电器设备漏电保护及防护设计毕业论文

1、毕 业 论 文 (设 计) 论文(设计)题目：电器设备漏电保护及防护设计姓 名 潘海贝 学 号 12161010214 院 系 物理与电子工程学院 专 业 电子信息科学与技术 年 级 2012 级 指导教师 刘增平 2016年4月27日新乡学院本科毕业论文(设计)目 录摘 要1ABSTRACT2第1章 绪论31.1 引言31.2 漏电保护器的发展状况及前景3第2章 漏电保护器52.1 漏电保护器的工作原理52.2 漏电保护器的主要功能62.2.1 可以防止人身触电62.2.2 可以防止漏电引发的火灾72.2.3 可以降低对保护接地电阻值的要求82.2.4 可以防止漏电造成的设备损坏82.3 漏

2、电保护器的分类8第3章 漏电保护器的硬件电路设计83.1 总体设计方案93.2 检测电路的设计93.3 相位同步电路的设计103.4 单片机应用设计113.4.1 单片机的选择113.4.2 单片机接口按键设计133.4.3 单片机复位电路设计143.5 显示部分硬件设计143.6 控制执行部分硬件设计16第4章 漏电保护器的软件部分设计174.1 软件设计总体思路174.2 主程序的设计174.3 中断服务模块204.3.1 INT上升沿中断204.3.2 TMR2定时器中断214.4 漏电信号分析模块234.4.1 缓变漏电电流计算模块234.4.2 突变漏电电流计算模块244.5 漏电动

3、作记忆及显示模块27第5章 结论28参考文献29致 谢30摘 要由于市场上电器产品质量参差不齐，而且，电器产品已经与人们的日常生活紧密关联，因此，一些带有质量隐患的产品就会威胁人们的生命财产安全。漏电保护器可以防止火灾造成的重大经济损失以及人体触电导致死亡的情况发生。目前在国内外普遍采用的是电流动作型的漏电保护器，在设计漏电保护器时将其与单片机技术结合起来，不仅提高了其可靠性又实现了对使用人员的全方面的保护。关键词：漏电保护器；单片机；可靠性1ABSTRACTBecause of the uneven quality of electrical products,and electrical

4、products are closely related to peoples daily life,therefore ,some products with quality problems will threaten peoples life and property safety. Leakage protection device can prevent the fire caused by the significant economic losses and the human body contact with the current cause of death occurr

5、ed.Now what commonly used at home and abroad is current motion of the earth leakage protection device,when we design the leakage protection we can let it connect with the single-chip microcontroller technique together,it not only improves the reliability but also realizes the protection of all aspec

6、ts of the personnel use.Key words:Leakage protection; Single-chip microcontroller; Reliability第1章 绪论1.1 引言在人类文明刚刚兴起时，我们的祖先就已经通过对自然天气的观察认识了电，然而，人类真正开始对电的研究和使用，还是从18世纪的本杰明·富兰克林开始。自从电力能源进入人们的世界，我们就越来越离不开它，无论是生活还是工作，我们都需要电力的支持，我们的衣食住行都需要电力维持正常。如果地球上没有了电的存在，只怕整个世界都要崩溃。电是经济发展的命脉，它不仅是正常生活的基础，还要为工业现代化生

7、产保驾护航。它不仅使用方便，还便于传输，而且，它不像煤炭那样，使用后会产生有害物质，电非常洁净，是一种十分环保的能源。虽然电力有许多优点，但它的缺点同样不容忽视，在生活中因为电器设备使用方法不得当，或者线路长时间没有检查更换造成的线路老化，或者是电器过多都有可能引发漏电事故，导致火灾的发生。查看统计结果可知，我国每年因触电造成的死亡人数约有几千人，另外，漏电引起的火灾也给经济带来了巨大的损害。而漏电保护器的研究和使用就是尽量在最大程度上防止此类事件的发生，保护人们的生命财产安全不受损害，而它的功能也获得了人们的肯定，因此得到了人们的大力推广和广泛使用1。漏电保护器根据其工作原理可大致分为两类，

