0 引言

    隨著電流轉(zhuǎn)換器、開關(guān)裝置以及節(jié)能設(shè)備在生活和生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用,，非正弦的漏電電流正在污染著電網(wǎng)并且誘發(fā)觸電事故,。如今，為了解決非正弦漏電電流產(chǎn)生的危害,，人們廣泛在供電電源處使用A型漏電保護(hù)器來(lái)保護(hù)個(gè)人和財(cái)產(chǎn)安全,。根據(jù)中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB16917.1-2003^[1]，A型剩余電流包含AC型和7種脈動(dòng)直流漏電,，其中脈動(dòng)直流漏電分為7種情況：電流滯后角分別為±0°,、±90°、±135°以及電流滯后角0°疊加6 mA的平滑直流電,。脫扣電流值為均方根值（RMS）,。

    一些研究員使用了單片機(jī)來(lái)解決主干線路的漏電保護(hù)問(wèn)題^[2-3]，采用全波傅里葉算法來(lái)完成剩余電流信號(hào)的采樣,、特征分析,，根據(jù)采樣處理的同步誤差作出相應(yīng)的改正。復(fù)雜的傅里葉分析以及整個(gè)系統(tǒng)高成本限制了它的廣泛應(yīng)用,。

    在參考文獻(xiàn)[4]中，剩余電流設(shè)備的改進(jìn)結(jié)構(gòu)包括簡(jiǎn)單的分立元件，例如電磁繼電器和永久磁鐵,。如果電流變壓器感應(yīng)到的剩余電流到達(dá)了預(yù)定值,，它的磁通量大到能夠減小永久磁鐵的磁通量，總的磁通量到達(dá)一定值后,，彈簧就能夠拉動(dòng)電磁繼電器中的可動(dòng)銜鐵來(lái)斷開主電路,。

    在參考文獻(xiàn)[5]中實(shí)現(xiàn)了一種具有簡(jiǎn)單外圍電路的A型漏電保護(hù)器。因?yàn)殡娏骰ジ衅鞔渭?jí)線圈帶來(lái)的波形失真（在第3節(jié)中會(huì)介紹）,，僅僅在正半周或者負(fù)半周內(nèi)檢測(cè)漏電波形并不能很好地檢測(cè)脈沖直流漏電電流,。最終測(cè)試結(jié)果表明跳閘電流閾值僅滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)檢測(cè)方法并不適合A型漏電保護(hù)器,。

    根據(jù)IEC60479-1標(biāo)準(zhǔn)^[6],，當(dāng)通過(guò)人體某一部位的電流超過(guò)30 mA時(shí)，如果不能及時(shí)切斷電流,，會(huì)對(duì)人體造成嚴(yán)重傷害,。因此將A型漏電保護(hù)器的漏電脫扣閾值設(shè)定在30 mA。

    本文提出了實(shí)現(xiàn)A型漏電電流檢測(cè)的創(chuàng)新型方法,，這種方法可以在不同的連續(xù)的時(shí)間區(qū)間內(nèi)精確地辨識(shí)出剩余電流的類型,。

1 A型漏電保護(hù)器應(yīng)用電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    A型漏電保護(hù)器應(yīng)用電路的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要部分包括剩余電流檢測(cè)模塊、一個(gè)電壓調(diào)節(jié)模塊,、一個(gè)A型漏電保護(hù)器控制器集成電路,、一個(gè)過(guò)壓保護(hù)模塊以及一個(gè)包含可控硅和電感L的執(zhí)行模塊。電壓調(diào)節(jié)模塊從50 Hz交流電源通過(guò)整形,、降壓,、穩(wěn)壓產(chǎn)生穩(wěn)定的5 V供電電壓。剩余電流檢測(cè)模塊可以檢測(cè)到相線和中性線之間的不平衡電流（即剩余電流）,。

