漏电保护器的研究及新型电流型保护器的设计

1、i 漏电保护器的研究及新型电流型保护器的设计漏电保护器的研究及新型电流型保护器的设计 摘 要 随着城乡电网的逐步改造 对供电系统使用分级保护是安全供电的必然趋势漏电 保护器作为一种电气安全装置 安装在低压线路中 一旦线路漏电流达到保护器限定的动 作电流值时 在限定的时间内动作 自动断开电源进行保护。 本论文是一个新型漏电保护器的设计。从其发展史到安装意义说起，详细介绍了漏 电保护器的结构、工作原理、使用注意事项等。首先，由零序电流互感器构成的检测组 件检测到剩余动作电流；其次，经中间环节放大器、比较器的处理；最后，经执行组件 自动切断电流。新型漏电保护器只有在发生触电事故，二、三级保护动作时，

2、保证总体 保护部动作，而在二、三级保护失灵时，总体保护动作避免大面积停电。第一级普通脉 冲型漏电保护器常会引起二、三级的动作而同时动作，从而导致大面积停电，所以作为 总体保护用的一级漏电保护器在发生突发的人体触电事故时 应具有判断二 三级保护器 是否动作的功能经过大量的事实分析和研究 提出了新型的电流型漏电保护器设计方案 可以有效地解决以上问题。 这种新型的漏电保护器适用于变压器中性点接地的低压配电网 作为总体或大分支系 统的间接漏电和触电保护且要和交流接触器配合来实现其触漏电保护功能 这时被保护系 统不可重复接地 且不能与其它系统跨接负荷。 关键词：漏电保护器，零序电流互感器，放大器，比较器

3、 the design of residucd current protective dvdice abstract this paper is a new type of earth leakage protection design. from the installation of the meaning of the history of the development begins, details of the structure of earth leakage protective device, the working principle, the use of attent

4、ion to matters etc.first of all, by the zero-sequence current transformer test constitute the remaining components detected current action; second, by the middle part of amplifier, comparator processing; finally, cut off by the current implementation of auto-components. new type of earth leakage pro

5、tective device only in the event of electric shock accident, two, three-level action to protect and ensure the protection of the general movements, and in the second, three-failure protection, the overall action to protect a large area to avoid blackouts. ordinary first-level pulse-type earth leakag

6、e protective device often give rise to second and third movements of the action while at the same time, resulting in large-scale power outage, so the first-class earth leakage protective device should have the intelligence to determine function. keywords: residucd current protective dvdice, zero-seq

7、uence current transformer, amplifier, comparator. iii 目录目录 1 绪 论.1 1.1 漏电保护器的发展简史.1 1.2 课题简介.2 1.2.1 安装漏电保护器的意义.2 1.2.2 本课题的研究方法.3 2 漏电保护器简介.3 2.1 漏电保护器的概念.3 漏电保护器的分类：.4 2.2 漏电保护器的结构.4 2.3 漏电保护器的工作原理.4 2.4 漏电保护器额定漏电动作电流的选择.6 2.5 漏电保护器的主要技术参数.6 3 漏电保护器内部结构分析.7 3.1 零序电流互感器.7 3.1.1 零序电流互感器的基本原理.7 3.1.2

8、 低压漏电零序电流互感器的工作原理.7 3.1.3 产生零序电流的两个条件.8 3.2 集成电路.8 3.2.1 集成电路简介.8 3.2.2 集成运算放大电路特点.8 3.2.3 信号的运算和处理.9 3.3 比较器.11 3.3.1 比较器的定义.11 3.3.2 比较器的性能指标.12 3.3.3 电压比较器芯片.13 3.3.4 电压比较器的应用.13 3.3.5 电压比较器的种类.13 3.3.7 电压比较器的功能.14 3.4 脱扣器.14 3.4.1 脱扣器简介.14 3.4.2 脱扣器的分类.14 4 漏电保护器总体结构设计.15 4.1 设计思路.15 4.2 结构设计.15

9、 4.3 新型漏电保护器的电路设计.16 4.4 漏电保护器的测试.19 5 总 结.20 参考文献.21 致 谢.22 1 1 绪 论 1.1 漏电保护器的发展简史 自 19 世纪末，电力进入了人们的生活和生产领域，自从首次出现触电死亡事故开始， 科学工作者就注意安全用电技术了。而触电漏电保护器，是因家庭触电保护的需要在 20 世纪初才出现的。当时设想和研究了许多触电保护方法，典型的产品是电压动作型漏电 断路器。 1928 年德国人根据高压差动保护原理，提出了剩余电流动作型（也称电流动作型） 漏电分断方法。1930 年根据这一原理，法国制成了世界上第一台剩余电流动作型漏电断 路器（额定动作电