8、电压动作型的漏电保护器在测量时容易受到外界环境的干扰，导致其工作性能不稳定，而且它的保护范围也较小，目前已经逐步被市场淘汰掉，而电流型漏电保护器因其优点突出，可靠性高且局限性较小，得到了人们的推广应用。1.2 漏电保护器的发展状况及前景漏电保护器经过大力发展，已在全球各地使用。二十世纪初，德国率先发明并使用电压型漏电保护器，用以防止电器设备的外壳漏电，保障操作人员的安全2。大约在二十世纪五十年代，法国又研发出电流型漏电保护器，因为电流型的比电压型使用范围更广，可靠性更好，一经出现便得到人们的重视并对其进行了深入的研究。到了六十年代，美国成功研制出一款新型的电流型漏电保护器，这种保护器的电流灵敏

9、度可以达到5mA的，与之前的研究成果相比，又有了更大的进步。随后欧洲的几个发达国家也相继研究出电流灵敏度为30mA的电流型漏电保护器，自此开始电流型漏电保护器深入人们的生活，改变人们的生活方式，为人们的用电安全提供默默地保护。自1970年开始，全球许多国家逐步完善了各种规章制度，强制在一些特殊场合，如大型用电场所，公共娱乐地点等人流密度较大的地方，安装漏电保护器，至此，漏电保护技术已大体发展成熟3。因为近现代以来我国的科技发展明显落后于西方发达国家，因此我们国家对于漏电保护技术的研究相比较外国来说起步较晚，自七十年代开始，随着电灯、电话、电视机等家用电器逐步进入老百姓的家庭生活，我国的用电量也

10、开始逐年递增，触电事故发生的次数也呈现逐年递增的趋势，这才引起有关部门的重视。这些年来，电网水平的发展也促进了漏电保护器的应用，我国在研究、生产和使用漏电保护器方面都有了巨大的进步，国家的一些电力电器相关部门先后组织、审查、制定了漏电保护器的生产标准和使用标准4。这些标准要求漏电保护器在安装并开始使用后，使用单位应该建立相应的管理档案，对每台设备运行中的情况进行备案记录，并且每个月份都需要进行测试，查看其工作性能是否可靠，确保它的保护性能没有降低，可以发挥正常的保护功能，并且应增加潮湿环境中的检测次数。单片机技术的发展是与微电子技术的发展结合起来的，微电子的集成电路设计研究方向使得单片机的集成

11、度可以更高，在同样大小的一张芯片上可以集中更多的元件，使其性能更加优越，功能也往多样化发展起来，它们彼此相辅相成共同促进共同发展。把单片机作为元器件主体，可以优化传统的测量方式，如果将计算机技术应用在测量控制技术中，可以发展出智能化测量控制系统5。这种新的智能系统可以在测量过程中实现自动化，能准确快速的处理各种测量数据，实现功能的多样化。智能化发展是现代科技的发展主题，所以漏电保护器的发展也必将顺应发展的时代潮流。第2章 漏电保护器2.1 漏电保护器的工作原理市面上投入使用的漏电保护器种类繁多，形状样式也都不一样，但它们基本的硬件结构还有其工作原理却是大致相同的6。电流型漏电保护器的工作原理大

12、致来说，就是对火线和零线的电流进行测量，分辨出期间的微小差值，再经过放大电路的放大，当达到额定动作值时，就切断电路，它主要是由三个环节组成，即检测电路和综合处理环节还有执行机构，其组成框图如图1所示。 图1 组成结构图(1)检测电路的主体是漏电电流互感器，它由一次、二次绕组和闭环铁心按照一定的方式组合构成，而其中相线、中性线组合为一次绕组，其中有电流流过，如果流过电流的矢量和不为零，二次绕组中就会产生对应的感应电动势，然后这个信号就会被送到中间环节进行处理。(2)综合处理环节组成比较复杂，由于漏电电流较小需先由放大器进行放大、再送到比较器与预先设定值进行比较，最后是由单片机控制系统对处理结果进

