低压电器（２０１１Ｎｏ．２ Ｊ ・智能电器・ 一种智能剩余电流检测装置的开发 张冠英， 杨晓光， 王 尧， 张波 （河北工业大学电气＿Ｔ－程学院，天津３００１３０） 摘要：开发了一种智能剩余电流检测装置，包括平衡特性良好的剩余电流互感 器的设计、主电路的设计和控制系统的设计。基于Ｓａｂｅｒ仿真软件，对信号处理单元和 整流放大电路进行了设计，其控制系统以单片机为核心，并采用“看门狗”技术，保证了 程序的正常运行。实测结果表明，该检测装置具有良好的性能。 张冠英（１９６９一）， 关键词：智能化；剩余电流动作保护器；剩余电流互感器 女，高级工程师，研 中图分类号：ＴＭ ４５２文献标志码：Ａ文章编号：ｌＯ０１－５５３１（２０１１）０２－００２８－０４ 究方向为低压电器 智能保护技术。 Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ａｎ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｒｅｓｉｄｕａｌ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ ＺＨＡＮＧ Ｇｕａｎｙｉｎｇ，ＹＡＮＧ Ｘｉａｏｇｕａｎｇ， ＷＡＮＧ Ｙａｏ，ＺＨＡＮＧ Ｂｏ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｂｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ ３００１３０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｒｅｓｉｄｕａｌ ＯＨ［Ｔｅｎｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅ ｗａｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｃｕｒ－ ｒｅｎｔ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ｗｉｔｈ ｇｏｏｄ ｂａｌａｎｃｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｍａｉｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ ｓｉｎｇａｌ ｐｒｏ－ ｃｅｓｓｉｎｇ ｕｎｉｔ ａｎｄ ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ ａｎｄ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｃｉｒｃｕｉｔｓ ｗｅｒｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｓａｂｅｒ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｉｎｇｌｅ ｃｈｉｐ ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ．Ｗａｔｃｈ ｄｏｇ ｔｉｍｅｒ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｅｎｓｕｒｅ ｔｈｅ ｎｏｒｍａｌ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｇｒａｍ．Ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅ ｈａｄ ｇｏｏｄ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ；ｒｅｓｉｄｕａｌ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｅｉｃｅｓ（ＲＣＤ）；ｒｅｓｉｄｕａｌ ｃｕｒｒｅｎｔ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ０ 引 言 机实时监测，并处理剩余电流信号。较之传统剩 余电流动作保护器，该保护器能够实时监测被保 剩余电流动作保护器（Ｒｅｓｉｄｕａｌ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｄｅ－ 护电路中剩余电流值的大小，与系统设定值进行 ｖｉｃｅｓ，ＲＣＤ）为在低压供电系统中防止人身触电和 比较，确定预警或执行保护动作，从而减少误动作 漏电火灾等方面起到了有效的防护作用，在各类 和拒动作。系统采用抗干扰技术，提高了剩余电 不同接地制式的低压电网系统中得到广泛应用。 流动作保护器的可靠性。 