基于单片机的漏电保护装置设计.pdf-资料库

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5 10 15 20 25 30 35 40 中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 基于单片机的漏电保护装置设计嵇伟，张建文* （中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州 221000）摘要：介绍各低压供电系统及其漏电电流的特征，并分析漏电保护装置在各系统中的应用差异。设计了一种针对 TT 系统的基于单片机的漏电保护装置。装置对漏电电流的相位与幅值检测、线路温度测量、火灾监测及消防联动和信息反馈。本装置能够对故障相进行快速分析，根据信息融合技术作出相应处理措施，实现漏电保护装置的智能化。应用 Matlab、Protues 软件对 TT 系统发生单相、二相漏电故障电流波形特性进行仿真和单片机进行运算仿真，仿真结果表明设计达到设计要求。关键词：漏电保护；漏电电流分析；单片机；Matlab 中图分类号：TM The design of Leakage protection device based on MCU JI Wei, ZHANG Jianwen (School of information and Electrical Engineering. CUMT, JiangSu XuZhou 221000) Abstract: In this paper introduced the characteristics and leakage current leakage protection device useing in low-voltage power supply system, And analysis of leakage protection device in the system of difference. Designed a leakage protection devices based on MCU for TT system.The device with leakage currents of the phase and amplitude detection, line temperature measurement, fire detection and fire interaction and feedback. The device can quickly analyze the fault phase, make appropriate treatment measures based on information fusion technology to achieve intelligent leakage protection device. Use Matlab and Protues software, single-phase, two-phase characteristics of leakage current waveform simulation of TT system and the microcontroller operation simulation.The results show that the design meets the design requirements. Keywords: Leakage protection; Analysis of leakage current; MCU; Matlab 0 引言漏电保护技术在我国起步较晚，首先应用于农村供电系统。目前我国漏电保护技术主要应用于 IT 系统，如煤矿、化工厂等供电安全要求较高，环境不良易发生单相接地或火灾爆炸的场所。我国居民供电系统普遍采用 TN 系统，随着越来越多的专家推荐使用 TT 系统。目前有些国家已经开始推广使用，对 TT 系统漏电保护装置的研究具有重要作用[1]。漏电故障相对于过流、过压等故障，具有漏电流较小不能有效地使保护电器(断路器、熔断器)及时动作切断供电电源。随着以微机型智能漏电保护装置的发展，传统以机电式的漏电保护装置由于不动作不灵敏，不能区分漏电相及幅值大小等缺点以被基本淘汰。本文介绍了一种针会 TT 系统的基于单片机的漏电保护装置，该装置能够判断漏电电流幅值与相位大小、线路温度测量、火灾预防与消防联动并根据反馈信号对故障电路作出处理。 1 漏电保护技术在供电系统中应用供电系统根据变压器低压侧中性点不同的接地方式与用电设备安全保护方式不同，可将低压供系可分为 IT 系统、TT 系统和 TN（TN-C、TN-S、TN-C-S）系统。IT 系统的电源中性点不接地或经阻抗接地，无中性线 N，一般为三相三线制，负载设备外露可导电部分各自保护线 PE 单独接地。该系统发生碰壳漏电故障，由于系统中性点不接地，无法形成电阻较作者简介：嵇伟，(1986-)，男，硕士研究生，电力系统及自动化：. E-mail: jwcumt@hotmail.com 通信联系人：张建文，(1968-)，男，教授，电气设备状态监测与故障诊断技术 - 1 -

