林俊逸 龍葵 李秋惠 藍(lán)海森

摘要：現(xiàn)有漏電保護(hù)器可以通過(guò)電流或電壓檢測(cè)發(fā)現(xiàn)和處理漏電問(wèn)題，但具備的功能有限，無(wú)法為低壓線路或設(shè)備提供全方位保障。基于此，通過(guò)分析保護(hù)器電路原理，提出了新型漏電保護(hù)器電路設(shè)計(jì)方案，并根據(jù)保護(hù)器動(dòng)作問(wèn)題完成了故障報(bào)警電路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了保護(hù)器自檢功能，通過(guò)遠(yuǎn)程報(bào)警增強(qiáng)漏電保護(hù)器工作的可靠性。

關(guān)鍵詞：故障報(bào)警;漏電保護(hù)器;電路設(shè)計(jì)

引言：在用電設(shè)備廣泛分布的背景下，設(shè)備因漏電損壞和引發(fā)火災(zāi)的幾率逐漸增加，在人員偶然接觸的情況下還可能造成傷亡事故，因此需要設(shè)計(jì)漏電保護(hù)器提供漏電保護(hù)，有效預(yù)防事故發(fā)生。而市面上常見的漏電保護(hù)器可以為低壓線路或設(shè)備過(guò)載、漏電、短路等提供保護(hù)，但在保護(hù)器發(fā)生故障時(shí)將出現(xiàn)保護(hù)失效情況，因此應(yīng)提出科學(xué)電路設(shè)計(jì)方案，有效解決相關(guān)問(wèn)題。

1漏電保護(hù)器電路原理分析

針對(duì)低壓配電網(wǎng)和特定負(fù)載設(shè)備，漏電保護(hù)器可以利用漏電傳感器實(shí)時(shí)采集三相四線配網(wǎng)電流和電壓信號(hào)，根據(jù)環(huán)境條件合理設(shè)定保護(hù)閾值。如在提供臺(tái)區(qū)總保護(hù)時(shí)，可以將剩余電流動(dòng)作值設(shè)定在500～1000mA之間，分?jǐn)鄷r(shí)間為0.5s，發(fā)現(xiàn)超閾值確定將控制斷路器動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)輸出斷開。在電壓監(jiān)測(cè)方面，可以根據(jù)電壓大小進(jìn)行判斷，如比標(biāo)準(zhǔn)電壓一半高或低，將觸過(guò)壓或欠壓保護(hù)，避免線路或設(shè)備受損[1]。通過(guò)檢測(cè)、判斷異常電流或電壓信號(hào)，漏電保護(hù)器能夠通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)保護(hù)動(dòng)作。根據(jù)采集到的電流大小，可以確定故障原因和位置，提供告警信息，為人員開展線路維修工作提供依據(jù)。在電網(wǎng)設(shè)施較差的地區(qū)，低壓配電網(wǎng)容易出現(xiàn)三相不平衡泄漏電流，需要在配變低壓側(cè)、進(jìn)入集表箱和用戶電源側(cè)分別安裝漏電保護(hù)器，在檢測(cè)發(fā)現(xiàn)漏電流達(dá)到一定值后迅速切斷主干線，以免引發(fā)設(shè)備或線路損壞。

2帶故障報(bào)警的漏電保護(hù)器電路設(shè)計(jì)

2.1保護(hù)器電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)漏電保護(hù)器，應(yīng)認(rèn)識(shí)到傳統(tǒng)漏電保護(hù)器采取串口通信方式與上位機(jī)通信，不僅布線麻煩，采用的單片機(jī)處理速度也較慢，同時(shí)僅能提供單一接口，無(wú)法實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展。針對(duì)這一情況，需要設(shè)計(jì)新型保護(hù)器電路，使設(shè)備在提供各種保護(hù)功能的同時(shí)，為遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、故障定位等功能實(shí)現(xiàn)提供支持。從總體上來(lái)看，需要以ARM微處理器為核心，通過(guò)連接漏電流采集電路、三相電壓采集電路、斷路器驅(qū)動(dòng)開關(guān)電路、復(fù)位電路、電源電路、液晶顯示電路等多個(gè)電路實(shí)現(xiàn)線路或設(shè)備異常狀況和故障監(jiān)測(cè)。通過(guò)無(wú)線通信模塊，可以將各種信息上傳，實(shí)現(xiàn)設(shè)備遠(yuǎn)程控制。采用ARM微處理器，可以選用PIC16F877單片機(jī)，擁有精簡(jiǎn)指令集和多種外設(shè)結(jié)構(gòu)，可以擴(kuò)展多種功能，同時(shí)憑借高性能加快各種數(shù)據(jù)處理，為保護(hù)器快速反應(yīng)提供支持[2]。在接收各種信號(hào)時(shí)，單片機(jī)可以體現(xiàn)較強(qiáng)抗干擾能力，可以達(dá)到漏電保護(hù)設(shè)計(jì)的可靠性要求。在采集電路設(shè)計(jì)上，需要配備三相電壓互感器，通過(guò)CT對(duì)電流矢量和進(jìn)行檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)負(fù)荷不平衡情況。ARM根據(jù)采集的信號(hào)，可以通過(guò)開關(guān)電路驅(qū)動(dòng)斷路器動(dòng)作。電路發(fā)生絕緣故障，零序電流互感器將出現(xiàn)矢量和不為零情況，達(dá)到動(dòng)作電流值將通過(guò)二次繞組直接輸出信號(hào)，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。設(shè)計(jì)開關(guān)電路，可以通過(guò)機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置提供常開或常閉觸點(diǎn)，對(duì)斷路器動(dòng)作進(jìn)行控制。在接收到處理器漏電保護(hù)指令時(shí)，通過(guò)使斷路器電磁線圈動(dòng)作將電路切斷。設(shè)計(jì)復(fù)位電路，可以在故障解除后將斷路器復(fù)位，確保線路能夠正常運(yùn)行。此外，設(shè)計(jì)無(wú)線通信模塊，利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將互感器監(jiān)測(cè)到的數(shù)值傳遞至監(jiān)控平臺(tái)或移動(dòng)終端，為人員管理提供依據(jù)。