10、流 10 毫安，动作时间 0.1 秒）并以此为保护手段，对人体做了直接接 触的触电试验。30 年代，人们还研制了 80 毫安、0.1 秒的产品，但德国、英国和法国使 用的仍然使用电压动作型漏电保护器，只有少数的电流动作型漏电断路器用于防止一火 一地方式的窃电上。可以说，第二次世界大战之前，触电漏电保护器主要采用电压动作 型漏电保护器，二战结束直到 50 年代，德、法两国又重新起用电流动作型漏电断路器， 但动作电流都较大，一般在 3003000 毫安之间，主要用做间接保护大的漏电事故引起 的灾害。用于直接接触或保护接地线的剩余电流动作型触电漏电保护器，则是在 1958 年 才开始批量生产，其动作

11、灵敏度为 35 毫安。 在此期间，还出现了电储能式和机械储能式等类型的触电漏电保护器，但都因性能、 结构、成本、体积等原因而被淘汰了。到了 60 年代，电子技术和低压断路器技术的进步， 特别是小容量的塑壳式低压断路器的日新月异，开始出现了快速、高灵敏度的剩余电流 动作型漏电断路器。1962 年，美国制成了 5 毫安等级的电子式漏电断路器。1965 年，德 国制成了由塑料外壳式低压断路器派生而来的纯电磁式漏电断路器，其动作电流为 30 毫 安，动作时间为 0.1 秒。目前，世界主要工业强国已进入了以强大的生产能力为后盾，用 立法手段普及触电保护器的阶段。 我们国家在 1966 年前后，苏州金阊电

12、器厂生产了数量不多的电压动作型漏电继电器。 之后，水利电力部和机械工业部也开始了低压电网触电保护器的研究。我们国家第一台 经国家鉴定认可的触电保护器，是由机械工业部上海电器科学研究所、浙江省机械科学 研究所、南京机械研究所和嘉兴电气控制设备厂共同研制的 ab61-12 型 20 毫安、0.1 秒 的电子式产品，并于 1968 年投产了近万台。70 年代后半期，水利电力部电流动作型触电 漏电保护器研制组研制了高灵敏度、快速动作型、电子式电流动作型漏电保护断路器。 70 年代末、80 年代初，国家能源部农电司在全国建立了 4 个漏电保护器定点生产企 业，分别是：浙江嘉兴电气控制设备厂、南京电校校办

13、电器厂、廊坊供电局设备修造厂、 青岛四方电器厂，这标志着我们国家触电漏电保护进入了普及应用阶段。进入 21 世纪， 我们国家实现低压电网漏电触电三级保护，使我们国家在低压电网发生的漏电触电事故 得到有效的控制。 1.2 课题简介 1.2.1 安装漏电保护器的意义 电，是现代经济的命脉，它与工农业生产、科学研究、国防建设，以及人们日常生 活休戚相关。现代社会的各个领域中如果没有了“电”这个基本能源；那么产生的后果 和损失是急剧震撼性的。但是，使用电也潜伏着危险，特别是低压电网和低压用电设备 安装、使用或检修处理不当时，就可能引起电气事故，甚至威胁人身安全。 发生触电主要有两种形式：一是由于人体直

14、接触及带电的裸露导体，既所谓的直接 接触；二是人体触及劣化、破损或浸沾导电液体而使外壳带电的设备，既所谓的间接接 触。 除了过载、短路等原因外，电气设备中绝缘电阻的下降，导致漏电流增加，导线长 时间发热或接地跳火形成漏电，引燃可燃性物质，也是造成电气火灾的重要原因。 随着我们国家经济建设的规模扩大，全国发电量迅速增长，尤其近几年来，电力事 业迅速发展，使得安全用电这一问题显得十分突出。我们国家的农村电网，分布地区广， 基础差。由于设备陈旧、线路质劣、工艺性差和管理不善，加上农电操作人员和群众缺 少应有的用电常识，因此触电事故频繁发生。据不完全统计，全国 380v 以下低压线路中 发生触电死亡事

15、故的，农村比率占 85；上世纪 70 年代及以前每年约有五千人触电死亡， 触电致伤事故则更多。 在潮湿环境、移动场合（排涝、喷灌、潜灌、电力耕作、电动脱粒等）的用电量、 乡村家庭生活用电量也逐年增长，随着工业电气化程度迅速提高，如矿山采掘、地下工 程、井下采煤作业及机械化运输等场合，电能分配需求量越来越大，因电缆的漏电、接 地故障及人身触电事故也相应增加。建筑工地、水利工程、手持电动工具、移动电气设 备、分布于工地上的临时线和地爬线、露天潮湿的工作场地人员混杂，使触电伤亡事故 3 时有发生。从 80 年代以来，家用电器的迅速普及，使洗衣机、电冰箱、电冰柜、厨房电 器、清洁电器、取暖电器、空调、

