智能型漏电断路器的设计

摘要：叙述了剩余电流产生的原因及危害，设计了一套智能型漏电断路器，并给出了硬件结构和软件设计。试验结果表明：该智能断路器质量可靠、性能稳定、完全达到了国家标准的要求。
关键词：剩余电流；断路器；电气火灾

电气接地故障中电弧性对地短路是引发电气火灾的重要原因。电弧性对地短路具有很大的阻抗和电压降，它限制了故障电流，使过电流保护器不能动作或不能及时动作来切断电源，而几百毫安的漏电弧产生的局部高温可达2000℃以上，足以引燃周围的可燃物而引起火灾。况且，用电设备分布在建筑物的各个角落，危害范围广，如不对系统的漏电进行监测和防控，就会对人身和财产安全构成威胁，存在很大的火灾隐患。智能型漏电断路器能准确监控电气线路的故障和异常状态，能有效预防常见的因漏电导致接地电弧所引起的建筑物电气火灾事故。为了保证人民生命财产安全，在建筑物的电源进线处及干线上安装智能型漏电断路器十分必要。

1 剩余电流产生的原因和保护原理
让三相四线导线一起穿过一零序电流互感器CT，也可在中性线N上安装一个零序电流互感器CT，利用这些CT来检测三相的电流矢量和，即剩余电流，如图1所示，根据电路原理可知，当电路中没有发生设备漏电或接地故障且三相负荷完全平衡时，一次侧中瞬时电流的矢量和为零，即Ia+Ib+Ic+IN=0，在电流互感器中产生磁通的矢量和等于零，此时，二次线圈中感应电流IL=0。当被保护的电路出现绝缘故障时，负载侧有对地泄载电流，零序电流互感器的矢量和不为零，即Ia+Ib+Ic+IN≠0，在电流互感器中产生磁通的矢量和也不等于零，此时，零序电流互感器二次绕组中便产生感应电流，即剩余电流IL≠0。

漏电断路器主要由零序电流互感器CT，漏电检测电路，脱扣器组成。被保护电路有漏电或人体触电时，只要漏电或触电电流达到漏电动作电流值，零序电流互感器的二次绕组就输出一个信号，经过集成电路放大器放大后送给CUP，CPU输出驱动信号使漏电脱扣器动作驱动断路器脱扣，从而切断电源起到漏电和触电保护作用。

2 断路器控制器的设计
2．1 系统基本功能
智能型漏电断路器集剩余电流、短路、过载、过压和欠压(缺相)等电气故障的监测、分析、报警及控制于一体，主要具有以下功能：
1)具有剩余电流检测和保护功能，当检测到发生漏电时，即剩余电流IL≠0，该信号经过单片机采样运算后进行快速判断，当剩余电流达到整定动作值时，驱动晶闸管，接通电磁脱扣器电源，电磁脱扣器吸合，使断路器跳闸，从而达到漏电保护的功能。
2)保护动作电流、分断时间可调：用作台区总保护时，剩余电流动作值可设置为300～1 000 mA，分断时间可设置为0．6 s，而作为二级保护时，动作电流可设置为200 mA档，分断时间可设为0．3 s．这样的设置可以避免因越级跳闸而引起的大面积停电现象的发生。
3)可智能识别突变剩余电流和缓变剩余电流，从而鉴别设备漏电和活体触电。缓变与突变漏电分开鉴别适合我国农村低压电网特点，得到广泛应用，是农村安全用电的一项有效的技术措施。
4)具有过电流长延时、过电流短延时和短路瞬时保护三段保护功能，组成所需的智能漏电断路器保护特性。智能设定漏电电流、过电流长延时、过电流短延时和过电流瞬时的整定值及预警值。
5)显示并储存故障发生点的线路地址、故障类型、故障发生时间和漏电电流、三相电流值。可记录多达200条历史故障，长期保存，直到用指令删除。
6)采用RS485总线通讯技术，可以利用总线与主机构成主从式监控系统，实现用户连网，在一台电脑上可对1～250台智能断路器在线远程监控，随时检查各用户安全用电情况，随时接通或分断各用户供电线路，并可对断路器的各种参数进行远程设置。
2．2 整体硬件设计
智能型漏电断路器主要由电源电路、单片机PIC24FJ64、三相交流电电压电流检测电路、剩余电流检测电路、串行通信接口电路、人机接口电路及报警器等几部分构成的，如图2所示。

其主要工作原理：把从电流互感器和线性光隔器取得的三相电流、漏电及电压信号进行调理后，输入到单片机的A／D转换，单片机对其进行采样后进行分析，输出相应的显示及报警信号等。其分析的结果也可以通过RS485总线传送到上位机。