新式剩余电流保护器的研究

新式剩余电流保护器的研究

 吴剑超   

广东电网有限责任公司河源连平供电局 广东河源517000

摘要：本文根据农村低压配网系统实际调研数据分析、低压接地故障理论研究结果，提出利用双向晶闸管设计一款针对农村低压配电线路接地故障保护的新式剩余电流保护装置。

关键字：剩余电流保护  双向晶闸管  接地保护

引言：低压配电系统网络结构复杂，接地故障对用电设备和电力用户的用电安全造成较大的危害，同时农村地区配电系统保护接地的薄弱对人身安全造成很大的威胁。虽然经过农网和城网改造后农村的低压配网线路状况有所好转，表面看上去线变粗变新了、负载能力也得到很大的提升但在防止低压触电事故及因接地故障引发火灾的概率并没有得到根本的好转， 因此低压接地故障及保护接地对配电线路的影响已成为供电安全中急需解决的重要问题。

一、新式剩余电流保护的设计

新式剩余电流保护，在原理上属于电力电子技术领域在电力供应方面的运用。目的是提供一种动作电流和动作时间连续渐变可调的并具备重合闸功能的剩余电流保护装置，并且制造成本低廉能够普遍适用于农村低压配网中[1]。

图1是新式剩余电流保护装置的原理框图，在设计思路上主要有剩余电流采集模块、剩余电流处理模块、单片机模块、可控硅开关模块等部分。

图1新式剩余电流保护装置的原理框图

当发生接地故障时，剩余电流采集模块通过互感器检测出漏电电流，漏电电流输送到剩余电流处理模块经过运算放大器处理后再输送到单片机模块。如果输送的信号为高电平，再通过单片机来控制开关的通断以实现接地故障保护。在单片机增设外围电路用来调节开关控制的延时时间和剩余电流保护动作的额定值以及选择相对应的特定功能[2]。

二、功能模块设计

（一）剩余电流采集模块

图2剩余电流采集模块

剩余电流采集模块如图2所示图中导线A、B、C分别为低压配网系统的三相线，导线N为低压配网系统的零线。三相导线A、B、C以及零线N穿过电流互感器一次侧的线圈。剩余电流采集器的二次侧串连了一个电阻R并连成回路。并将二次侧一端接地。电压U作为剩余电流采集模块的输出，它与剩余电流采集器采集到的剩余电流成正比。

在正常运行情况下，剩余电流保护电器所保护的电路中没有发生接地故障或漏电时，通过电流互感器一次回路的电流矢量和等于0，即如式4-1:

                                                （1）

则一次侧的电流和在电流互感器铁芯中所产生的磁通的矢量和也为0，即

                                              （2）

所以在电流互感器的二次侧中没有感应电流输出，因此剩余电流保护电器不动作。

当被保护电路中的设备发生漏电或者有人触电等接地故障时，通过设备接地电阻有一个接地漏电流流过，通过互感器一次侧电流的矢量和不等于0，即

                                              （3）

因此会在互感器的铁芯内产生磁通量的矢量和也不为0即

                                          （4）

此时，电流互感器的二次线圈中U=*R。

（二）剩余电流处理模块

剩余电流处理模块是由逆变电路、低通滤波电路、运算放大电路、电压跟随电路、钳位电路五部分组成。

剩余电流采集模块将剩余电流转换成电压信号，类似等效于图1的电压源V1。该电压信号为交流信号。当出现较高的负电压时，电网也出现了故障，所以通过逆变电路将交流信号转换为单极性电压信号。

由于电网系统相当于一个比较大的干扰源，再加上剩余电流采集时互感器、电源之间的相互干扰等，会导致采集到的信号混有不同频率的杂波，因此需对信号进行滤波处理。

运算放大电路将采集的电压信号转换成单片机可以接受的电压范围。通过调节变阻器R6，调节放大倍数，从而实现调节剩余电流保护的动作整定值。

电压跟随电路起到了隔离和缓冲的作用，可以对电路进行一定的保护。

钳位电路有R2及稳压二极管D2构成。当电压跟随电路输出电压低U1于5V时，D2反向截止，整个电路的输出电压U0=U1。当当电压跟随电路输出电压低U1大于或者等于5V时，稳压器被击穿整个电路的输出电压U0≈5V。

通过multisim仿真，例如R=20Ω采集到的剩余电流=30mA，V1=U=*R=0.6V, 变阻器R6调节到5%位置时整个电路的输出电压U0=1.03V，如图4(a)。变阻器R6调节到80%位置时整个电路的输出电压U0=4.996V。