16、整容以及照明电器大量的进入家庭，因安装、使用、 维护不当造成触电伤亡事故时有发生。从而使得 80 年代与 70 年代相比，人身触电事故 几乎增加了 1.5 倍，而且还将以每年 5的速度增长。因此全社会对触电、漏电保护的呼 声与日俱增。 可见，工业和城市、城镇、农村的低压触电和漏电保护是不能等闲视之的。那么， 安装漏电保护器是防止人身触电伤亡、避免因电气设备漏电造成灾害性事故的有效措施。 可喜的是，我们国家从 90 年代中期到现在这十年以来，已经从立法到具体的管理逐步建 立了科学的完善的漏电、触电漏电保护体系。特别是三年（1998 年至 2000 年）低压电网 改造，实现了全国性的低压电网三级保

17、护，将漏电、触电事故的控制到最小化程度。 1.2.2 本课题的研究方法 在本设计中，我本着一种学习的态度，先是把弄清一个漏电保护器的工作原理，在 此基础上提出自己的设计思路。其中我用了分解法，就是把组成保护器的各个部分的原 理、结构及其在整个漏电保护电路中所起的作用充分了解之后，从而对漏电保护器有个 新的认识。此外，我还运用了比较的方法，就是通过比较漏电保护器和断路器的异同， 从另外一个方面来认识漏电保护器。相信通过以上两个方法对漏电保护器的学习，会触 发我的设计灵感。 2 漏电保护器简介 2.1 漏电保护器的概念 漏电保护器俗称漏电开关，是用于在电路或电器绝缘受损发生对地短路时防人身触电 和

18、电气火灾的保护电器，一般安装于每户配电箱的插座回路上和全楼总配电箱的电源进 线上，后者专用于防电气火灾。漏电保护器的标准名称是剩余电流动作保护器（residucd current protective dvdice）简称 rcd，漏电保护所检测到的是剩余电流既被保护电路内相 线和中性线电流瞬时值的代数和（其中包括中性线的三相不平衡电流和谐波电流），此 电流既为正常时的泄露电流和故障时的接地故障电流。故漏电保护器的整定值，也既其 额定剩余动作电流 i n，仅需躲过正常泄露电流值即可。 其适用范围是交流 50hz 额定电压 380 伏，额定电流至 250 安。 低压配电系统中设漏电保护器是防止人身

19、触电事故的有效措施之一，也是防止因漏 电引起电气火灾和电气设备损坏事故的技术措施。但安装漏电保护器后并不等于绝对安 全，运行中仍应以预防为主，并应同时采取其它防止触电和电气设备损坏事故的技术措 施。国内外多年的运行经验表明，推广使用漏电保护器，对防止触电伤亡事故，避免因 漏电而引起的火灾事故, 具有明显的效果。 漏电保护器的分类： 漏电保护开关的类型很多，按工作原理可分为：电压型与电流型漏电保护开关。 按极数和线数来分：有单极二线、二极二线、三极三线、三极四线、四极四线等数 种漏电保护开关。 按脱扣器方式可分为：电磁型与电子型漏电保护开关。 2.2 漏电保护器的结构 漏电保护器主要由三部分组成

20、：检测组件、中间放大环节、操作执行机构。 检测组件。由零序互感器组成，检测漏电电流，并发出信号。 放大环节。将微弱的漏电信号放大，按装置不同（放大部件可采用机械装置或电 子装置） ，构成电磁式保护器相电子式保护器。 执行机构。收到信号后，主开关由闭合位置转换到断开位置，从而切断电源，是 被保护电路脱离电网的跳闸部件。 2.3 漏电保护器的工作原理 我们知道，电气设备漏电时，将呈现异常的电流或电压信号，漏电保护器通过检测、 处理此异常电流或电压信号，促使执行机构动作。我们把根据故障电流动作的漏电保护 器叫电流型漏电保护器，根据故障电压动作的漏电保护器叫电压型漏电保护器。由于电 压型漏电保护器结构

21、复杂，受外界干扰动作特性稳定性差，制造成本高，现已基本淘汰。 目前国内外漏电保护器的研究和应用均以电流型漏电保护器为主导地位。 电流型漏电保护器是以电路中零序电流的一部分（通常称为残余电流）作为动作信 号，且多以电子组件作为中间机构，灵敏度高，功能齐全，因此这种保护装置得到越来 越广泛的应用。电流型漏电保护器的构成分四部分： 1. 检测组件：检测组件可以说是一个零序电流互感器。被保护的相线、中性线穿过 环形铁心，构成了互感器的一次线圈 n1，缠绕在环形铁芯上的绕组构成了互感器的二次 5 线圈 n2，如果没有漏电发生，这时流过相线、中性线的电流向量和等于零，因此在 n2 上也不能产生相应的感应电

22、动势。如果发生了漏电，相线、中性线的电流向量和不等于 零，就使#$上产生感应电动势，这个信号就会被送到中间环节进行进一步的处理。 2. 中间环节：中间环节通常包括放大器、比较器、脱扣器，当中间环节为电子式时， 中间环节还要辅助电源来提供电子电路工作所需的电源。中间环节的作用就是对来自零 序互感器的漏电信号进行放大和处理，并输出到执行机构。 3. 执行机构：该结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。 4. 试验装置：由于漏电保护器是一个保护装置，因此应定期检查其是否完好、可靠。 试验装置就是通过试验按钮和限流电阻的串联，模拟漏电路径，以检查装置能否正常动 作。 三相四线

