工委员会(iec)明确规定:人体能够承受的最大电流时间是30ma.s(30毫安.秒)。图2-3 心室颤动电流和通电时间的关系fig.2-3 the relationship between the ventricles current and the time of electri

33、fy德国柯宾（s.koeppen）的研究曲线it=50mas，即当通电电流在50ma以下时，通电时间的长短对人的安全几乎没有影响。在考虑了安全系数后（取安全系数为1.67）得到曲线2-3，即it=30mas。在曲线的左方及左下方区域为安全区域，在发生触电事故时无感觉反应和生理效应。因此具有30 mas的漏电保护器可以满足触电保护的需要，具有足够的安全性12。电流流过人体内部，对人体的伤害程度与流过人体的电流大小、电流流过人体的持续时间、电流流过人体的途径、人体当时的状况及电流的性质等诸多因素有关。其中电流大小和电流流过人体的持续时间两者之间有着十分密切的关系。当通过人体的电流大小不同时，人体会

34、呈现不同的生理反应。通过人体的电流越大，人的生理反应和病理反应越明显,致命的危险性也就越大。按照人体呈现的状态，可将通过人体的电流分为三个主要级别。感知电流：通过人体能引起任何感觉的最小电流值称为感知电流阈值，人体对电流的最初感觉是轻微刺痛。感知电流阈值由人体与电极接触的面积，接触的状态(干、湿、压力、温度)以及个人的生理特点等因素决定，国际电工委员会iec479-1(gb13870)规定感知电流阂值的通用值为0.5ma，且此值与电流流过人体的持续时间无关。感知电流一般不会对人造成病理性伤害。摆脱电流：流过人体的电流超过感知电流并持续增大时，人的发热感及刺痛感会增强，电流增大到足够大时，将使触

35、电者肌肉连续收缩，发生痉挛而紧抓带电体，无法自行摆脱。人体触电后尚能自行摆脱的电流称为摆脱电流，摆脱电流的值由接触面积、电极的形状和大小以及个人的生理特点等因素决定。iec479-1(gb13870)中规定摆脱电流的阂值为10ma。摆脱电流阈值是人体可以忍受且一般不会造成不良后果的电流值，电流超过摆脱电流临界值后，人会感到异常疼痛和恐慌，如果电流流过持续时间过长，则可能造成昏迷、窒息、甚至死亡13。心室纤维性颇动电流：根据生物学的研究，生物体的肌肉运动经常伴随着电气现象，当电流通过神经纤维刺激到肌肉，肌肉即收缩，心脏本身具有工作过程所需的电动势，形成心脏各个部位按正确顺序运动的控制信号，这个信

36、号的平均电压为l-l.6mv，心脏的一个搏动周期约为0.75秒。当流过人体的电流超过摆脱电流并持续增大时，心脏正常搏动的信号将会受到干扰而被打乱。这样，心脏便不能再进行强有力的收缩，而出现心肌震动，这就是医学上所称的“心室纤维性颤动”。当电流流过心脏时，心脏原有的电信号受到破坏，心脏由正常的心跳变为每分钟数百次以上的细微颇动，此时心脏将无法把血液送出，数分钟内即可死亡。需要特别指出的是:漏电保护器只对相与地间的触电或漏电提供保护，而对人体的相与相间触电、相与中性线间触电不提供保护。2.5 漏电保护器的电气指标1） 额定漏电动作电流额定漏电动作电流是指在规定条件下，漏电保护器必须动作的漏电动作电

37、流值。额定漏电动作电流由制造厂家制定，它反映了漏电保护器的漏电动作灵敏度。国家标准(gb6829-95)规定额定漏电动作电流系列为:0.06a，0.01a，(0.015a)，0.03a，(0.05a)，(0.075a)，0.1a，(0.2a)，0.3a，0.5a，1a，3a，5a，10a，20a共十五个等级供制造厂家选取(带括号的值不推荐优先采用)。其中30ma及以下者属于高灵敏度型，既可用作间接接触触电保护，也可用作直接接触触电的补充保护。30ma以上至1a者为中灵敏度型，1a以上者属于低灵敏度型，后两者只能用作间接接触保护，或用作防止电气火灾事故和接地短路故障的保护14。2） 额定漏电不动

38、作电流。额定漏电不动作电流是指在规定条件下，漏电保护器必须不动作的漏电不动作电流值。这是为了防止漏电保护器误动作，使之能在电网上投入运行的所必需的技术参数。因为任何电网都存在正常工作所允许的三相不平衡漏龟流，如果漏电保护器没有漏电不动作电流的限制，将无法投入运行。很明显，额定漏电不动作电流越趋于漏电动作电流，漏电保护器的性能越好，但制造也越困难。国家标准规定，额定漏电不动作电流不得低于额定漏电动作电流的1/2。3） 额定频率漏电保护器的额定频率，就是与主电路电源的适用频率电源频率不同，将会直接影响漏电保护器的动作灵敏度及其它电气性能。对于低压漏电保护器的额定频率规定为50(或60)hz。4）

