王綏亮

（海南獅子魚(yú)深海技術(shù)有限公司，三亞 572000）

0 引言

常規(guī)的單相電路保護(hù)器，如空氣開(kāi)關(guān)等，在發(fā)生故障時(shí)動(dòng)作時(shí)間多數(shù)在100 ms 以上。為了確保在設(shè)備使用過(guò)程中人員的操作安全，需要在發(fā)生故障時(shí)，超快速地切斷相電。

通常使用繼電器和差動(dòng)互感器作為單相電保護(hù)電路的檢測(cè)和開(kāi)關(guān)部件。差動(dòng)互感器是一種特殊的電流互感器，電流互感器是一種用來(lái)測(cè)量一次側(cè)大電流的重要部件。通過(guò)特殊繞線方式，實(shí)現(xiàn)在差動(dòng)互感器的流入電流等于流出電流時(shí)不產(chǎn)生電壓差，在流入電流不等于流出電流時(shí)，產(chǎn)生差動(dòng)電壓，反應(yīng)靈敏。繼電器因工作原理的原因，吸合和釋放存在較大的時(shí)間延時(shí)，不能快速切斷相電。且往往短路保護(hù)和漏電保護(hù)是由兩個(gè)部件組成，增加了費(fèi)用支出。且通常漏電保護(hù)器的安裝需要一定的專業(yè)知識(shí)，防止漏電保護(hù)器的誤動(dòng)作。

提出的保護(hù)電路，采用差分互感器對(duì)漏電保護(hù)反應(yīng)靈敏，且具備短路保護(hù)功能，利用場(chǎng)效應(yīng)管的高速開(kāi)關(guān)特性和低飽和壓降特點(diǎn)，能快速地執(zhí)行開(kāi)關(guān)動(dòng)作，具有很大的工程應(yīng)用意義。

1 保護(hù)電路方案整體結(jié)構(gòu)

提出的超快速漏電、短路保護(hù)電路采用差動(dòng)電流互感器作為漏電檢測(cè)裝置，增加取樣電阻（或使用互感器內(nèi)阻）作為短路采樣電阻。輸入電流通過(guò)開(kāi)關(guān)管后，輸送給負(fù)載，當(dāng)發(fā)生漏電或短路時(shí)，漏電、短路識(shí)別電路鑒別到故障發(fā)生，開(kāi)關(guān)控制電路立即發(fā)生斷電指令，故障信號(hào)經(jīng)過(guò)綜合時(shí)間延長(zhǎng)后，若在該時(shí)間之內(nèi)故障未解除，則持續(xù)斷電指令，若在該時(shí)間之內(nèi)故障解除，延長(zhǎng)時(shí)間結(jié)束，恢復(fù)供電。如圖1所示。

圖1 漏電、短路保護(hù)電路框架

電源基準(zhǔn)電路作用有兩個(gè)方面：一方面是提供開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電壓；另一方面是給邏輯器件供電，這兩個(gè)部分的參考地不一樣，給開(kāi)關(guān)管提供供電電壓的參考地為AC300/50 Hz，給邏輯器件供電的參考地是GND。開(kāi)關(guān)控制電路作用是在故障發(fā)生時(shí)，通過(guò)斷電邏輯將開(kāi)關(guān)管斷開(kāi)，待故障解除后再恢復(fù)正常工作。漏電、短路識(shí)別電路作用是快速鑒別故障信號(hào)。綜合時(shí)間延長(zhǎng)電路作用是檢測(cè)到故障信號(hào)后，將故障時(shí)間延長(zhǎng)。

2 保護(hù)電路原理分析

2.1 電源基準(zhǔn)電路

邏輯器件和開(kāi)關(guān)管工作時(shí)，需要提供供電電壓和驅(qū)動(dòng)電壓。根據(jù)用途的不同，電源基準(zhǔn)電壓選取的參考地線也不同，如圖2所示。

圖2 電源基準(zhǔn)電路結(jié)構(gòu)