23、制供电系统的漏电保护器工作原理示意图，如图 2.1。ta 为零序电流互感 器，gf 为主开关，tl 为主开关的分励脱扣器线圈。 在被保护电路工作正常，没有发生漏电或触电的情况下，由克希荷夫定律可知，通 过 ta 一次侧的电流相量和等于零，即：这样 ta 的二次侧不产生感应电动势，漏电保 护器不动作，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 ta 一次侧各相 电流的相量和不再等于零,产生了漏电电流 ik。 在铁心中出现了交变磁通。在交变磁通作用下, tl 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，使主开关分励脱扣器线

24、圈 tl 通电， 驱动主开关 gf 自动跳闸，切断故障电路，从而实现保护。 用于单相回路及三相三线制的漏电保护器的工作原理与此相同。 图 2.1 漏电保护器工作原理图 2.4 漏电保护器额定漏电动作电流的选择 正确合理地选择漏电保护器的额定漏电动作电流非常重要：一方面在发生触电或泄漏 电流超过允许值时, 漏电保护器可有选择地动作；另一方面，漏电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。 漏电保护器的额定漏电动作电流应满足以下三个条件： (1) 为了保证人身安全，额定漏电动作电流应不大于人体安全电流值，国际上公认 30 ma 为人体安全电流值； (2) 为了保证电

25、网可靠运行，额定漏电动作电流应躲过低电压电网正常漏电电流； (3) 为了保证多级保护的选择性，下一级额定漏电动作电流应小于上一级额定漏电动 作电流，各级额定漏电动作电流应有级差 112215 倍。 第一级漏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，漏电电流较大，其额定漏电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，漏电电流较小的电网，非阴雨季节为 75ma，阴雨季节为 200ma，漏电电流较大的电网，非阴雨季节为 100 ma，阴雨季节为 300ma。 第二级漏电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，漏电电 流较小。漏电保护器

26、的额定漏电动作电流应介于上、下级保护器额定漏电动作电流之间, 一般取 30 75 ma。 第三级漏电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 7 保护线路和设备的用电量小，漏电电流小，一般不超过 10ma，宜选用额定动作电流为 30 ma，动作时间小于 011 s 的漏电保护器。 2.5 漏电保护器的主要技术参数 主要动作性能参数有：额定漏电动作电流、额定漏电动作时间、额定漏电不动作电 流。其它参数还有：电源频率、额定电压、额定电流等。 额定漏电动作电流 在规定的条件下，使漏电保护器动作的电流值。例如 30ma 的保护器，当通入电流 值达到 30ma 时，保护器即动作

27、断开电源。 额定漏电动作时间 是指从突然施加额定漏电动作电流起，到保护电路被切断为止的时间。例如 30ma0.1s 的保护器，从电流值达到 30ma 起，到主触头分离止的时间不超过 0.1s。 额定漏电不动作电流 在规定的条件下，漏电保护器不动作的电流值，一般应选漏电动作电流值的二分之 一。例如漏电动作电流 30ma 的漏电保护器，在电流值达到 15ma 以下时，保护器不应 动作， 否则因灵敏度太高容易误动作，影响用电设备的正常运行。 其它参数如：电源频率、额定电压、额定电流等，在选用漏电保护器时，应与所 使用的线路和用电设备相适应。 漏电保护器的工作电压要适应电网正常波动范围额定电 压，若波

28、动太大，会影响保护器正常工作，尤其是电子产品，电源电压低于保护器额定 工作电压时会拒动作。 漏电保护器的额定工作电流，也要和回路中的实际电流一致，若 实际工作电流大于保护器的额定电流时，造成过载和使保护器误动作。 3 漏电保护器内部结构分析 3.1 零序电流互感器 3.1.1 零序电流互感器的基本原理 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 c.t 作为取样组件。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 c.t 的二次侧绕组无信号输出（零序电流保护时躲过不

29、平衡电流） ，执行组件不动作。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 c.t 的环形铁芯中产生磁 通，零序 c.t 的二次侧感应电压使执行组件动作，带动脱扣装置，切换供电网络，达到 接地故障保护的目的。 3.1.2 低压漏电零序电流互感器的工作原理 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：+=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aibici 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

30、动作，作用于执行组件掉闸。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。 3.1.3 产生零序电流的两个条件 1、无论是纵向故障、还是横向故障、还是正常时和异常时的不对称，只要有零序电 压的产生； 2、零序电流有通路。 以上两个条件缺一不可。因为缺少第一个，就无源泉；缺少第二个，就是我们通常 讨论的“有电压是否一定有电流的问题。 零序公式:3=+,3= +0uaubucu0iaibici 3.2 集成电路 3.2.1 集成电路简介 集成电路简称 ic（integrated circuit），是 60 年代初期发展起来的一种半导体器 件，它是在半导体制