2 A型漏電保護(hù)器的實(shí)現(xiàn)

    A型漏電保護(hù)器的主要結(jié)構(gòu)如圖1,。這是一個(gè)典型的模數(shù)混合設(shè)計(jì)集成電路，包括模擬和數(shù)字部分,。模擬部分作為輔助電路,，負(fù)責(zé)信號(hào)的放大和比較，它主要包括了參考電壓生成模塊,、斬波放大電路^[7]（共模電壓為2.4 V）,、遲滯比較器、上電復(fù)位電路以及溫度補(bǔ)償環(huán)形振蕩電路[8],。具有相同均方值的不同種類的A型剩余電流通過(guò)電流互感器的次級(jí)線圈產(chǎn)生具有不同幅值的電壓,，每一種A型剩余電流對(duì)應(yīng)了一個(gè)遲滯比較器和一個(gè)通過(guò)參考電壓生成電路產(chǎn)生的脫扣電流比較值。數(shù)字模塊是核心處理電路,，主要來(lái)實(shí)現(xiàn)該創(chuàng)新的A型漏電電流識(shí)別算法,。它主要是由干擾濾除電路,、A型漏電電流檢測(cè)模塊、輸出緩沖電路以及過(guò)壓保護(hù)電路組成,。

3 創(chuàng)新方法的提出   

    對(duì)于A型漏電保護(hù)器,，最關(guān)鍵的是準(zhǔn)確快速地判別剩余電流的類型、判斷漏電電流的均方值是否達(dá)到了最小脫扣電流值,。

    因?yàn)楣╇婋娋W(wǎng)采用50 Hz的交替電流,，所以剩余電流的頻率也是50 Hz。圖2～圖5闡述了A型剩余漏電保護(hù)器在一個(gè)周期20 ms內(nèi)的漏電檢測(cè)過(guò)程,。

    （Ⅰ）表示的是初始的A型剩余漏電電流,，電流互感器檢測(cè)到此剩余電流并且在其次級(jí)線圈產(chǎn)生漏電信號(hào)。（Ⅱ）是斬波放大器放大的漏電信號(hào),，用于信號(hào)處理,。（Ⅲ）是觸發(fā)計(jì)時(shí)脈沖，它是由（Ⅱ）和觸發(fā)計(jì)時(shí)器電平2.5 V（對(duì)應(yīng)正滯后角）或者2.3 V（對(duì)應(yīng)負(fù)滯后角）比較產(chǎn)生的,。（Ⅳ）是漏電電流脈沖,，由（Ⅱ）和對(duì)應(yīng)的脫扣比較電平比較生成。當(dāng)（Ⅳ）出現(xiàn)的時(shí)候,，表明剩余電流大于等于最小脫扣電流值,。當(dāng)（Ⅳ）出現(xiàn)后，A型漏電保護(hù)器輸出波形（Ⅴ）來(lái)觸發(fā)可控硅,，切斷電路,。在對(duì)感應(yīng)電壓波形（Ⅱ）深入研究后發(fā)現(xiàn)，從計(jì)時(shí)器被（Ⅲ）觸發(fā)后,，漏電電流脈沖（Ⅳ）出現(xiàn)在不同的時(shí)間區(qū)間,。當(dāng)有漏電電流時(shí)，在計(jì)時(shí)器觸發(fā)計(jì)時(shí)后,，如圖2～圖5所示,，±135°類型脈沖，在3 ms內(nèi)出現(xiàn),；±90°類型脈沖,，在3 ms～7 ms之間出現(xiàn)；±0°類型脈沖,，在7 ms～12 ms區(qū)間內(nèi),。對(duì)于AC型，為了避免它對(duì)于其他類型漏電的干擾,，作者使用了波峰和波谷的檢測(cè)方法,，如圖5（a）中顯示的，從計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)后,，漏電脈沖在3 ms～7 ms以及13 ms～16 ms兩個(gè)區(qū)間內(nèi)都出現(xiàn),，AC型漏電電流會(huì)被檢測(cè)到,。至于電流滯后角0°疊加6 mA的平滑直流電，測(cè)試表明它的響應(yīng)和0°類型的相似,，如圖5(b)中所示,。16 ms后，所有的數(shù)字部分復(fù)位,，準(zhǔn)備下一個(gè)周期的檢測(cè)。

