??? 摘? 要: 介紹了一種基于單片機(jī)的漏電保護(hù)器測試儀的軟,、硬件設(shè)計,實現(xiàn)了漏電保護(hù)器動作特性的在線自動檢測。?

??? 關(guān)鍵詞: 漏電保護(hù)器? 動作特性? 單片機(jī)? 斷電檢測

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??? 低壓配電系統(tǒng)中裝設(shè)漏電保護(hù)器(剩余電流動作保護(hù)器)是防止電擊事故的有效手段之一,也是防止漏電引起電氣火災(zāi)和電氣設(shè)備損壞事故的技術(shù)措施,。國家標(biāo)準(zhǔn)要求漏電保護(hù)器在投入運行后,使用單位應(yīng)建立運行記錄及相應(yīng)的管理制度,每月需在通電狀態(tài)下,按動實驗按鈕,檢查漏電保護(hù)器動作是否可靠,。雷雨季節(jié)應(yīng)增加檢查次數(shù)。但是該實驗只能用來檢查漏電保護(hù)器的脫扣功能,不能用來校核額定漏電動作電流和分?jǐn)鄷r間的數(shù)值,。所以國家標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定應(yīng)定期進(jìn)行漏電保護(hù)器的動作特性實驗,測試漏電動作電流值,、漏電不動作電流值和分?jǐn)鄷r間。我們研制了一種漏電保護(hù)器測試儀,可在線實現(xiàn)上述功能的測試,。?

1 硬件電路設(shè)計?

??? 硬件電路主要包括信號采集控制電路,、斷電檢測電路及單片機(jī)控制電路。?

1.1 信號采集控制電路?

??? 國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定額定漏電動作電流I_Δn的優(yōu)先值為:0.006,、0.01,、0.03、0.05,、0.1,、0.3、0.5,、1,、3、5,、10,、20A;額定漏電不動作電流I_Δno的優(yōu)先值為0.5I_Δn,如果采用其它值時應(yīng)大于0.5I_Δn;漏電保護(hù)器的分?jǐn)鄷r間如表1、表2所示,。?

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??? 手持式電動工具,、移動電器,、家用電器插座回路的設(shè)備優(yōu)先選用I_Δn不大于30mA的快速動作的漏電保護(hù)器;單臺電機(jī)設(shè)備可選用I_Δn為30mA及以上、100mA以下的快速動作的漏電保護(hù)器;有多臺設(shè)備的總保護(hù)應(yīng)選用I_Δn為100mA及以上的快速動作的漏電保護(hù)器,。?

??? 根據(jù)以上要求可見,I_Δn不大于30mA的漏電保護(hù)器應(yīng)用廣泛,。由表1可知,在測試直接接觸用漏電保護(hù)器的分?jǐn)鄷r間時應(yīng)產(chǎn)生250mA的漏電流,因此該測試儀設(shè)計為最大可產(chǎn)生275mA(有效值)的漏電流,可滿足測試I_Δn為50mA及以下的漏電保護(hù)器的所有測試項目、I_Δn為100mA的漏電保護(hù)器除5I_Δn分?jǐn)鄷r間外的所有測試項目,。該測試儀的信號采集控制電路如圖1所示,。?

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??? K選用KN62S型三位開關(guān),K合向位1時測試漏電動作電流值、漏電不動作電流值,。Q₁,、Q₂為光MOS固態(tài)繼電器,其開路最大漏電流為10μA。測試漏電保護(hù)器某一漏電流的分?jǐn)鄷r間時,K合向位2后接通Q₁,整流橋接在n₀～n₁之間,調(diào)節(jié)電流到測試值,然后斷開Q₁(延時10ms以上,確保Q₁斷開)接通Q₂,由n₁點接向n₂點意味著突然產(chǎn)生漏電流,同時開始計量分?jǐn)鄷r間,。因為零線N與地線PE的電位一般不同,所以測試點n₂不接在PE線上,。v₁接斷電檢測電路。?

??? 由整流特性及電流有效值定義知整流橋前后的電流有效值相等,圖1中I₁即為漏電流值,?？紤]在線測試時三極管集電極電位較高,以三極管發(fā)射極電流有效值I₃作為測量信號?？刂齐妷篤₂為1.4～4.8V,2SD272,、2SD594的h_FE分別為40和50,R₃取1Ω,R₂的值由下式確定:?? ?

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??? R₂取15kΩ。R_w選用10kΩ的電位器,以便出廠時調(diào)整V₂的動態(tài)范圍(因不同的2SD272,、2SD594的h_FE可能不同),。?

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1.2 斷電檢測電路?

??? 在測試漏電保護(hù)器的動作特性時,必須準(zhǔn)確測知漏電保護(hù)器的動作時刻。本系統(tǒng)設(shè)計的斷電檢測電路見圖2,。6N138為光電二極管與達(dá)林頓光電晶體管封裝的光電耦合器,一次側(cè)工作電流I_F為1.6mA,I_Fmax為20mA,V_Fmax為1.7V,。考慮到整流橋的正向?qū)▔航礦_Dmax為2.4V,6N138一次側(cè)電流i_F由下式確定:?

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??? 從v₁的零時刻開始使i_F增加到1.6mA所需的時間t可由式(1)求得:t=0.4ms,。因為i_F為脈動直流信號,所以i_F小于1.6mA的連續(xù)時間t′=2t=0.8ms,。如果6N138連續(xù)的關(guān)斷時間大于0.8ms,即可判斷電網(wǎng)斷電,、漏電保護(hù)器已動作,。我們設(shè)計的判斷時間為1ms,在電網(wǎng)電壓波動較大時仍保證判斷正確。由式(1)還可求得i_Fmax=11.4mA,小于6N138的I_Fmax,。?