31、造工艺的基础上，将各种元器件和连线等集成在一片硅片上而制成 的，因此密度高、引线短、外部接线大为减小，从而提高了电子设备的可靠性和灵活性， 同时降低了成本，为电子技术的应用开辟了一个新的时代。 集成电路按其功能的不同，可以分为数字集成电路（输入量和输出量为高、低两电 平且具有一定逻辑关系的电路）和模拟集成电路（数字集成电路以外的集成电路统称为 模拟集成电路）；按模拟集成电路的类型来分，则又有集成运算放大器、集成功率放大 器、集成高频放大器、集成中频放大器、集成比较器、集成乘法器、集成稳压器、集成 9 数模和模数转换器以及集成锁相环等；按构成有源器件的类型来分，则有双极型和 单极型（场效应管）等

32、。 制造集成电路时，要在硅片上经过氧化、光刻、扩散、外延、蒸铝等工艺过程，把 晶体管、电阻及电容等电路元器件和它们之间的连线，全部集成在同一块半导体基片上， 最后再进行封装，做成一个完整的电路。集成电路的外形通常有三种：双列直插式、圆 壳式和扁平式。 3.2.2 集成运算放大电路特点 分立组件组成的同样电路相比，它具有以下几方面的特点： 由集成电路工艺制造出来的元器件，虽然其参数的精度不是很高，受温度的影响 也较大，但由于各有关元器件都同处在一个硅片上，距离又非常接近，因此对称性较好， 适用于构成差分放大电路。 由集成电路工艺制造出来的电阻，其阻值范围有一定的局限性，一般大几十欧到 几十千欧之

33、间，因此在需要很高阻值的电阻时，就要在电路上另想办法。 在集成电路中，制造三极管，特别是 npn 三极管往往比制造电阻、电容等无源器 件更加方便，占用更少的芯片面积，因而成本更低廉。所以在集成放大电路中，常常用 三极管代替电阻，尤其是大电阻。 集成电路工艺不适于制造几十皮法以上的电容器，至于电感器就更困难。因此放 大级之间通常都采用直接耦合方式，而不采用阻容耦合方式。 直接耦合放大电路中，经常遇到既有 npn 又有 pnp 管的情况，但在单片集成电路 中，一般情况下 pnp 管只能做成横向的，此时它的 值比较小（10），而不能像分立 器件那样，使 pnpt 和 pnp 管的特性匹配得比较接近。

34、在分析时，横向 pnp 管的 1 和 值差别比较大。 总起来说，集成运放和分立器件的直接耦合放大电路虽然在工作原理上基本相同， 但由于上述原因，在电路的结构形式上二者将不圈套的差别。 3.2.3 信号的运算和处理 电子信息系统的组成： 一个电子信息系统的示意框图如图 3.1 所示。首先要对信息信号进行采集，通常这 些信号是通过各类传感器将对应的物理量转换成电信号而获取的。由于传感器获取的信 号一般较小(mv 级，甚至 uv 级)，且噪声较大，易受干扰，因此对此类弱信号首先要进行 预处理，如根据实际情况进行隔离、滤波、阻抗变换等，将有用信号分离出来并进行电 压放大。当信号的幅值被放大到足够大时，

35、就可以根据需要进行转换、运算、比较、采 样保持等不同的方法进行加工。最后，一般要经过功率放大后才能驱动执行机构(如音 响系统的喇叭、显示器的偏转线圈、电动机的励磁绕组等)，或者通过模数转换器变成 数字信号由数字系统或计算机宋处理。 理想运放的两个工作区域： 利用集成运算放大器的优良性能，在信息处理系统中作为单元电路已被广泛应用。 在分析各种实际应用电路时，常将集成运放的性能指标理想化，即看成为理想运放。当 然，一个实际的运放在性能指标上与理想化运放存在一定的差距，但由于半导体集成工 艺水平的完善，当前的集成运放性能指标已非常接近理想化，由实际运放组成的各种功 能电路在性能指标上已非常接近按理想

36、化条件设计的指标。 尽管集成运放的应用电路形式很多，但就其工作区域来看，不是工作在线性区，就 是工作在非线性区。本节所介绍的两个工作区域的特点是分析集成运放应用电路的基础。 (1)理想集成运放的性能指标 集成运放理想化后的主要参数是： 开环差模电压放大倍数(增益) =oda 差模输人电阻=；rid 输出电阻：o；0r 共模抑制比=；cmrk 上限截止频率=；hf 输入失调电压、输入失调电流及其温漂、了均为零，且内iouioiuiodrdiiodtd 部的干扰和噪声均不存在。 图 3.1 电子信息系统示意框图 11 (2)理想运放的线性工作区 1)集成运放工作在线性区的电路特征 放大器的线性工作