13、行判断，然后将判断结果输出到执行机构7。(3)执行机构多采用触点系统，主体利用的是交流接触器，这个系统能根据上一个环节给出的执行信号，将主开关由闭合状态转换为断开状态，将被保护电路的电源切断，使其脱离电网。工作原理图如图2所示。试验按钮 RW.零序互感器图2 工作原理示意图当被检测电路中没有触电、漏电情况时，那么零序电流互感器中通过电流的矢量和为零，磁通量的矢量和也为零，线圈中不会产生电动势，所以漏电保护器不会产生切断电路的信号，系统维持正常运行状态。当被检测电路中存在触电漏电情况时，线路中的动作电流会使线圈中产生感应电动势，然后该信号会被送到中间环节，中间环节的各种器件会对其进行综合比较和处

14、理，当判断该信号达到设定值时，就能通过线圈通电使开关立即切断线路的连接电源，从而实现电器设备的漏电保护8。2.2 漏电保护器的主要功能2.2.1 可以防止人身触电漏电保护器最重要的一项功能就是对人身触电提供保护9。人们在日常生活中得知，通过人体的电流越大对人体造成的伤害就越严重，那么人体能承受的电流和承受的时间到底有何关系呢？为此科学家进行过反复的实验，我们由此可以知道:流过人体却对人体的健康功能不会造成太大损害的电流时间最大值是30mA·s。图3 人体能承受的电流和作用时间长短关系图德国一位科学家得到的结果是当通过人体的电流不超过50mA时，不会影响人的生命安全。在将安全系数的因素

15、考虑进去后（安全系数值大约为1.7），我们得出，电流时间值为30mA·s时，参考图3中的折线，我们可以知道，曲线的左边为安全区域，就是说人体在发生触电时，身体几乎感觉不到，不会对人身安全造成影响。因此只要设计出限制剩余动作电流为30 mA·s的智能漏电保护器，就可以在触电时及时断开开关，保护人的生命安全10。 2.2.2 可以防止漏电引发的火灾电器设备的漏电、配送电系统中因线路安装不正确或者电流流过金属缝产生热量，都有很大概率引起火灾。一些人认为漏电电流很大的情况下才会引发火灾，就会自动忽略小范围的漏电，觉得危险不大，事实上面积决定了密度，相同大小的漏电电流，当接触面积足够

16、小时，单位面积上产生的热能密度同样会很大，因此就有很大可能引发火灾。此时旁边若有大量的干燥易燃易爆物，就会导致大规模火灾或者爆炸的发生，威胁附近人员的生命安全。所以，普遍情况下，安装漏电保护器是可以防止漏电引起火灾事故的发生11。2.2.3 可以降低对保护接地电阻值的要求电气设备生产时都会规定一个接地电阻值，按照国家标准的规定这个值应不大于4或者10，然而，在土壤电阻率很高的地方，这一要求却难能达到。根据计算公式可知，若线路中安装有漏电保护器，那么接地电阻的最大值是小于安全电压和额定漏电电流的比率。因此，安装漏电保护器可以降低对保护接地电阻的要求12。2.2.4 可以防止漏电造成的设备损坏电器

17、设备在使用时对于电压和电流值的大小都会有一定的要求，如果用电设备在使用中发生了漏电事故，那么漏电瞬间其电压和电流值就会发生改变，突然增大的电流会在短时间内产生大量热能，如果散发不及时就会烧坏线路，造成电器设备的损坏。 2.3 漏电保护器的分类漏电保护器从出现以来便得到人们的青睐，经过不断地研究和快速发展，市面上漏电保护器的种类十分繁多、它所具有的各项功能也已经趋于完善，我们按照不同的方法将它们分门别类13。（1）依据运行方式可以分为：需要电源进行帮助的和不需要电源帮助的；（2）依据安装方式可以分为：固定安装使用的、可以移动使用的；（3）依据保护功能可以分为：只能进行漏电保护的、具有其他功能的（