目前，国内广泛采用的是电子式故障电流动作型 剩余电流动作保护器，由剩余电流互感器（Ｒｅｓｉｄ— １ 智能剩余电流动作保护器的系统 ｕａｌ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ，ＲＣＴ）、脱扣器和电子放大 设计 器等部件组成。ＲＣＴ对被保护电路进行电参数 １．１ 总体结构 的检测和判断，并决定是否动作。但是，传统的剩 本文设计的智能剩余电流检测装置主要包 余电流检测装置存在精度低、检测电路复杂、动作 括：电源电路、剩余电流互感器、剩余电流Ｉ／，Ｖ变 值整定困难的问题，不能满足剩余电流检测的智 换电路、精密整流放大电路、剩余电流指示电路、 能化、自动化和模块化的需求。 Ａ／Ｄ转换电路、单片机单元，其模块结构如图１ 本文在分析传统剩余电流保护技术的基础 所示。 上，利用以前工作经验所开发的ＲＣＴ ，对剩余 １．２工作原理 电流动作保护器进行了智能化的改进，利用单片 剩余电流动作保护器的工作原理图如图２所 杨晓光（１９７１一），男，副教授，研究方向为电源技术和磁技术。 王尧（１９８１一），男，博士研究生，主要从事电器智能化技术研究。 一２８— ・智能电器・ 磁器 ＝＝＝ 信号处理 剩余 电流 ＝＝＝ 阂值 指示 整流放大 及控 制单 ＝＝＝ 儿 转换 １ 智能剩余电流检测装置模块结构 ＝＝＝ 鲜 图２剩余电流动作保护器的原理图 示。图２中，ＲＣＴ为剩余电流互感器，在被保护电 路工作正常、没有发生触电或剩余电流的情况下， 由克希荷夫定律可知，通过ＲＣＴ一次侧的电流的 向量和等于零，即，Ｌ ＋，Ｉ２＋，Ｌ３＋，Ｎ＝０，此时，ＲＣＴ 二次侧不产生感应电动势，剩余电流动作保护器 不动作，系统保持正常供电。 当被保护的电路发生剩余电流，例如有人触 电时，触电电流通过人体与大地形成回路，不再通 过传感器，因而穿过磁环的相线和中性线的电流 大小不再相等，在磁环中有交变磁场产生，二次线 圈中有相应的感应电动势，即有信号输出；二次侧 产生的感应电流经过Ｉ／Ｖ变换、限幅滤波电路、精 密整流放大电路后输入到Ａ／Ｄ转换单元，将模拟 信号转换为数字信号，供ＣＰＵ进行逻辑运算与处 理，与设定值进行比较，决定是否执行保护动 作 引。 ２硬件的设计 ２．１ 电流互感器的设计 电流互感器是剩余电流动作保护器中最重要 的检测元件，将供电回路中的强电流转换为适合 电子电路和单片机处理的电压和电流信号，为 ＭＣＵ逻辑运算单元提供正确的信号，以实现精确 的实时检测。装置在选择电流互感器时，采用高 磁导率坡莫合金材料，并利用数值分析和仿真的 方法对电流互感器进行设计，所得的互感器平衡 低压电器【２０１１Ｎｏ．２） 特性良好，在额定工作范围内铁心没有达到饱和， 感应电流与剩余电流呈线性关系。电流互感器的 伏安特性曲线如图３所示。图３中，曲线１为互 感器二次绕组断路情况下的空载特性，起始时，二 次侧感应电势Ｅ 很小，当一次侧漏电电流，．增 加到一定值时，Ｅ 才有明显的输出；此后，随着， 的增加 不断增加，近似线性地变化；当，。的值 大到一定后，Ｅ，变化趋于缓慢甚至呈下降趋势， 线性度变差，这是由于磁心进入了饱和区造成的。 因此，应选择合适的二次侧负载阻抗，保证磁心工 作在线性段，避免磁心发生磁饱和。曲线２为带 脱扣器工作状态下的负载特性，由于二次侧负载 电流的去磁作用，磁心变得不易饱和，并且在相同 的剩余电流条件下感应电势Ｅ 相对变小¨ 。 ： 填 图３ 电流互感器的伏安特性 ２．２主电路设计 在采用合适的电流互感器后，还要对电信号 进行适度放大，并采用噪声滤波电路进行滤波，调 理电路如图４所示。图４中，输入端的二极管 ＶＤ３和ＶＩＭ是钳位二极管，防止瞬态过电压的影 响；电容Ｃ 、Ｃ 、Ｃ 和电阻Ｒ 、尺 构成低通滤波网 络，防止高频干扰；运算放大器ｕｌＡ煌ｕ１Ｂ构成 精密全波整流电路，处理过的信号经Ａ／Ｄ转换后 送单片机进行数据计算和分析，并与设定的整定 值进行比较，以决定是否进行脱扣或报警 ３ Ｊ。 系统的信号处理单元与整流放大电路是基于 Ｓａｂｅｒ仿真软件进行设计的。通过软件模拟，选择 最佳的电路，保证电路设计的可靠性。Ｓａｂｅｒ仿真 后的精密半波、全波整流波形如图５所示。 ２．３控制系统的设计 系统采用８ ｂｉｔ单片机ＡＴ８９Ｃ５２，设计为多功 能可编程接口，其相关程序固化在片内的Ｆｌａｓｈ ＲＯＭ中，具有如下功能：①１个专用的键盘／显示 接口；②１个全双工异步串行通信接口；③２个 １６ ｂｉｔ定时／计数器。由于１个ＡＴ８９Ｃ５２芯片能 一２９一 低压电器（２０１１Ｎｏ．２） ・智能电器・ 图４信号处理、整流和放大电路 灯１表示正常状态；指示灯２表示０．２５１ 预报警； 毛 ．△ ．指示灯３表示０．５， 预报警；指示灯４表示剩余 电流脱扣；指示灯５表示工作电源。 毛 。： 二 ． ２．５ 系统的抗干扰技术 系统采用“看门狗”技术，保证程序的正常运 毛一ｏ－０ 。。 ．． 行。工业环境中的干扰大多是以窄脉冲的形式出 现，最终造成微机系统故障的多数现象为“死 机”。