45 50 55 60 65 70 中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 小的回路，只能产生大地与线路之间电容形成的漏电流，漏电流很小一般不超过几十毫安。 IT 系统一定要安装漏电保护装置，安装漏电保护装置时就将三相电源的三根导线穿过零序互感器，PE 线不接入。发生漏电故障漏电电流经保护线 PE 流入大地，通过检测三相电流矢量和得到漏电电流。 TT 系统的电源中性线直接接地，并引出中心线 N，属于三相四线制系统，负载设备外露可导电部分通过各自的保护线 PE 单独接地，而与系统接地无关。该系统发生碰壳漏电故障，由于中性点接电电阻和设备端保护接地电阻较小（一般不大于 Ω4 ），其漏电电流一般达几十安培，其漏电电流可有效的驱动漏电保护装置，但不能有效可靠的驱动过流保护装置。 TT 系统也必须安装漏电保护装置，由于该系统为三相电线制电路。发生漏电故障时，漏电电流经 PE 保护线流入大地。安装漏电保护器时将四根导线全部接入，通过检测三相电流与零线中流过的电流矢量和得到漏电电流。 TN 系统是将电气设备的外露导电部分与工作中性线相接的保护系统，称作接零保护系统（TN 系统根据中性线与保护线是否合并又可分为 TN-S 系统、TN-C-S 系统、TN-C 系统）。 TN-C 系统采用较多，该系统发生碰壳故障时，漏电电流经保护零线（PE 线）流回变压器中性点。由于故障回路均由金属导体构成，因此故障电流能达数百安培，可有效驱动过流保护装置。TN 系统要求安装漏电保护装置，安装漏电保护装置时就就将装置安装在零线与保护线相接处靠近负载端，其安装方式与 TT 系统类似[2-3]。 2 系统硬件实现本漏电保护装置是针对常用 TT 系统（380/220V）进行漏电保护设计，该装置能够实现对漏电电流的相位与幅值检测、线路温度测量、火灾监测及消防联动并根据反馈信息对漏电事故作出处理。漏电保护装置硬件主要由漏电流信号检测模块、线路温度测量模块、火灾监测与消防联运模块、单片机模块、键盘和 LED 显示模块和动作执行模块等五大部分组成。其系统硬件构成如图 1 所示。[3] 图 1 系统硬件构成 Fig.1 The structure of system hardware 漏电流幅值和相位的检测：电路正常工作时，流经互感器一次侧的电流矢量和为零 → I + a → I + b → I c 0= （），则二次侧电流也为零。发生漏电故障时，流经互感器一次侧电流适量和不为零，此时电流通过电磁感应作用使二次侧电流不为零。发生漏电故障时，检测的漏电电流经过放大处理后送入 A/D 转换模块。单片机经过数据分析、处理后得到漏电电流的幅值与相位。 - 2 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 75 80 85 90 线路温度测量：当发生漏电故障时，漏电电流没有达到设定值（断路器发生拒动故障），漏电保护器不会跳闸。为了避免这种情况下可能发生火灾，系统采用热敏电阻和红外测温技术对线路温度进行实时测量，当温度超过设定值发出报警。发生火灾时快速切断总电路，并进行消防联动报警。单片机：该器件可划分为 CPU、存储器、I/0 端口、定时器/计数器和中断系统五部分。 CPU 是与微型计算机 CPU 类似，内部 CPU 也是由运算器（ALU）、控制器（定时控制部件等）和专用寄存器组三部分电路构成；存储器有 ROM 和 RAM 之分，用于存贮数据和程序。键盘与 LED 显示器：3*3 矩阵键盘，其中二个为显示切换键，能够方便实现在保护电流值设定、漏电电流大小显示、线路温度显示之间进行切换。还有二个按键为保护电流设定值加、减键，从而对漏电保护电流进行设定。LED 显示器为四位显示模块，其中最高位作为标识位，便分辨其显示值类型。漏电电流值显示格式为 A###，保护电流设定值显示格式为 E###，温度显示格式为 C###。避免过多占用单片机端口，采用 74HC595 移位寄存器与 74HC138 译码器。分别作为 N 位段选信号和位选信号控制元件，实现 LED 动态显示，LED 显示器只占用六位端口。单片机系统以单片机为核心，通过控制设备电路达到控制器件的动作。其单片机系统电路如图 2 所示。 95 100 图 2 单片机系统电路 Fig.2 Microcontroller system circuit 3 软件部分系统软件开发时，采用 Keil 软件来编写调试程序。