图3剩余电流处理模块

图4(a) 剩余电流处理仿真1

图4(b) 剩余电流处理仿真2

（三） 单片机模块

单片机模块的核心是STC12C5608AD单片机，STC12C5608AD系列单片机相比其他传统的类型单片机有一下优点：

1、抗干扰能力强。该单片机内设置了ESD防静电保护，并通过了4KV脉冲的快速干扰测试，工作电压范围广为3.5V-5.5，工作温度范围较宽为-40℃-85℃。

2、功耗低，在掉电模式下功耗低于0.1UA，在空闲模式下功耗为1.8mA，正常工作情况下功耗为2.7-7mA，并且可以用外部中断唤醒掉电模式。

3、内部集成了MAX810复位电路。

4、驱动能力强。每个I/O驱动电流可达到20mA。

单片机模块外围连接电路如图5所示，单片机模块利用STC12C5608AD通过单片机自带的AD模块，用P1.3口读取50K可变电阻（旋钮）输入的电压，在程序中转变为相应的动作延时时间。通过单片机的P1.4口采集经过处理后的剩余电流信号。通过判断P1.4电压的高低，来改变P1.7的输出。在脚P1.4增加了一个上拉电阻与5V电源相连提高了输出信号驱动能力。脚16和脚17分别连接开关SW1和SW2用来选择保护器相对于的功能。SW1为自动重合闸功能开关，当SW1断开时保护器不具备自动重合闸功能，当SW1闭合时保护器带自动重合闸功能。SW2为延时动作开关，当SW1断开时保护器为速断型剩余电流保护器，当SW2闭合式保护器为延时型剩余保护器[3]。

图5 单片机模块原理图

（四）可控硅开关模块

可控硅开关模块的设计思路是利用单片机模块输出的PWM信号控制光耦MOC3022。MOC3022的4脚与6脚与双向可控硅门极相连，通过光耦MOC3022的通断控制双向可控硅弱电控制与强电控制之间电气隔离。

本电路中所采用的双向可控硅属于无触点的开关元件。可以涉绝因传统开关在接通或断开电源时产生电火花，双向可控硅能够对交流电源的导通进行无触点连续控制，以小电流控制大电流，且动作迅速可以在交流电半个周期内约0.01s动作、由于没有断点触头寿命长、电子电路控制比传统的机械类控制开关更可靠。

MOC3022是6脚封装的电子元件元件内部利用其1脚和2脚分别连接一个发光二极管的正极和负极、4脚和6脚分别连接一个双向光控可控硅、3脚和5脚空置。其工作原理是通过1、2脚控制发光二极管发光促使光控可控硅导通实现光隔离空置，如图8所示。

图6 MOC3022引脚图

图7可控硅开关模块原理图

可控硅开关模块模块是通过PWM控制MOC3022光耦实现双向晶闸管通断控制进行实现漏电保护。其中C1、R2和C2、R2用来抑制di/dt防止晶闸管击穿，R2，R3用于限流。当PWM为高电平时光耦输出端导通，晶闸管门极接受同步电压而导通。当PWM变为低电平时，晶闸管门极电压为零，半个电力周期后晶闸管阴阳两极接受反向电压而自动关断。控制灵敏度为0.01s。[4]

总结

首先对整个新式剩余电流保护器主要构架进行分析，然后分别模块对新式剩余电流保护器进行设计。

其技术要点是：以STC12C5608AD单片机为控制核心，一个输入端P1.3由50K变阻器R1调节其输入电压，通过单片机AD转换达到动作延时时间连续可调节功能，一个输入端P1.4与剩余电流处理模块相连，通过剩余电流处理模块5K变阻器R6调节其输入电压。由输出端平P1.7输出PWM脉冲，通过控制MOC3022光电耦合的开关，来调节双向晶闸管的通断进行接通或断开电源。

动作时间旋钮是通过变阻器输出连续渐变电压，使用单片机AD转换功能进行模—数转换，作为动作时间连续渐变可调输入端。

动作电流旋钮是通过变阻器输出连续渐变电压，在相同的剩余电流条件下，通过调节变阻器R6，使得P1.4呈现不同的电压。当P1.4为低电平时，令P1.7=1。当P1.4为高电平时，令P1.7=0。利用单片机输出PWM信号控制光耦通断，使双向晶闸管在剩余电流超出动作电流时断开电源（光耦输出端不导通及P1.7=0时）。其中两组并联的RC与两个电阻串联作为吸收回路，同时提供晶闸管的驱动。同时通过SW1和SW2开关选择对应的功能（延时、速动、带重合闸、不带重合闸）。

参考文献：

[1]刘爱国。TL431在开关电源中的应用[J].科技信息,2012,27:124

[2]魏小龙．MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例[M].北京:北京航空航天大学出版.2002：85-88.

[3]王俊峰,孟令启.现代传感器应用技术[M].北京:机械工业出版社.2007：67-70

[4]胡汉才.单片机原理及接口技术[M].北京:清华大学出版社.1996：11-26.