究其原因，ＣＰＵ在执行某条指令时受干扰 的冲击，使操作码或地址码发生改变，致使该条指 令出错；此时，ＣＰＵ执行随机拼写的指令，甚至将 图５ Ｓａｂｅｒ仿真波形 操作数作为操作码执行，导致程序“跑飞”或进入 承担３个专用接口芯片的工作，不仅使成本大大 “死循环”［４引。为使这种“跑飞”或进入“死循 下降，且优化了硬件结构和软件设计，为系统的设 环”的程序自动恢复，重新正常工作，一种有效的 计提供了方便。 办法是采用硬件“看门狗”技术，用看门狗监视程 Ａ／Ｄ转换采用ＴＬＣ５４９，是８ ｂｉｔ串行、逐次逼 序的运行。若程序发生“死机”，看门狗就会产生 近式Ａ／Ｄ转换器芯片，可与通用微处理器、控制 复位信号，引导单片机程序重新进入正常运行。 器通过Ｉ／Ｏ ＣＬＯＣＫ、ＣＳ、ＤＡＴＡ ＯＵＴ三线进行串 “看门狗”模块如图７所示。 行接口，具有４ ＭＨｚ片内系统时钟和软、硬件控 制电路，转换时间最长ｌ７ ｓ，允许最高转换速率 为４０ ０００次／ｓ。 ２．４显示系统 剩余电流阈值指示模块如图６所示，指示 Ｉ／１指示灯ｌ正常 ｉ９ ＯＥ ＶＣＣ 指棚２ ｏ，２５￣ ．１ Ｔ／Ｒ 指示灯３ ０，５ －－—— Ａ０ ＢＯ 招不削 剩荥电流睨邗 ． ｉ ＡＩ５ Ａ２ ＢＩ图７看门狗模块 Ｂ２ ， ‘ ６＝：二 Ａ３ Ｂ３ Ａ４ Ｂ４ Ａ５ Ｂ５ ３ 软件设计 Ａ６ Ｂ６ × Ａ７ Ｂ７ ＲＩ３ １０ ． ，ＧＮＤ 软件采用单片机Ｃ语言编程，实现Ａ／Ｄ转 换、剩余电流信号的逻辑运算、剩余电流的阈值指 示、驱动保护电路动作，提高了程序的可读性，易 图６ ＬＥＤ显示单元 于检查和修改。软件流程如图８所示。 —３０一 ・智能电器・ 图８软件流程图 系统采用软件数字滤波技术，对采集电压信 号进行平滑加工，使得对电压有效值的测量更准 确、稳定。在性能稳定、可靠的硬件电路基础上， 软件算法设计的好坏直接影响系统采集的精度和 测量结果的可靠性。系统采用限幅滤波和递推平 均值滤波相结合的方式滤波，有效地克服了因偶 然因素引起的脉冲干扰，并对周期性干扰有良好 的抑制作用，平滑度高，克服了限幅滤波的缺点。 单片机根据计算得到的剩余电流， 与所设 置的阈值进行比较，当，△＞， 。时，０．２５， 预报警 灯亮；当， ＞－］ａ２时，０．５１ 预报警灯亮。剩余电流 报警功能用于提示用户线路中存在剩余电流，及 早检查线路中的剩余电流故障，消除隐患于未然。 当， ＞， 时，进行剩余电流脱扣，剩余电流动作 指示灯亮，说明线路中存在严重的剩余电流故 障 。 ４ 试验样机 互感器一次侧模拟相位滞后９０。、１３５。的直 流剩余电流波形及互感器监测并放大后输入到 Ａ／Ｄ端的信号如图９所示。由图９可见，试验测 得的电压波形的失真程度小，达到了设计要求。 ５ 结 语 本文所设计的剩余电流动作保护器采用低成 低压电器（２０１１Ｎｏ．２） （ａ）９０。滞后角的剩余电流信号 （ｂ）１３５。滞后角的剩余电流信号 图９实测电压波形 本单片机，可进行不同额定动作电流和动作时间 的设定，并设置了自动重合闸和欠压保护功能，提 高了剩余电流动作保护器的可靠性。设计中还采 用外部Ｅ ＰＲＯＭ，用于记录线路中的实时剩余电 流，为用户对设备进行剩余电流分析和诊断提供 数字依据。 【参考文献】 ［１］ ＧＵＡＮＹＩＮＧ Ｚ，ＹＡＯ Ｗ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ａ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｅｕｒｒｃｎ［ｄｅｖｉｃｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａｎａｌｙｔｉｃａｌ ａｎｄ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｎａｌ— ｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ａｎｄ ｕｎｂａｌａｎｃｅ ｏｆ ｃｕｒｒｅｎｔ ｔｒａｎｓ— ｆｏｒｍｅｒ［Ｃ］／／Ｔｈｅ ２０１０ ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｙｓｔｅｍ ｍｏｄｅｌｉｎｇ，Ｔａｉｙｕａｎ， Ｃｈｉｎａ，２０１０，５（５）：２６—２９． ［２］ 武一，李奎，王尧，等．基于单片机的漏电保护智能 化技术［Ｊ］．低压电器，２００８（７）：２０－２３． ［３］杨学昭，任业生，薛立．智能漏电保护报警系统的 设计与实现［Ｊ］．微计算机信息，２００７（２３）：１４１— １４３． ［４］ 陈群阳，戴曙光，穆平安，等．ＤＳＰ系统抗干扰技术 的研究［Ｊ］．仪表技术，２００４（４）：３５—３７． ［５］ 张文亮，吴维宁，吴峡．电力测控系统软件抗干扰技 术的研究［Ｊ］．高电压技术，１９９７（４）：８－１１． 收稿日期：２０ｔ０—１１一Ｏ７ ３】一