37、区是指输出电压与输人电压成一定的比例关系，即0uru =ui0uua 由于集成运放有两个输入端，设同相输入端的电位为 dp，反相输人端的电位为，nu 当集成运放工作在线性区时，输出电压应与差模电压成线性关系，即应满足 = (-)0uodapunu 对于理想运放，由于=，因而只要(-)不等于 0，则输出电压就将超出odapunu0u 其线性范围，不是正向最大电压，就是负向最大电压-。因此，只有电路引入负反omuomu 馈，才能保证集成运放工作在线性区。集成运放工作在线性区的特征是电路引入负反馈。 2)理想运放工作在线性区的重要特点 由于为有限值，对于理想运放=，因而运放两输入端净输人电压-0uo

38、dapb =0即nd =punu 称两输入端具有“虚短路”特点。所谓“虚短路”是指集成运放的两个输入端电位 近似相等，但又不是真正短路。 因为集成运放两输入端净输入电压为零，而其差模输人电阻为无穷大，所以两个 输入墙的净输入电流也均为零。 3.3 比较器 3.3.1 比较器的定义 比较器是将一个模拟电压信号与一个基准电压相比较的电路。比较器的两路输入为 模拟信号，输出则为二进制信号，当输入电压的差值增大或减小时，其输出保持恒定。 因此，也可以将其当作一个 1 位模/数转换器（adc）。运算放大器在不加负反馈时从原 理上讲可以用作比较器，但由于运算放大器的开环增益非常高，它只能处理输入差分电 压

39、非常小的信号。而且，一般情况下，运算放大器的延迟时间较长，无法满足实际需求。 比较器经过调节可以提供极小的时间延迟，但其频响特性会受到一定限制。为避免输出 振荡，许多比较器还带有内部滞回电路。比较器的阈值是固定的，有的只有一个阈值， 有的具有两个阈值。 图 3.2lm339 lm339（如图 3.2）类似于增益不可调的运算放大器。每个比较器有两个输入端和一 个输出端。两个输入端一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个称为反相输入端，用 “-”表示。用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压（也称为 门限电平，它可选择 lm339 输入共模范围的任何一点） ，另一端加一个待比较的

40、信号电压。 当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。当“-”端电压高于 “+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。两个输入端电压差别大于 10mv 就能 确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，把 lm339 用在弱信号检测等场 合是比较理想的。lm339 的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，在使用时输 出端到正电源一般须接一只电阻（称为上拉电阻，选 3-15k） 。选不同阻值的上拉电阻会 影响输出端高电位的值。因为当输出晶体三极管截止时，它的集电极电压基本上取决于 上拉电阻与负载的值。另外，各比较器的输出端允许连接在一起使用。 3.3.2 比较器的

41、性能指标 滞回电压：比较器两个输入端之间的电压在过零时输出状态将发生改变，由于输入端 常常叠加有很小的波动电压，这些波动所产生的差模电压会导致比较器输出发生连续变 13 化，为避免输出振荡，新型比较器通常具有几 mv 的滞回电压。滞回电压的存在使比较器 的切换点变为两个：一个用于检测上升电压，一个用电压门限（vtrip）之差等于滞回电 压（vhyst），滞回比较器的失调电压是 trip 和 vtrip-的平均值。不带滞回的比较器的 输入电压切换点为输入失调电压，而不是理想比较器的零电压。失调电压一般随温度、 电源电压的变化而变化。通常用电源抑制比表示电源电压变化对换调电压的影响。 偏置电流：理

42、想的比较器的输入阻抗为无穷大，因此，理论上对输入信号不产生影 响，而实际比较器的输入阻抗不可能做到无穷大，输入端有电流经过信号源内阻并流入 比较器内部，从而产生额外的压差。偏置电流（ibias）定义为两个比较器输入电流的中 值，用于衡量输入阻抗的影响。max917 系列比较器的最大偏置电流仅为 2na。 超电源摆幅：为进一步优化比较器的工作电压范围，maxim 公司利用 npn 管与 pnp 管 相并联的结构作为比较器的输入级，从而使比较器的输入电压得以扩展，这样，其下限 可低至最低电平，上限比电源电压还要高出 250mv，因而达到超电源摆幅（beyond- therail）标准。这种比较器的

43、输入端允许有较大的共模电压。 漏源电压：由于比较器仅有两个不同的输出状态（零电平或电源电压），且具有满 电源摆幅特性的比较器的输出级为射极跟随器，这使得其输入和输出信号仅有极小的压 差。该压差取决于比较器内部晶体管饱和状态下的发射结电压，对应于 mosffet 的漏源 电压。 输出延迟时间：包括信号通过元器件产生的传输延时和信号的上升时间与下降时间， 对于高速比较器，如 max961，其延迟时间的典型值可对达到 4.5ns，上升时间为 2.3ns。 设计时需注意不同因素对延迟时间的影响，其中包括温度、容性负载、输入过驱动等的 影响。 3.3.3 电压比较器芯片 常见的芯片有 lm324、lm3