1.3 單片機(jī)控制電路框圖及工作原理?

??? 單片機(jī)控制電路框圖如圖3所示,包括單片機(jī),、采集信號轉(zhuǎn)換電路、鍵盤電路,、LCD顯示電路,、D/A轉(zhuǎn)換電路以及電源電路。?

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??? 單片機(jī)選用AT89C52,時鐘頻率為12MHz,。單片機(jī)系統(tǒng)通過信號采集控制電路控制漏電流的產(chǎn)生和調(diào)節(jié)漏電流的大小,漏電流信號檢測電壓V₃經(jīng)有效值轉(zhuǎn)換器AD636得到與其有效值對應(yīng)的直流信號,通過10位串行A/D轉(zhuǎn)換器TLC1549轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送單片機(jī),。V₃的脈動頻率為100Hz,AD636的平均電容C_AV選用2.2μF的電解電容,則AD636的輸出信號建立時間T_S由下式確定:?

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??? 即V₃的穩(wěn)定時間要大于55ms,。選用74HC373和74HC377作為鍵盤I/O接口。顯示器采用16字符×1行LCD,。D/A轉(zhuǎn)換器選用具有上電復(fù)位功能,、建立時間為12.5μs 的10位串行D/A TLC5615,因其為電壓輸出型,輸出可直接作為控制電壓V₂控制漏電流的變化。系統(tǒng)中的所有IC選用單5V電源,、低功耗的芯片,。該測試儀采用電荷泵DC-DC變換器7201,用四節(jié)1.5V電池供電。?

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計?

??? 本系統(tǒng)實現(xiàn)漏電保護(hù)器動作特性測試有兩種方法,一是根據(jù)基本條件由系統(tǒng)自動完成,二是由鍵盤控制完成,。功能模塊包括漏電流檢測,、斷電檢測、鍵盤掃描,、顯示等模塊,。?

2.1 漏電流大小檢測模塊?

??? 模塊的入口參數(shù)為D/A轉(zhuǎn)換器TLC5615的輸入控制值D,放在單片機(jī)內(nèi)存的30H、31H單元,。AD636的建立時間為55ms,TLC1549,、TLC5615建立時間都很短,因此輸出D后延時60ms讀取TLC1549的輸出值。出口參數(shù)漏電流大小I₁存放到內(nèi)存的40H,、41H單元,。?

2.2 斷電檢測模塊?

??? 該模塊由模塊主程序、外部中斷和定時器T1中斷服務(wù)子程序組成,。?

??? T1在端變?yōu)楦唠娖?6N138截止)時啟動,定時到1ms發(fā)生中斷,說明電路已斷電,漏電保護(hù)器已動作,。在T1中斷服務(wù)子程序中置位斷電標(biāo)志、關(guān)閉和T1中斷,。?

??? 根據(jù)1.2所述,在電網(wǎng)正常通電情況下,6N138截止使端保持高電平的時間小于1ms,。端電平由高變低發(fā)生中斷,在其中斷服務(wù)子程序中設(shè)置使T1重新定時1ms,從而使T1不會在電網(wǎng)正常通電情況下發(fā)生中斷。?

??? 模塊主程序初始化,、T1,復(fù)位斷電標(biāo)志,。?

2.3 自動檢測的算法?

??? 國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定測試漏電動作電流值的方法是調(diào)節(jié)剩余電流從小于0.2I_Δn開始在30s內(nèi)穩(wěn)定地增加至I_Δn值。由鍵盤選擇進(jìn)入自動檢測功能操作后,輸入I_Δn值,單片機(jī)計算出對應(yīng)0.2I_Δn和(I_Δn-0.2I_Δn)/275的輸出控制初值D₀和輸出變化范圍ΔD,調(diào)用一次漏電流檢測子程序約需61ms,由ΔD計算出每步后的延時時間,使整個測試在30s內(nèi)完成,。測試開始前調(diào)用斷電檢測模塊,每步測量完成后查看斷電標(biāo)志,若置位則停止檢測,。在測試過程中電流的變化值都顯示在顯示器上,并最終指示斷電電流值或最后的電流值(兩種情況顯示標(biāo)志不同)。?

??? 測試分?jǐn)鄷r間的程序流程如圖4所示,。用定時器T0計量分?jǐn)鄷r間,T0每次定時的時間為50ms,中斷次數(shù)存于內(nèi)存50H單元,圖中“T0定時值”等于50×(50H)加上T0最后一次的定時值,。分?jǐn)喽〞r時間減去1.65ms是因為固態(tài)繼電器Q2的典型動作時間為1.65ms。?

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2.4 鍵盤控制檢測的方法?

??? 鍵盤控制檢測方式指調(diào)節(jié)漏電流的變化的操作由鍵盤控制完成,。設(shè)計了實現(xiàn)正常和快速增加,、減少的鍵盤掃描模塊。?

??? 該裝置利用單片機(jī)實現(xiàn)了漏電保護(hù)器動作特性在線自動檢測,。如果只測試漏電動作電流值,可在漏電保護(hù)器后的任一帶PE線插座上測試,。建筑物內(nèi)的插座回路,、電氣醫(yī)用設(shè)備、手持式電動工具等安裝漏電保護(hù)器的設(shè)備和場所都可用該測試儀定期進(jìn)行漏電保護(hù)器動作特性實驗,。?

參考文獻(xiàn)?

1 剩余電流動作保護(hù)器的一般要求. GB6829-1995?

2 漏電保護(hù)器安裝和運行. GB13955-92?

3 何立民. 單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)選編(8). 北京:北京航空航天大學(xué)出版社, 2000