18、如过压、过载、断相、过负荷等）；（4）依据接线方式可以分为：插孔插入式、接线安装式；（5）依据结构可以分为：组合电器、机械开关电器；（6）依据故障信号的形式可以分为：电流引起动作的、电压引起动作的。第3章 漏电保护器的硬件电路设计3.1 总体设计方案图4 总体结构设计图智能漏电保护器的结构包括五个部分：漏电信号检测、相位同步、漏电电流综合处理、液晶显示和结果执行14。漏电信号检测电路包含了零序电流互感器、漏电继电器以及信号处理模块等部分,该电路的作用是追踪电路情况，检测漏电信号，并对信号进行合适的转换然后传入单片机。相位同步电路的作用是将正常电压信号和漏电信号进行对比,观察两个信号的相位差差别

19、，然后由单片机进行比对，判断该漏电电流的具体情况。之后单片机控制液晶显示模块,方便显示出电网的漏电电流大小及其漏电区域，最终的结果由执行模块进行，漏电保护的工作至此完成。3.2 检测电路的设计零序电流是发生故障时流过互感器的感应电流，也是整个系统要检测的信号，它决定了系统的精确程度，所以选择合适的零序电流互感器对要设计的漏电保护器起着决定性作用。一般的零序电流互感器误差较大，不能满足检测要求，所以我的设计采用的互感器是LJWZ-3型的，它具备很高的精确程度。零序电流互感器与负载电阻相连，之后的信号传入低通滤波器中，由其进行进一步的处理15。滤波电路是一种选频网络，根据阻带的不同进行选择，由于晶

20、闸管整流设备在开关电源、充电装置等方面的应用，电网中会存在大量的高次奇次谐波，谐波会对整个电路产生危害，因此我们需要低通滤波器清除此类谐波。输出幅值的大小决定了滤波效果的好坏，无源滤波器由于电阻的分压和电路简单，输出信号幅值变小，最终结果不太合适。有源滤波电路使用了运算放大器，因此不会造成输出信号的幅值变化，使用情况相对较好。本文为了设计合理和使用方便采用有源滤波。常用的切比雪夫型滤波器的输出信号会在某一数值上下小范围波动，我们用纹波系数来表示该范围大小。切比雪夫型滤波器与巴特沃斯型滤波器相比，变化曲线陡峭，有较好的截止特性，和理想滤波器最为接近。我们选择滤波器是为了清除电网中的谐波，三次谐波

21、的大小只要降低到40dB就能满足电路的设计需要，因此选择四阶的切比雪夫滤波器就可以清除高次奇次谐波对电路造成的危害16。其原理图如图5。图5 滤波电路结构设计框图3.3 相位同步电路的设计本课题的相位同步电路设计要求漏电保护器能把各相的漏电电流分别显示，方便使用者分析漏电情况，判断是哪一条线路发生漏电事故。 设计图如图6所示:图6 相位同步电路结构设计图本电路可以在不切断被测电路的情况下，检测出电网的电压、电流间180度以内的相位差。当检测出漏电电流的大小以及滞后相位的实时情况时,我们选择A相电压作为基准，对漏电信号进行复原，观察是哪相的不平衡电流。比较器LM339可以看作过零检测器，用来判断

22、电路中的过零点。74LS74作用是用来提示信号的超前或退后。或门的作用是对接受到的信号进行合成，并且进行滤波和转换，最终结果由LCD液晶显示器显示出来，方便人们的观看和分析17。3.4 单片机应用设计3.4.1 单片机的选择选择单片机时要考虑各个方面的因素，比如引脚数目的多少，存储空间的大小，控制器的运行速度，芯片的实际大小等。结合本项目的实际情况，列出如下需求:所需I/O引脚的数目：（l） 漏电检测电路：1个采集端口。（2） 相位同步电路：1个输入端口。（3） 漏电动作电流设定电路：，对突变的大小、额定的大小以及额定分别进行设定。如下表1、2所示：表1 电路中的缓变电流值与动作延时的组合缓变