2.2保護(hù)器動(dòng)作問(wèn)題

在保護(hù)器工作過(guò)程中，需要先通過(guò)采集電路完成線路或設(shè)備電流、電壓信號(hào)采集，發(fā)送至微處理器進(jìn)行判斷，在確定達(dá)到漏電保護(hù)限值時(shí)發(fā)出控制指令，通過(guò)開關(guān)電路驅(qū)動(dòng)斷路器動(dòng)作。根據(jù)觸頭狀態(tài)，可以確定斷路器為開關(guān)還是閉合狀態(tài)，并將結(jié)果通過(guò)通信模塊發(fā)送至遠(yuǎn)端服務(wù)器，根據(jù)寄存的物理地址確定異常點(diǎn)位或故障位置。而每個(gè)采樣端包含兩個(gè)輸入端，分別連接中心線和三相電的相線，可以構(gòu)成回路。對(duì)配電低壓側(cè)的六個(gè)輸入端的采樣值進(jìn)行判斷，需要通過(guò)微處理器比較確認(rèn)保護(hù)器開關(guān)狀態(tài)，發(fā)送低壓側(cè)缺相、停電、接地等不同告警信號(hào)，經(jīng)過(guò)綜合分析發(fā)送控制指令[3]。在整個(gè)過(guò)程中，通過(guò)電流互感器對(duì)電流零陷和火線中的電流向量和進(jìn)行檢測(cè)，正常應(yīng)為零，發(fā)生漏電流意味著平衡被破壞，導(dǎo)致次級(jí)線圈出現(xiàn)剩余電流。通過(guò)漏電檢測(cè)，確認(rèn)超出閾值后向開關(guān)器件晶閘管發(fā)出信號(hào)，使其導(dǎo)通，相線流過(guò)線圈促使驅(qū)動(dòng)機(jī)械裝置將斷路器斷開。而一旦出現(xiàn)觸頭粘連、線圈損壞或電源故障，就會(huì)導(dǎo)致保護(hù)動(dòng)作無(wú)法正常執(zhí)行，引發(fā)設(shè)備功能失效問(wèn)題。針對(duì)這一情況，需要在保護(hù)器電路中增設(shè)故障報(bào)警電路，實(shí)現(xiàn)保護(hù)器自檢功能，在發(fā)現(xiàn)保護(hù)器故障時(shí)及時(shí)發(fā)出報(bào)警，提醒人員處理，以免設(shè)備在漏電發(fā)生后無(wú)法正常發(fā)揮作用。

2.3故障報(bào)警電路設(shè)計(jì)

圍繞保護(hù)器動(dòng)作可能失效的問(wèn)題，需要在原電路基礎(chǔ)上增設(shè)故障檢測(cè)回路實(shí)現(xiàn)保護(hù)器自檢功能，即分別設(shè)計(jì)觸頭檢測(cè)、線圈檢測(cè)和電源電路檢測(cè)電路，發(fā)現(xiàn)任意電路信號(hào)出現(xiàn)異常將發(fā)出報(bào)警。

2.3.1觸頭檢測(cè)