電源為交流300V50Hz 交流電，穩(wěn)壓管V1和V2 選取6.2 V 線性穩(wěn)壓二極管，能夠驅(qū)動(dòng)NMOS 管 和PMOS 管。VCC 和VSS 的 參 考 地 為OUT 電位，VCC 作為驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管的邏輯器件的電源正電壓，VSS 作為驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管邏輯器件的電源負(fù)電壓。驅(qū)動(dòng)輸出VCC 時(shí)，NMOS 管導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)輸出VSS時(shí)，PMOS導(dǎo)通。

V3 選取電壓基準(zhǔn)芯片TL431，參考電壓為2.5 V。VDD 參考地為GND，配置輸出5 V。作為綜合時(shí)間延長(zhǎng)和短路保護(hù)鑒別邏輯器件供電電壓。

2.2 開(kāi)關(guān)控制電路

采用超快速恢復(fù)場(chǎng)效應(yīng)管作為開(kāi)關(guān)控制器件，能夠?qū)收想娐愤M(jìn)行快速的分?jǐn)唷２捎脙蓚€(gè)MOS 管聯(lián)合工作，能夠降低單管工作下的負(fù)擔(dān)。如圖3所示。

圖3 開(kāi)關(guān)控制電路

開(kāi)關(guān)控制電路與綜合時(shí)間延長(zhǎng)電路通過(guò)光耦隔離。其中：D1、D2、D3、D4、D5、D6為施密特觸發(fā)器，供電電源為VCC和VSS，因?yàn)樵摴╇婋娫吹膮⒖嫉貫镺UT，當(dāng)電路正常工作時(shí)，CTL1電平為高電平，PMOS的柵極電壓為VSS負(fù)壓，NMOS 的柵極電壓為VCC 正壓，OUT1 正常輸出。當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，CTL1 被拉低到VSS，因此，PMOS和NMOS斷開(kāi)，OUT1沒(méi)有輸出。

2.3 漏電、短路識(shí)別電路

漏電識(shí)別電路采用差動(dòng)電流互感器結(jié)構(gòu)，如圖4 所示。其中，R2 和R3 為電流互感器原邊線圈內(nèi)阻，或者額外添加取樣電阻，以作為短路保護(hù)的取樣。

圖4 漏電、短路識(shí)別電路

互感器M1 和M2 是一個(gè)特殊的“差分互感器”，作用在同一個(gè)鐵芯上，有兩個(gè)相同的、并繞的初級(jí)線圈，一個(gè)做M1 的L1，一個(gè)做M2 的L4；只有一個(gè)公用的次級(jí)線圈L2?！安罘只ジ衅鳌钡囊粋€(gè)初級(jí)線圈流過(guò)相電流如M1，同名端接電源輸出端，一個(gè)初級(jí)線圈流過(guò)地線電流如M2，同名端接負(fù)載端。

當(dāng)沒(méi)有漏電流時(shí)，因?yàn)榛ジ挟a(chǎn)生的電流相互抵消，保證了“差分互感器”的次級(jí)線圈電流差為零，沒(méi)有電流、電壓輸出。當(dāng)有漏電流時(shí)，流過(guò)兩個(gè)初級(jí)線圈的電流不同，次級(jí)線圈中電流不為零，在R1 上采樣到互感差分電壓?；ジ胁罘蛛妷航?jīng)過(guò)綜合時(shí)間延長(zhǎng)電路后，快速做出斷電指令，并對(duì)故障時(shí)間進(jìn)行延長(zhǎng)。