39、额定电压un漏电保护器的额定电压是指漏电保护器所装设电网的线间电压对应值，对于低压漏电保护器来说，额定电压的优选值为220v、380v。5） 辅助电源额定电压uns辅助电源额定电压的优选值为:a.直流：12v，24v，48v，60v，110v，220v。b.交流：12v，24v，48v，220v，380v。注：辅助电源由漏电保护器控制的电源供电时，辅助电源额定电压即为漏电保护器的额定电压。6） 额定电流in漏电保护器的额定电流是其所保护电路允许长期通过的最大电流值。国家标准推荐采用以下十六个等级：6a，10a，16a，20a，25a，32a，40a，50a，(60a)，63a，(80a)，10

40、0a，(125a)，160a，200a，250a(带括号的值不推荐优先采用)。2.6 漏电缓变电流值的处理缓变电流值是漏电保护器动作的重要指标之一，对漏电缓变电流的处理，直接关系到漏电保护器能否正确动作，下面介绍几种缓变电流有效值的计算方法。1） 平均值法软件实现的平均值法要求微处理器控制a/d转换在l/2周期或1周期的时间内对输入信号进行多次采样，然后计算出电流平均值，再根据平均值计算出有效值。其依据的公式如下：（2-5）式中，ip为电流的平均值。2） 方均根法方均根值法也称为真有效值法，是根据交流有效值的定义提出的，其依据的计算公式如下：（2-6）离散化后有：（2-7）式中 电流有效值 输

41、入信号周期n 每周期采样点数 第n点的电流采样值3） 峰值法利用a/d在l/2周期时间内对输入信号进行多次采样，然后求出最大值，并认为该最大值就是输入信号的峰值，然后依据正弦电流峰值几和有效值i的关系i=0.707im，计算出电流的有效值im。4） 两点乘积法两点乘积法是基于正弦函数模型的测量方法，是根据相差角度的两点互为正余弦的特点提出的。设每周期采样点数为n，有相隔两个采样时刻和，满足以下关系：（2-8）用和表示两个采样时刻的电流采样值，则有：（2-9）（2-10）式中，为初相角将两个式子分别平方后相加，可得（2-11）几种方法的比较：a.输入信号为理想正弦波的情况。当输入信号为理想正弦波

42、时，方均根值法与两点乘积法理论上不存在误差，平均值法和峰值法的误差一般由n值的大小决定。b.输入信号为非理想正弦波的情况。对于方均根值法来说，它对任何周期交变信号均适用。而平均值法、峰值法、两点乘积法因其计算公式是以输入信号的正弦性为基础的，当输入信号波形畸变或含有谐波分量时，计算得到的有效值会与真有效值存在误差。2.7 漏电突变电流值的处理我们以a相电压作为相位参考基准，检测出漏电电流滞后相位，由此将漏电信号i复原为各相不平衡漏电电流，计算方法如下：1) 当时（2-12）（2-13）（2-14）2) 当时（2-15）（2-16）（2-17）3) 当（2-18）（2-19）（2-20） 3 总

43、体设计方案3.1 智能漏电保护器的设计要求随着单片机技术的发展，单片机在电器领域内得到广泛应用，使电器具有智能化功能。漏电保护器是低压电器的一个重要系列产品，但由于漏电保护的特殊性，日前对漏电保护的智能化在理论上和技术上还需要人们进行深入研究与探讨。本项目在以下几个方面开展研究工作。1) 对漏电保护检测原理进行分析。2) 以microchip公司的pic单片机为硬件基础，设计出漏电保护器硬件模块。3) 对pic16877芯片编程，实现软件控制。3.2 总体设计框图图3-1 智能漏电保护器硬件结构设计图fig.3-1 the hardware construction of the residu

44、al current residual currentoperated protective device智能化漏电保护器的硬件可以划分为五大部分,即漏电检测电路、相位同步电路、漏电动作电流和时间延时设定电路、漏电数字显示电路和动作执行单元。漏电检测电路由零序电流互感器和信号处理单元组成,这部分电路将检测出漏电信号送到单片机的a/d输入通道,转换为单片机可以处理的数字信号，相位同步电路负责将电网的电压信号与漏电信号的相位进行比较,单片机根据它们的相位差来判断各相漏电电流，漏电动作电流和时间设定电路是来设定额定漏电动作电流及动作时间,根据需要也可以设定为单片机自动选择额定漏电动作电流，漏电数字显