在觸頭狀態(tài)檢測(cè)方面需要實(shí)施動(dòng)態(tài)檢測(cè)，在線路發(fā)生漏電情況時(shí)斷路器無(wú)動(dòng)作，故障報(bào)警電路將迅速識(shí)別并報(bào)警?？紤]到線路電壓、電流并不穩(wěn)定，單純通過(guò)檢測(cè)漏電和斷路器動(dòng)作可能出現(xiàn)誤報(bào)問(wèn)題，需要增設(shè)同步計(jì)數(shù)器統(tǒng)計(jì)機(jī)構(gòu)未動(dòng)作次數(shù)，并設(shè)定限值輔助判斷。選用16進(jìn)制的異步計(jì)數(shù)器74LS169對(duì)漏電次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，芯片功能簡(jiǎn)單，成本和功耗較低。通過(guò)連接微處理器，可以接收判斷得到的漏電信號(hào)，到達(dá)累積次數(shù)發(fā)出報(bào)警。在漏電檢測(cè)過(guò)程中，檢測(cè)到漏電故障但機(jī)械機(jī)構(gòu)并未動(dòng)作，為防止電壓檢測(cè)芯片因電壓過(guò)高受損，需要在電路中設(shè)計(jì)二極管，配合電阻加強(qiáng)線圈中電流感應(yīng)。計(jì)數(shù)器看成是加法計(jì)數(shù)器，將引腳1上拉可以使初始值為零，每次根據(jù)感應(yīng)到的漏電信號(hào)加1。將輸出連接至撥碼開關(guān)上，可以完成閾值設(shè)定。從靈敏度角度進(jìn)行考量，可以設(shè)定為累計(jì)4次進(jìn)行報(bào)警。在發(fā)生漏電后，如果觸頭能夠正常斷開，斷路器能夠?qū)⒕€路切斷，電路不會(huì)感應(yīng)到漏電信號(hào)，因此計(jì)數(shù)器不會(huì)計(jì)數(shù)。反之，斷路器無(wú)法正常動(dòng)作，電路將記錄漏電次數(shù)，并根據(jù)門限值發(fā)送報(bào)警指令。

2.3.2線圈檢測(cè)

在線圈和電源檢測(cè)方面，需要采用靜態(tài)檢測(cè)方案，根據(jù)線路通電狀態(tài)判斷回路是否工作。發(fā)現(xiàn)任一回路不工作，將通過(guò)報(bào)警裝置發(fā)送信號(hào)。在線圈檢測(cè)方面，設(shè)計(jì)的電路需要利用二極管限制線圈中流過(guò)的電流，與另一個(gè)二極管構(gòu)成穩(wěn)壓電源，對(duì)電路進(jìn)行穩(wěn)壓，以免電路中三極管的基極電壓過(guò)高，導(dǎo)致電路元器件燒損。正常情況下，線圈未燒損，電路中的電容處于高電平，受三極管特性影響，電路不會(huì)導(dǎo)通，電流不會(huì)流過(guò)報(bào)警裝置。但線圈一旦損壞，電容將處于低電平，三極管將被導(dǎo)通，促使報(bào)警裝置工作。

2.3.3電源檢測(cè)

檢測(cè)保護(hù)器的電源功能是否正常，可以采用由電阻和三極管構(gòu)成的簡(jiǎn)單測(cè)試電路。將三極管與電源連接，在電源可以正常輸出電壓的情況下，三極管不會(huì)導(dǎo)通，報(bào)警裝置所在電路不通電。反之電源出現(xiàn)故障，三極管將處于導(dǎo)通狀態(tài)，報(bào)警裝置中有電流流過(guò)，從而發(fā)出報(bào)警。無(wú)論是線圈或電源發(fā)生故障，保護(hù)器都將處于故障狀態(tài)，因此要求電路能否即刻報(bào)警。報(bào)警裝置可以與微處理器構(gòu)成通信系統(tǒng)，通過(guò)遠(yuǎn)程方式將保護(hù)器狀態(tài)發(fā)送至遠(yuǎn)端服務(wù)器，在監(jiān)控中心平臺(tái)上顯示，提醒人員及時(shí)處理。

2.4電路設(shè)計(jì)效果

從電路設(shè)計(jì)效果來(lái)看，應(yīng)用上述漏電保護(hù)器為低壓配電網(wǎng)線路和設(shè)備提供保護(hù)，能夠在檢測(cè)到漏電信號(hào)超出限值時(shí)及時(shí)控制斷路器通斷，保證配電網(wǎng)正常運(yùn)行的同時(shí)，通過(guò)向遠(yuǎn)端傳遞告警信息提醒人員處理。而在漏電保護(hù)器自身發(fā)生故障的情況下，可以通過(guò)自檢及時(shí)發(fā)現(xiàn)線圈和電源故障，并在檢測(cè)到漏電信號(hào)但斷路器未動(dòng)作時(shí)計(jì)數(shù)，超出設(shè)定限值時(shí)判斷為觸頭故障，避免了誤報(bào)情況的發(fā)生。根據(jù)保護(hù)器電路發(fā)送的告警、報(bào)警信息，人員可以及時(shí)進(jìn)行故障定位，高效開展線路檢修工作，防止因漏電引發(fā)各種安全事故，對(duì)配電網(wǎng)的安全、可靠和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要意義。

結(jié)論：作為低壓保護(hù)電氣，要求漏電保護(hù)器能夠正常提供多種保護(hù)功能的同時(shí)，可以輔助人員進(jìn)行故障定位，提醒人員及時(shí)進(jìn)行故障處理。設(shè)計(jì)帶故障報(bào)警功能的保護(hù)器，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備自檢功能，提高保護(hù)器工作的可靠性，有效發(fā)揮漏電保護(hù)技術(shù)作用。因此相信隨著漏電保護(hù)器在配電網(wǎng)中地位的日漸提升，設(shè)計(jì)的電路可以獲得較好應(yīng)用前景，為推動(dòng)電力事業(yè)的健康發(fā)展提供有力技術(shù)支撐。

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