采用 C 语言对各个程序算法进行编程，按照模块化的设计思想，将整个控制程序分割成有机的几个模块。其中主程序流程图如图 3 所示。系统运行后，首先初始化，包括初始化系统时钟，A/D 转换器接口以及中断系统等。初始化之后进行相关参数的设置，并将相应数值通过 LED 显示器显示出来。 - 3 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 105 110 图 3 主程序流程图 Fig.3 The chart of main program flow 漏电电流幅值与相位计算，选择 A 相（初相位为零）电压作为参考相位，电流漏电电流计算示意图如图 4 所示。图 4 漏电电流计算示意图 Fig.4 Leakage current calculation diagram 漏电流是由各相漏电电流相叠加得到的，当 C 相漏电流 cI 为零时，根据 I 和θ可以得到 A 相和 B 相的剩余电流 aI 和 bI 从而实现各相漏电电流的检测。当三相均有漏电时，检测出的漏电电流是抵消最小相的漏电电流后其余两相不平衡的剩余电流。当检测到的剩余电流位于 A（B、C）相与 B（C、A）相之间，用公式 115 I a = I (cos θ+ sin θ ) 3 (1) Ib = 2 sin θI 0( 3 (3) 0 <≤ θ 120 0 ) (2) 0=cI 根据上式可计算出每相的剩余电流，实现对漏电电流的幅值与相位进行检测，为快速查 - 4 -

中国科技论文在线出漏电事故提供了有效依据。[4] 4 TT 系统漏电故障仿真 120 http://www.paper.edu.cn 运用 Matlab 软件，对 TT 系统发生一相、二相碰壳接电漏电故障仿真。参数设置：电源。其仿真图电路如图 5 所示。发生碰壳接地漏电故障， AC：380V/220V，接触电阻 R Ω= 4 0.03S 时断路器动作前后零序电流互感器(100:1)检测到的电流波形如图 6 所示。其中(a)为 A 相发生漏电故障电流波形，(b)为 A、B 同时发生漏电故障的电流波形。通过分析可以知，采用本文介绍的方法能够对漏电电流的幅值与相位加以区分，从而判断出发生漏电故障相电路。 125 0.03 0.025 0.02 0.015 0.01 0.005 0 -0.005 -0.01 -0.015 -0.02 0 0.02 0.015 0.01 0.005 0 -0.005 -0.01 -0.015 -0.02 0 130 135 图 5 漏电故障仿真电路 Fig.5 Leakage fault simulation circuit 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 (a) A 相故障漏电电流波形 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 (b) A、B 相故障漏电电流波形图 6 漏电故障电流波形 Fig.6 Fault leakage current waveform - 5 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn Protues 对单片机数据采集、分析仿真。通过仿真可知本单片机对采集到的数据进行快速分析处理。采集到的漏电电流值显示如图 7 所示。 140 145 图 7 LED 显示电路 Fig.7 LED display circuit 5 总结本文对各种供电系统漏电故障电流进行特性和漏电保护技术应用时行了介绍，针对 TT 系统设计了一种基于单片机的知能漏电保护装置。重点介绍了该装置的硬件结构、软件实现和漏电电流幅值与相位检测的计算方法。最后，运用 Matlab 软件对 TT 系统发生单相、二相碰壳接电故障进行了了仿真，得出了相应的漏电电流特性，并对单片机硬件模块进行了仿真。仿真结果表明，该设计能够有效的对故障电路进行保护。 150 [参考文献] (References) [1] 赵秋生.低压供电系统安全性评价与比较[J].中国安全科学学院,2010,20(4):69-74. [2] 于洪国.低压配电防间接触措施[J].安全,2010,(11):43-44. [3] 尹倩,王禹存.低压配电系统接地型式与保护配置[J],科技信息,2010,(3):79. [4] 欧阳静,尹康,等.基于 DSP 的智能漏电保护装置研究[J].人民长江,2007,38(8):158-159. [5] 武一,李奎,王尧,等.基于单片机的漏电保护智能化技术[J],2008,(7):20-23. [6] 万丽,赵圣国.零序电流保护与剩余电流保护异同[J]生产一线,2009,(3):66. 155 - 6 -

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