45、示电路是由单片机控制,显示电网的漏电电流动值和动作原因，动作执行单元直接由单片机控制，完成漏电保护功能。智能化漏电保护器是在pic16f877单片机的控制下完成的,其控制软件由四部分组成,即上电初始化模块、漏电信号分析模块、漏电电流显示模块、漏电动作输出模块。上电初始化模块主要完成上电后的初始化,对pic16f877的端口进行初始化,还包括根据外部设置状态确定额定漏电动作电流和动作时间。漏电信号分析模块主要通过a/d转换后,将漏电模拟信号转换为数字信号,对于三相电网来说,还要将各相漏电电流分离出来。漏电电流显示模块采用动态扫描输出方式，交替显示总漏电电流、a相漏电电流、b相漏电电流、c相漏电电

46、流。漏电动作输出模块主要是将漏电电流与漏电动作值进行比较，当漏电电流大于设定值时,单片机发出动作信号。4 硬件电路设计4.1 零序电流互感器的选择 零序电流是整个系统的原始信号，它的准确程度决定了整个系统的精度，所以零序电流互感器的选择就颇为重要。一般的零序电流互感器在原方电流小于2-5安培时它的变比和相角误差均较大，不能满足微机检测设备的要求。所以选择高精度零序电流互感器采用ljwz-3型，它的优点是即使原方电流很小(0.2a-0.5a)时也能保证足够的准确度。其输出信号接负载电阻后送低通滤波器进一步处理。4.2 低通滤波器设计由于电力系统中存在大量的谐波成分，特别是三次和五次谐波的存在将会

47、给数字系统带来极大的危害，为了避免谐波影响，必须有滤波电路将各次谐波滤除。滤波电路实际上是一种选频网络，根据阻带的不同可分为低通、高通、带通、带阻滤波电路，工频电网中的谐波绝大多数是高次奇次谐波，因而需要低通滤波器。按照所用元件的不同，滤波器分为有源滤波器和无源论波器两大类。滤波的效果是由输出幅值的大小来决定的，无源滤波器是用r.l.c元件构成的，电路比较简单，但由于电阻的分压，使滤波输出信号幅值变小，滤波效果不好。使用运算放大器的滤波电路是有源滤波电路，由于运放的存在，高输入阻抗、低输出阻抗和一定程度的反馈，消除了因电阻分压而造成的输出信号幅值变小的缺点是一种理想的滤波电路。本文采用有源滤波

48、。常用的滤波器有巴特沃斯型、切比雪夫型。切比雪夫型滤波器在通频带输出信号幅值以某一值为中心，上下波动一个小范围，这个范围的大小用纹波系数来表示。其通频带与带阻之间的变化曲线比较陡峭，截止特性好。巴特沃斯型滤波器在通频带比较平坦，但截止特性缓慢。本文的目的在于滤除工频电流中的谐波，一般谐波的次数为三次、五次、七次，设计了四阶切比雪夫模拟滤波器用以消除三次以上谐波对系统造成的影响。其设计性能要求达到三次谐波衰减达到40db，其电路结构和参数如图4-1。图4-1 低通滤波器电路原理图fig.4-1 lowpass filter electric principle chart4.3 相位同步电路的设

49、计在三相电网中的漏电保护器能够分别显示三相漏电电流。在三相电网中，只单纯地显示三相漏电矢量和,还不能完全满足用户的需要。分别显示出各相漏电电流，更便于用户故障分析，判断究竟是哪一相线路发生了漏电。漏电信号分析模块中在对漏电信号进行处理时,需要将漏电信号分为三相漏电电流,以便输出显示。我们利用a相电压作为相位参考基准，检测出漏电电流为i,其滞后相位为,由此将漏电信号复原为各相不平衡漏电电流。相位同步电路设计方案如图4-2所示:图4-2 相位同步电路原理图fig.4-2 phase synchronization electric principle chart本电路可以检测电力网的电压和电流之间

50、0-180度的相位差，而且不需要切断被测电路。比较器lm339做过零检测器，其灵敏度为10mv。rp和c一起作为钳形头的负载并取得与i（t）成比例的电压。74ls74用于超前-退后提示。或门4070将电流电压方波信号合成相位差波形p（t），经低通滤波和a/d转换后，由lcd显示出来。4.4 单片机接口电路设计4.4.1 pic单片机介绍提到单片机的应用，有人这样说，“凡是能想到的地方，单片机都可以用得上”，这并不是个夸张。由于全世界单片机的年产量以亿计，应用范围之广，花样之多。一时难以律述，这里仅列举一些典型的应用领域或场合供读者参考15。1）电信电话机、无绳电话机、投币电话机、磁卡电话饥、光