23、电流300/mA500/mA延时0.2S00000010非延时00010011表2 电路中的突变电流值与动作延时的组合突变电流30/mA50/mA100/mA不动作延时0.2S0100011010001010非延时0101011110011011我们将开关S1、S2、S3、S4的状态组合分别控制上面四项内容，所以共需4个输入端口，当这4个开关变换不同的状态时，其对应的设定组合也进行不同的变换。 （4） 漏电数字显示电路：显示漏电参数，需要7个输入口。（5） 动作执行单元：需设1个I/O输出端口。 本课题的设计选择PIC16F877单片机图7 PIC16F877单片机的引脚图3.4.2 单片机接

24、口按键设计时间参数和动作电流的设置可以由按键部分控制，当某一部位的按键被按下时，则该电位显示为低电位，系统会进行相应的操作，原理图如下：图8 按键电路结构原理图3.4.3 单片机复位电路设计一个完整的电路都会具备复位功能，为使本电路更合理需增加一个人工复位，单片机上一般都会有专门的引脚，用来进行外部复位，复位意思是清零，回到初始状态，本电路中的复位低电平有效18。如图9所示：图9 单片机复位电路示意图按下按键即代表单片机进入人工复位状态。3.5 显示部分硬件设计本课题使用LM020L液晶屏为显示主体，显示各项数据和配合按键调整各项参数，单片机与液晶屏的连接构造电路如图10所示：图10 显示部分

25、的硬件设计电路图表3 显示屏的各引脚功能表引脚号 符号 状态 功能1 VSS 电源地2 VDD +5V电源3 VEE 对比度调整端4 RS 输入寄存器选择端： 1数据寄存器；0指令寄存器5 R/W 输入 读写控制端：1读；0写6 E 输入 使能端7-14 D0-D7 三态数据总线3.6 控制执行部分硬件设计剩余电流保护器的主要作用是当剩余电流值超过额定电流动作值时，在轨道的延时时间后触动继电器切断故障电路的电源，以达到保护电路的目的。继电器控制的电路就是整个电路的执行机构，它的可靠性也为剩余电流保护器的工作提供了安全保障。该电路的设计如图11所示：图11 控制执行电路结构框图第4章漏电保护器的

26、软件部分设计4.1 软件设计总体思路一个完整的电路系统包括硬件和软件两个方面，硬件是基础，是系统的主干，软件却是系统的灵魂，只有软件体系和硬件体系完美合作，那么设计好的漏电保护器才能正常运行，完成人们设置的一系列保护任务。漏电保护器的主要作用就是收集电路中的剩余电流信号，并对其进行处理，跟踪变化缓慢的剩余电流信号，切换到合适的档位；若遇到剩余电流突变的情况，就将其与当前档位的额定值进行比较，然后控制继电器断开电源，以保护电路。由于整个系统要实现的功能较为繁杂，电路中包含了庞大的信息量要处理，所以设计切实可行的程序就很重要19。因此，我们选件部分的设计。4.2 主程序的设计本课题要达到的主要目的

27、有：（1）对电路中的逐渐增加的变化缓慢的漏电电流进行检测跟踪；（2）对电路中的突然出现且数值快速增加的漏电电流进行迅速反应处理；（3）根据电路中的漏电电流进行动作的判断和控制；（4）显示动作原因及数据，记忆开关闭合次数。本课题的软件由五部分构成，为别为默认状态回归模块、信号检测分析综合单元、中断服务模块、漏电动作输出执行单元、数据显示模块。 主程序的流程图如下示 NO图12 主程序的流程框图图13 延时子程序的流程框图图14 初始化程序流程框图4.3 中断服务模块4.3.1 INT上升沿中断在这个电路中我们把上升沿看作是数模转换的标志，那么每个上升沿都可以在INT端口产生一次中断，当第一个上升