    表1總結(jié)了所有的剩余電流類型檢測(cè)的時(shí)間區(qū)間,，這些時(shí)間區(qū)間不同但是連續(xù),。一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是可以根據(jù)芯片輸出脈沖的占空比來(lái)判斷剩余電流的類型，這能夠幫助設(shè)計(jì)者來(lái)評(píng)估芯片的性能,。在一個(gè)周期內(nèi),，對(duì)于±135°剩余電流，可控硅的觸發(fā)脈沖在計(jì)時(shí)器被觸發(fā)后大約2.5 ms出現(xiàn),，所以占空比大約(16-2.5)/20=13.5/20,。對(duì)于±90°的剩余電流，大約5 ms后出現(xiàn),，占空比大約是11/20,。對(duì)于±0°的剩余電流占空比大約是6/20。對(duì)于AC型剩余電流占空比大約為1/20,。

4 測(cè)試結(jié)果

    這款A(yù)型漏電保護(hù)器采用CSMC 0.5 μm數(shù)?；旌螩MOS工藝。芯片的尺寸是1.037 mm×0.686 mm,。芯片電源供電是5 V,，芯片輸入電流是480 μA。芯片總共有15個(gè)管腳,，其中只有6個(gè)是必要的,，其他的都是測(cè)試管腳。

    圖6～圖9顯示了A型漏電電流信號(hào)以及相應(yīng)的脫扣輸出,，其中上部波形是斬波放大器放大后的漏電電流信號(hào),，下部波形是當(dāng)有觸電發(fā)生時(shí)用來(lái)切斷故障電路的A型漏電保護(hù)器的輸出信號(hào)。

    表2顯示的是最小脫扣電流值的測(cè)試結(jié)果,。結(jié)果顯示,，所有類型的A型漏電電流的最小脫扣電流值分布在28.9 mA到31.7 mA區(qū)間內(nèi)，大小相差2.8 mA,。

    表3給出了這款A(yù)型漏電保護(hù)器和近來(lái)出現(xiàn)的幾款保護(hù)器的比較,，從中可以看到，這款芯片相較其他芯片的優(yōu)勢(shì),。

5 總結(jié)

    本文展示了一個(gè)創(chuàng)新的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)A型漏電保護(hù)器最小脫扣電流一致性,。這款A(yù)型漏電保護(hù)器可以在一個(gè)周期內(nèi)的不同且連續(xù)的時(shí)間區(qū)間內(nèi),，識(shí)別剩余電流的類型，判斷它的均方值是否超過(guò)了額定值,。低成本,、優(yōu)異性能而且高可靠性使得這款A(yù)型漏電保護(hù)器芯片在市場(chǎng)應(yīng)用中有更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

參考文獻(xiàn)

[1] GB16917.1-2003.家用和類似用途的帶過(guò)電流保護(hù)的剩余電流動(dòng)作斷路器(RCBo)第1部分：一般規(guī)則[S].2003.

[2] Xiang Xinjian,，Li Ming.Design of fuzzy drip irrigation control system based on ZigBee wireless sensor network[C].WCICA,，2010.

[3] Chen Deshui，Zhao Qingyang,，Chen Foyou,，et al.Adaptive residual current circuit breaker based on microcontroller[C].ICDMA，2011：159.

[4] Xiang Luo,，DU Y,，WANG X H，et al.Tripping characteristics of residual current devices under nonsinusoidal currents[J].IEEE Transactions on Industry Application,，2011,，47(3)：1515-1521.

[5] Han Yan，Ding Chen,，Shou Xinli.Design implementation & of an A-type residual current circuit beraker IC[J].ISIE,，2012：280.

[6] IEC/TS 60479-1.Efects of current on human beings and livestock-Part 1：General aspects[S].2005.

[7] Yoshihiro Masui，Takeshi Yoshida,，Atsushi Iwata.Low power and low voltage chopper amplifier without LPF[J].IEICE Electron,，2008：967.

[8] Xia Xiaojuan，Ji XinCun,，Guo Yufeng,，et al.A temperature compensated CMOS ring oscillator for DC-DC converters[J].IEICE Electron，2013.