44、58、ua741、tl081234、op07、op27，这些都可以做成 电压比较器（不加负反馈）。lm339、lm393 是专业的电压比较器，切换速度快，延迟时 间小，可用在专门的电压比较场合。 可用作电压比较器的芯片：所有的运算放大器。常见的有 lm324 lm358 ua741 tl081234 op07 op27，这些都可以做成电压比较器（不加负反馈）。lm339、lm393 是 专业的电压比较器，切换速度快，延迟时间小，可用在专门的电压比较场合，其实它们 也是一种运算放大器。 3.3.4 电压比较器的应用 利用四个比较器构成一个电流检测电路电路炉膛，可用于指示输入电流的四种状态， 电阻

45、“shunt”用于将输入电流转换为电压信号，r1 和 r2 用于设置运算放大器的增益， 并为比较器提供所需要的基准电压。r4r7 可用来设置不同数字输出状态所对应的检测 门限。 3.3.5 电压比较器的种类 电压比较器可以看作是放大倍数接近“无穷大”的运算放大器。电压比较器的功能： 比较两个电压的大小(用输出电压的高或低电平，表示两个输入电压的大小关系)： 当” ”输入端电压高于”输入端时，电压比较器输出为高电平； 当”输入端电压 低于”输入端时，电压比较器输出为低电平； 电压比较器的作用：它可用作模拟电路和数字电路的接口，还可以用作波形产生和 变换电路等。利用简单电压比较器可将正弦波变为同频

46、率的方波或矩形波。简单的电压 比较器结构简单，灵敏度高，但是抗干扰能力差，因此人们就要对它进行改进。改进后 的电压比较器有：滞回比较器和窗口比较器。运放，是通过反馈回路和输入回路的确定 “运算参数”，比如放大倍数，反馈量可以是输出的电流或电压的部分或全部。而比较 器则不需要反馈，直接比较两个输入端的量，如果同相输入大于反相，则输出高电平， 否则输出低电平。电压比较器输入是线性量，而输出是开关（高低电平）量。一般应用 中，有时也可以用线性运算放大器，在不加负反馈的情况下，构成电压比较器来使用。 3.3.7 电压比较器的功能 比较器的两路输入为模拟信号，输出则为二进制信号，当输入电压的差值增大或减

47、 小时，其输出保持恒定。从这一角度来看，也可以将比较器当作一个 1 位模/数转换器 (adc)。 3.4 脱扣器 3.4.1 脱扣器简介 脱扣器是配漏电保护器的，作用是当线路有漏电或人身触电时通过零序电流互感 器的电流的矢量和不等于零，互感器二次线圈的二侧产生电压，并经集成电路放大， 当达到整定值时，通过漏电脱扣器在0.1 秒内切断电源，从而起到触电和漏电保护作 用。 15 脱扣器具有过载、断路、漏电、欠压、过压、不平衡、欠频、过频、逆功率、相 序等保护功能；还具有负载监控、实时值测量、需量测量、谐波测量、测量表设置、 维护、通信、 di/do、区域选择性联锁、试验联锁、 lcd 界面显示等等

48、功能。 3.4.2 脱扣器的分类 电磁脱扣器只提供磁保护，也就是短路保护，其实际上是一个磁回力，当电流足 够大时产生的磁场力克服反力弹簧吸合衔铁打击牵引杆从而带动机构动作切断电路。 复式脱扣器提供磁保护和热保护，热保护也就是过载保护。热保护：电流经过脱 扣器时热组件发热（直热式电流直接过双金属片），双金属片受热变形，当变形至一 定程度时，打击牵引杆从而带动机构动作切断电路。 一般来说，电路中都用复式脱扣器来提供短路和过载保护，只有一些特殊场合用 电磁脱扣器提供短路保护，而由其它组件（如热继电器）来提供过载保护。 4 漏电保护器总体结构设计 4.1 设计思路 通过对漏电保护器四个组成部分的分析，

49、在了解每部分的工作情况和工作原理的基 础上对漏电保护器进行设计。 随着城乡电网的逐步改造，对供电系统使用分级保护是安全供电的必然趋势。漏电 保护器作为一种电气安全装置，安装在低压线路中，一旦线路漏电流达到保护器限定的 动作电流值时，在限定的时间内动作，自动断开电源进行保护。 在分级保护的供电系统中，应解决好各级保护装置的额定动作电流和动作时间或延 时的选定，以达到各级保护的协调目的。在我国电网改造中，一级保护及漏电总保护器 配置在配电变压器的低压总电源侧，是全网的总保护，其漏电动作电流值的选择以防止 间接接触的触电保护为主；二级或三级保护系统，能够更有效地防止人体触电和漏电火 灾事故。这种分级