R2作為短路故障取樣電阻，假設(shè)U1輸入鑒別電壓為V，則輸出采樣電壓V為

因此，短路限制電流為：

電路正常工作時(shí)，U1 輸出邏輯為高，此時(shí)，D2 二極管陰極電平為低。由于負(fù)載發(fā)生短路故障，相地電流增大，短路取樣電阻R2 兩端電壓增大。因此，V增大，導(dǎo)致V增大，超過(guò)邏輯器件U1的閾值電壓時(shí)，U1輸出為低，由于D3二極管反接到地線，因此，D2二極管陰極電平為低。短路電流信號(hào)為50 Hz的交流信號(hào)，在半周期中，由于輸出電壓取樣電壓從最大值到最小值發(fā)生變化，因此，U1 輸出邏輯又從低電平到高電平轉(zhuǎn)變，大約在10 ms 左右，此時(shí)，D2 二極管陰極為高電平。經(jīng)綜合時(shí)間延長(zhǎng)電路，發(fā)生斷電指令及斷電指令時(shí)間延長(zhǎng)。

2.4 綜合時(shí)間延長(zhǎng)電路

如圖5 所示，當(dāng)負(fù)載對(duì)地發(fā)生漏電時(shí)，“差分互感器”流過(guò)相電流的初級(jí)線圈和流過(guò)地線電流的初級(jí)線圈產(chǎn)生差分電流，在R 取樣上產(chǎn)生50 Hz的互感差分電壓。假設(shè)次級(jí)差分電流為，則R取樣上產(chǎn)生的互感差分電壓為

圖5 綜合時(shí)間延長(zhǎng)電路

D1、D2、D3 和D4 是異或邏輯器件，可選CD4030BE，供電電源為VDD，邏輯地為GND。D1 和D2 的一端接GND，另一端作為漏電差分電壓輸入鑒別。上電瞬間，由于V1 的存在，D1 和D2 的差分互感電壓鑒別引腳初始電壓為2.5 V，隨著電容充電的飽和，D1的偏置電壓為

D2的偏置電壓為

通過(guò)設(shè)置R1、R2 和R3 的阻值，設(shè)置適當(dāng)?shù)闹绷髌秒妷?。設(shè)置D1 偏置比2.5 V 高一點(diǎn)，D2 偏置比2.5 V 低一點(diǎn)。電路正常工作時(shí)，D1輸出高電平，D2輸出低電平，因此D3輸出低電平，D4輸出低電平。

當(dāng)存在漏電電流，產(chǎn)生差分互感電壓時(shí)，差分互感電壓為50Hz 的正弦波，初始相位為R取樣電阻的下端電位比上端電位高。D1和D2分別在偏置電壓的基礎(chǔ)上疊加差分互感電壓。

差分互感電壓負(fù)半波通過(guò)時(shí)，D1 偏置電壓逐漸減小，D2 偏置電壓逐漸增大，當(dāng)偏置電壓超過(guò)邏輯器件的閾值電壓時(shí)，邏輯器件產(chǎn)生動(dòng)作，此時(shí)，D1 輸出低電平，因?yàn)镃2 通過(guò)電阻4放電，電阻4設(shè)置比較大的電阻值，放電較慢，因此，對(duì)應(yīng)D3端輸入引腳存在負(fù)壓。D2輸出高電平，對(duì)應(yīng)D3 的輸入引腳存在正壓，因?yàn)殡娮鑂5阻值設(shè)置較大，正壓降低較慢，此時(shí)D3輸入端一端為高電平，一端為負(fù)壓，D3 輸出為高電平，D4 產(chǎn)生斷電指令高電平，且C4 電容充電。

差分互感電壓正半波通過(guò)時(shí)，D1 偏置電壓逐漸增大，D2 偏置電壓逐漸減小，超過(guò)邏輯器件的閾值電壓時(shí)，邏輯器件D1 和D2 產(chǎn)生動(dòng)作，D1 輸出高電平，C2 放電未完又重新充電，因此，對(duì)應(yīng)D3 的輸入端輸入引腳電壓為0 V。D2輸出低電平，因?yàn)镃3 充電較慢，對(duì)應(yīng)D3 的輸入端輸入引腳電壓存在較低的負(fù)壓，邏輯電平為低。因此，D3輸出為低，因?yàn)殡娙軨4保持電壓的作用，此時(shí)，D4 輸出仍然為高電平。C4 通過(guò)電阻R7 放電，因此，綜合時(shí)間延長(zhǎng)電路時(shí)間延長(zhǎng)為