51、卡电话机、数字或汉字子呼机、模拟或数字蜂窝移动通信手待机、无线对讲机、业余无线电台、传真机、调制解调器、通话计费器、电话密码锁、来电显示器(caller id)等。2）家用电器 遥控电视机、录像机、摄像机、vcd、cd、卫星电视接收机、音响音调控制器、卡拉ok点唱机、数字照相机、全自动洗衣机、冰箱、空调、洗碗机、微波炉、热水器、万年历、智能充电器、各种报警器、电卡电度表等。3）计算机外围设备键盘、打印机、绘图仪、扫描仪、智能终端、智能扩充卡等。4）办公自动化复印机、智能打字机、传真机、个人数字助理pda等。5）工业控制数控机床、智能机器人、可编程顺序控制、电机控制、过程控制、温度控制、智能传感

52、器等机电一体化系统中。6）商用电子自动售货机、自动柜员机、电子收款机、电子砰、智能卡、ic卡读写器。7）玩具袖珍游戏机、电子宠物、智能玩具、遥控玩具、学习玩具等。8）仪器仪表用于医疗、化工、电子、计量等领域的各种智能仪器仪表。9）汽车电子点火控制、变速控制、防滑控制、防撞控制、排气控制、最佳燃烧控制、防盗报警、电子地图、车载通信装置等。10）军用电子各种导弹和鱼雷的精确制导控制、智能武器、雷达系统、电子战飞机等。单片机应用的意义不仅仅限于它的广阔范围以及所带来的经济效益，更重要的还在于它从根本上改变了传统的控制系统设计恩想和设计方法。从前，必须由模拟电路或数字电路实现的大部分控制功能，现在已能

53、使用单片机通过软件方法实现了。这种以软件取代硬件并能提高系统性能的控制技术称之为微控制技术。微控制技术标志着一种全新概念，随着单片机应用的推广普及，微控制技术必将不断发展和日趋完善，而单片机的应用则必将更加深人、更加广泛。 pic单片机是美国microchip公司所生产的单片机系列产品型号的前缀。pic系列单片机的硬件系统设计简洁，指令系统设计精炼。在所有的单片机品种当中，它是最容易学习、最容易应用的单片机品种之一。对于单片机的初学者来说，若选择pic单片机作为攻入单片机王国的“突破口”，将是一条最轻松的捷径，定会取得事半功倍的功效。 世界上有一些著名计算机芯片制造公司，其单片机产品是在其原有

54、的微型计算机cpu基础上改造而来的，在某种程度上自然存在一定的局限性。而microchip公司是一家专门致力于单片机开发、研制和生产的制造商，其产品设计起点高，技术领先，性能优越，独树一帜。目前，已有好几家著名半导体公司仿照pic系列单片机，开发出与之引脚兼容的系列单片机。例如，美同scenix公司的5x系列、台湾emc公司的em78p系列、台湾mdt公司的mdt系列等。可以说，pic系列单片机代表着单片机发展的新动向。它具有以下优点：a. 数据总线和指令总线分离的哈佛总线结构。b. 只有35条指令的精简指令集，而mcs-51单片机的指令系统共有111条指令。c. pic系列单片机只有4种寻址

55、方式，而mcs-51单片机则为7种寻址方68hc05单片机为6种。d. 代码压缩率高1k字节的存储器空间，对于像mcs-51这样的单片机，大约只能存放600条指令，而对于pic系列的单片机能够存放的指令数可达1024条。e. 驱动能力强。i/o端口驱动负载能力较强，能够直接驱动发光二极管led、光电耦合器或者微型继电器等。f. pic系列单片机的程序、堆栈、数据三者各自采用互相独立的寻址（或地址编码）空间，寻址空间设计简洁。g. pic系列单片机内集成了上电复位电路、i/o引角上拉电路、看门狗定时器等，可以最大程度地减少或免用外接器件。h. 开发方便。对于pic系列中的任一款单片机的开发，都可

56、以借助于一套免费软件综合开发环境，实现程序编写和模拟仿真，在用任意一种廉价的烧写器完成程序的固化烧写，便形成一套最经济实用的开发系统16。4.4.2 pic16f877单片机i/o脚分配选择pic微控制器芯片型号时要考虑到各个方面的因素，这些因素包括所需的i/o引脚的数目，所需的外围设备(例如a/d转换模块、ccp模块，usart等) ，记忆存储空间的大小，控制器速度，芯片的实际尺寸(封装形式等)17。选择pic微控制器时，还有一点需特别注意，就是造价和以上所列因素之间的平衡。我们希望能够选择到的芯片具有最少的i/o引脚，外围，记忆存储空间和速度。结合本课题的实际，根据上述因素，列出需求如下:计算所需i/o引脚的最少数目：l) 漏电检测电路1个漏电电流采集的输入端口。2) 相位同步电路1个方波输入端口为漏电电流采集和检测提供周期。3) 漏电动作电流设定电路通过开关量输入，设定额定缓变动作电流值、额定突变动作电流值、额定直流动作电流值及额定动作延时时间。a. 缓变动作电流值:300ma、500ma；b. 突变额定动作值可设定为突变电流动