基于单片机的延时型漏电继电器设计

1 引言

漏电继电器是一种可在被保护线路漏电电流达到设定值（额定动作电流IΔ）后切断被保护线路供电电源的保护装置。漏电信号的检测由零序电流互感器来完成，它可将检测到的被保护线路的漏电电流转换成毫伏级的交流电压信号，再通过信号整流、放大和滤波得到一个直流电压，然后配合相应的控制电路来驱动执行回路，以实现切断保护线路供电电源的控制目的。简单的实现过程是信号检测→滤波→二级放大→控制电路→驱动执行回路→切断被保护线路电源。

本文给出的延时型漏电继电器解决方案就是利用P87LPC764型单片机构成控制电路来取代传统的电路，该电路可在不同IΔ条件下实现不同的延时动作时间及其他相关功能。

2 继电器的功能

根据漏电保护标准及延时型漏电继电器驱动要求，该保护装可以实现以下功能：

（1）用户可选择3档额定动作电流（分别记为IΔ1、IΔ2、IΔ3），在使用中由用户根据被保护线路的实际状况来决定。一般可以设定IΔ1IΔ2IΔ3。

（2）每一种额定动作电流下（1倍情况下）均设有3档延时动作时间T1a、T1b、T1c(设定T1aT1bT1c)，不难看出，这3档额定动作电流要区分9种延时动作情况。延时动作时间是指电路检测到的漏电电流超过额定动作电流到电路执行回路动作并切断被保护线路电源的时间。

（3）与第一点对应，在5倍额定动作电流下，这3档电流可分别记为5IΔ1、5IΔ2、5IΔ3，相应的3档延时动作时间为T2a、T2b、T2c，同样设定T2aTabT2c。显然动作电流越大，相应延时动作时间越小，即T2aT1a、T2bT1b、T2cT1c。

（4）在电路中保留重合闸功能。如选择该功能，当保护装置动作并切断被保护线路电源后，将在延时T3时间后自动恢复供电。否则，装置必须手动恢复并回到初始状态。

（5）根据漏电动作基本要求，当选择第条功能后，装置可以在T3延时时间后自动恢复，但此时若检测的漏电信号仍然超过装置设定的额定动作电流（可称为“二次漏电”），软件中在延时T3后紧接着设定T4（T4T3）延时时间，即应该具备在T4并超过装置设定的额定动作电流时，装置处于闭锁状态，必须手动恢复复并回到初始状态；如果在T4延时时间到达前“二次漏电”解除或“二次漏电”本身不存在，就不会使装置处于闭锁状态。这样，设计时就必须考虑到“二次漏电”的可能性，避免盲目地自动重合闸。

3 P87LPC764简介

P87LPC764是Philips公司推出的51内核、改进型单片机，运行速度为标准80C51型机的2倍，丰富灵活的端口定义、内含二个精确模拟量比较器是选用该型号的理由。该单片机的主要功能如下：

·运行速度快；

·程序存储器为4KB OTP（一次编程），32B用户代码区；

·2个16位定时/计数器；

·2个精确模拟量比较器；

·可编程的I/O口输出模式；

·20mA的口线驱动能力。

4 硬件电路

4．1 信号检测与放大电路

图1所示是漏电保护装置中信号检测与放大部分的局部电路。该装置对漏电电流的检测用一个零序电流互感器来完成，以将检测到的被保护线路的漏电电流转换成毫伏级的交流电压信号。再由运算放大器构成的线性电路整流放大、通过对零二级放大，得到一个直流电压U20。显然，通过对零序电流互感器及相应电路参数的设定，可使U20在一段漏电电流的范围内正比于漏电的电流。这样，对漏电电流信号的处理在电路中就转化为对U20的处理。前面提到，用户可以选择、3种额定动作电流，实际上是在电路中通过调节R28、R29、R30将U20整定在3种不同的电压，并用三选一开关S2A（提供给用户 ）来实现，每次只有一种（必须有一种）选择；额定动作电流下T1a、T1b、T1c时间的设定及5倍额定动作电流下T2a、T2b、T2c时间的设定均通过三选一开关S3A判断，同样每次只有一种（必须有一种）选择；重合闸选用单选开关S1进行设定，具体电路如图2所示。

在P87LPC764的16脚外接电阻分压器可以设定参考电位VREF，可以理解用户选择的3种不同额定动作电流所对应的U20是不同的，而参考电位VREF只有一种标准，该标准一旦设定就不能改变，所以S2A的作用就是将U20信号通过开关的引导与电位器的分压来把不同数值的U20调整到合适的大小，进而与设定的参考电位VREF进行比较。

4．2 P87LPC764的外围电路

图2是P87LPC764的外围电路部分，其中16脚是VREF电压设定端，按照图中参考可以得出VREF=2V。12脚P1.0用于重合闸判断，用户可以选择装置是否执行重合闸，P1.0为0时装置具有重合闸功能；P1.1、P1.2、P1.3用于额定动作电流下T1a、T1b、T1c时间和5倍额定动作电流下T2a、T2b、T2c的判断和选择。二级放大后的U20，一路直接送至比较器CIN1A的输入端（17脚），另外一路通过电阻分压器送至比较器CIN2A的输入端（19脚），以分别用于输入额定动作电流下的U20和5倍额定动作电流下的U20，P0.0来驱动执行电路中的继电器，初始状态设定为0（低电平，继电器吸合），将其连接于后面的执行电路即可使继电器处于吸合状态，配合交流接触器维持被保护线路的供电。

5 软件设计

软件设计主要围绕不同状态下的延时时间的设定来进行，首先判断比较器1和比较器2的输出以确定当前漏电电流的大小，具体可有三种情况：一是小于当前设定的额定动作电流；二是大于当前设定的额定动作电流但小于5倍的额定动作电流；三是大于5倍的额定动作电流，这些可以在软件中通过判断比较器1和比较器2的输出来控制。并可根据P1.0、P1.1、P1.2、P1.3的状态来决定是否实际重合闸及不同的动作时间。其程序流程如图3所示。

6 结束语

由于要区分多种延时时间，因而采用单片机的实现方案，克服了传统分立元件带来的离散性大且不易控制的弊端。P87LPC764内含电压比较器，可以很方便地控制额定动作电流和5倍额动作电流下的动作时间。软件编写中，延时时间主要以“软件延时和定时器定时”来实现，利用传递不同变量的方式来完成多种延时时间的控制，事实证明，这是软好的实现方案。