28、沿在外部中断端口产生中断时，数模转换器就开始工作，从而可以对电网中的漏电电流采样，将模拟信号转化为数字信号。初始化开始进行后，用定时器TMR1计算电流波形的第一个周期用时时间，并在第一第二两个波形期间计算出定时器TMR2采样需要的间隔时间。INT上升沿中断流程图如下示:图15 INT上升沿中断流程图TMR2中断程序流程图如下示:图16 上升沿中断服务1流程图图17 上升沿中断服务2流程图图18 定时器中断程序框图4.3.2 TMR2定时器中断在两个彼此挨着的上升沿间，我们将一个完整的时间周期平均分成40份。由定时器TMR2产生中断信号，在每一个间隔时间进行一次随机采样，并将得到的数据结果进行一

29、系列的综合处理。采样间歇(RP2+l)的计算公式如下： （1） （2） 其中各参数为:T-T1_Count-TMR1 4-TMR1预分频RP2-TMR2定时值16-TMR2预分频40-采样点数0.2us-指令周期TMR2的如下所示：图19 TMR2中断程序流程框图4.4 漏电信号分析模块4.4.1 缓变漏电电流计算模块图20 缓变漏电电流结果处理单元1图21 缓变漏电电流结果处理单元2模块1负责在两次相连采样的间歇期间的依次累加即并按照记录顺序选择第19、20两个数据点的电流数值，并把它们作为总数为40的采样点中的最后两个点的电流数值。模块2负责在最后两个记录周期内加入最后两点的数据的平方后的

30、结果，然后整体计算其均值大小并对该数据进行开方，求得最后的有效结果，然后再将求出的有效结果输进电路的输出单元。4.4.2 突变漏电电流计算模块因为突然变化的漏电电流携带很多的数据，由此造成的计算量异常庞大，在一个间歇时间内不可能结束运算，所以我们对其进行划分，分为计算量较小的几个单元，通过借助记数器，先对突变漏电电流进行早期的简单处理，接下来在进行复杂的分步综合运算。图22 突变漏电电流结果处理单元1图23 突变漏电电流结果处理单元2图24 突变漏电电流结果处理单元3突变电流值的计算公式为： （3）求出突变电流值后，程序进入动作判断执行模块。程序的处理流程结构框图如上图24所示。突变电流的相位

31、计算公式为： （4）4.5 漏电动作记忆及显示模块市面上在使用的多数漏电保护器发出执行动作后，使用人员是不能清楚的知道动作的详细情况。将动作产生的原因保持下来，可以提升使用人员对于故障的分析效率。显示模块方便了使用人员监视电路。使用人员若发现电路漏电次数有很大提高，就应该做到尽早检查家中线路，排除故障区域，做到及时预防。电路中的漏电保护器，能显示漏电电流的具体相位，便于进行故障分析，准确判断发生漏电的线路20。第5章 结论漏电保护器在防止火灾发生和保护人们生命财产安全方面发挥了巨大的作用，在电力系统中的地位愈加重要。PIC16F877单片机是本课题设计的核心，以它为基础将检测单元、相位同步单元、综合处理单元和结果执行显示单元组合起来，构成漏电保护器的硬件部分。软件部分是电路的程序控制，包括计算电流周期、处理数据、判断延时情况及动作执行。设计采用的单片机具备较高的抗干扰能力，适合多种环境下的工作，价位适中，可以满足对电网电流信号进行的多种监测，并能根据使用人员的不同要求进行合适的改动，对于外围电路能够进行设计优化，使反应更加迅捷，满足漏电保护电路的需要。参考文献1陆俭国. 低压断路器和漏电保护电器的可靠性研究J. 中国工程科学,2005(6):