在漏電故障排除后，經(jīng)過(guò)綜合時(shí)間延長(zhǎng)時(shí)間后，D4恢復(fù)低電平輸出。

短路識(shí)別電路輸出連接到綜合時(shí)間延長(zhǎng)電路的6和7。因?yàn)槎搪冯娏魇?0 Hz的正弦波，正常工作時(shí)短路識(shí)別輸出低電平，當(dāng)電路發(fā)生短路時(shí)，短路識(shí)別輸出高電平，因此，D4 產(chǎn)生斷電指令。待故障解除，且綜合時(shí)間延長(zhǎng)結(jié)束后，恢復(fù)正常供電。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 電源基準(zhǔn)電路仿真分析

電源基準(zhǔn)電路仿真結(jié)果如圖6所示。橫坐標(biāo)為時(shí)間軸，單位s；縱坐標(biāo)為電壓軸，單位V。VCC 和VSS 的參考地為相線，VDD 參考地為地線。仿真結(jié)果顯示，VCC 平均值為6.19 V，VSS平均值為-6.19 V，VDD平均值為5.02 V。

圖6 電源基準(zhǔn)電路仿真曲線

3.2 綜合時(shí)間延長(zhǎng)電路仿真分析

綜合時(shí)間延長(zhǎng)電路仿真分析如圖7所示。橫坐標(biāo)為時(shí)間軸，單位為s；縱坐標(biāo)為電壓軸，單位為V。

圖7 綜合時(shí)間延長(zhǎng)電路仿真曲線圖

從仿真曲線可以看出，當(dāng)負(fù)載存在漏電時(shí)，此時(shí)漏電電流僅僅有30 mA，“差分互感器”將產(chǎn)生差分互感電壓，經(jīng)過(guò)綜合時(shí)間延長(zhǎng)電路處理后，產(chǎn)生斷電指令。從漏電電流產(chǎn)生到斷電指令發(fā)生時(shí)間差幾乎可以忽略不計(jì)。

3.3 整體電路仿真

整體電路仿真結(jié)果如圖8所示。橫坐標(biāo)為時(shí)間軸，單位為s；縱坐標(biāo)為電壓軸，單位為V。

圖8 整體電路仿真曲線圖

仿真參數(shù)設(shè)置為，漏電故障發(fā)生于3.5 s～4 s，短路故障發(fā)生于4.5 s～4.8 s。

發(fā)生漏電故障時(shí)，漏電電流最大只有20 mA，“差分互感器”產(chǎn)生差分互感電壓，識(shí)別到漏電故障發(fā)生后，立即產(chǎn)生斷電指令，高電平。經(jīng)綜合時(shí)間延長(zhǎng)后，在延長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)故障信號(hào)仍然存在，因此斷電指令仍然保持高電平。4 s 后，漏電故障解除，待綜合時(shí)間延長(zhǎng)內(nèi)，電壓降低到邏輯器件的閾值電壓，電路恢復(fù)正常供電。

發(fā)生短路故障時(shí)，短路識(shí)別電路檢測(cè)到短路故障發(fā)生。經(jīng)過(guò)約半個(gè)周期時(shí)間，約10 ms產(chǎn)生斷

電指令高電平。在綜合時(shí)間延長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，故障

存在，斷電指令保持高電平，4.8 s后，短路故障解除，斷電指令恢復(fù)低電平，電路正常輸出。

4 結(jié)語(yǔ)

提出的單相電漏電、短路保護(hù)電路仿真分析方法，結(jié)果表明，漏電保護(hù)幾乎無(wú)時(shí)間延時(shí)，短路故障保護(hù)動(dòng)作時(shí)間約在15 ms之內(nèi)。在進(jìn)行工程實(shí)施時(shí)，需要考慮各個(gè)元器件的耐壓等級(jí)和額定電流值。該電路方案在解決快速漏電、短路保護(hù)中具有較大的參考意義。