50、保护的各级保护器，一般采用动作电流和动作时间设置不同的整定值 来实现分级保护。 这种分级保护系统，在防止触漏电事故方面起了一定的作用，但有时也会出现一、 二级保护器同时动作，导致大面积停电。因为突然接地或人体触电事故导致脉冲突变漏 电流可能会大到超过总体保护器整定的动作电流阈值，使一、二、三级漏电保护器同时 动作。仅仅依靠目前的延时型、鉴相脉冲型漏电保护器，不能克服以上缺点。只有在发 生触电事故，二、三级保护器动作时，保证总体保护不动作，而在二、三级保护失灵时， 总体保护则动作，才可以避免大面积停电。所以，作为总体保护用的一级漏电保护器在 发生突发的人体触电事故时，应具有判断二、三级保护器是否

51、动作的功能。经过大量的 事实分析和研究，提出了新型的电流型漏电保护器设计方案，可以有效地解决以上问题。 这种新型的漏电保护器适用于变压器中性点接地的低压配电网，作为总体或大分支 系统的间接漏电和触电保护，且要和交流接触器配合来实现其触漏电保护功能。这时被 保护系统不可重复接地，且不能与其它系统跨接负荷。 4.2 结构设计 设计方案为：总体保护器在脉冲动作的功能部分设置判断电路。当保护器检测到漏 电脉冲ta时，动作电流整定值，总体保护器的脉冲动作电路部分将进入0.2s 的延时动作； 在0.2s 内如果有漏电切断脉冲tb产生，判断电路将使0.2s 延时停止，总体保护器将不 动作而返回安全运行状态；

52、如果在延迟时间内没有检测到tb脉冲产生（即分支保护器失 灵不动作），在延时到0.2s时，总体保护器就动作，切断供电。新型的漏电保护器原理 结构框图，如图4.2所示。 17 4.3 新型漏电保护器的电路设计 倒相电路的设计： 采用倒相电路，只给控制部分输入放大的漏电流脉冲信号。倒相电路，如图4.3所示。 其中， a 点是放大后的漏电信号和b 点倒相后的信号相位相差180且幅度相等，两者 通过运算放大器相叠加后信号为零。叠加后只在c 点输出脉冲信号，消除了缓慢变化漏 电信号对脉冲信号产生的影响。 图 4.2 所设计的漏电保护器原理结构框图 脉冲比较放大电路的设计： 放大后的脉冲信号输出到负脉冲比较

53、器与设定值比较，比较放大后的信号，输出到 驱动电路（v02 ）和判断电路（v01）中。脉冲比较放大电路，如图4.4所示。 驱动电路的设计： 在正常送电工作状态时， n4 三极管处于饱和导通状态，继电器线圈有导通电流， 继电器触点闭合，继电器的触点闭合使交流接触器线圈接通电源。被保护系统正常送电。 漏电保护器的驱动电路，如图4.5所示。 图 4.3 倒向电路 图 4.4 脉冲比较放大电路 19 d1，d2，d3 组成或门电路，d1 输入缓慢漏电电流信号， d2， d3 输入突变的人体触电 脉冲信号。当三者有其中之一处于高电平时，将通过d4， d5 和r 1 8使e7 充电。当在 一定时间内（时间

54、常数为产品设计规定的延时时间0.2s）， e7 充电到n3 的导通电位， n3 导通。n3 的集电极和n4 的基极处于低电位，三极管n4 由导通变为截止，继电器线 圈断电而动作，使交流接触器线圈断电而跳闸动作，切断电源。当触电脉冲产生时，正 负脉冲比较器之一输出的高电平使触发器输出高电平。在e7 充电延时时间（ 0.2s）内， 如果二、三级保护器动作，则末级保护器动作切断事故电源端产生与漏电脉冲相反的脉 冲（ 一般滞后使时间为末级保护器的动作时间0.04 0.1s）。则该脉冲使触发器再次 翻转输出低电平，使电容e7 和n3 基极维持在低电平，n4 的集电极处于低电平，继续维 持送电，以此实现判

55、断功能。 判断电路的设计： 采用d 触发器实现判断功能。当有触电脉冲产生时，此触电脉冲t1加在cp 端使d 触 发器q 输出高电平。此电平加在驱动电路n3 三极管的基极，与比较器输出的高电平共同 使e7 充电，使n3 导通，n4截止，继电器动作，交流接触器脱机断电。如果末级保护动 作，产生延时时间为末级保护器动作时间的脉冲（切断故障电源脉冲t2），此时触发器 再次翻转使q 输出低电平，此低电位使n3 基极回到低电位，阻止其导通。保护器不动作， 继续维持送电。漏电保护器的判断示意图，如图4.6所示。 图 4.5 漏电保护器的驱动电路 4.4 漏电保护器的测试 对漏电保护器的动作特性进行了可靠性检验依据设计组装样机在实验室进行了多次模拟对比试验 经测 试证明其可靠动作的概率在 90%以上 如在实际的农村电网中进行测试 结果可能要低于模拟的测试结 果 这是因为外在环境复杂的干扰因素造成新型的漏电保护器误动作 所得动作部分数据： 如表 1 所示： 表 1 新