基于单片机的漏电保护器的研究

中国地质大学〔北京〕现代远程教育专科实习报告题目基于单片机的漏电保护器的研究学生姓名赵益宝批次1209专业电气工程及其自动化学号学习中心张家港开放大学奥鹏2023年10月基于单片机的漏电保护器的研究中文摘要基于单机片技术以中性点接地供电系统为例，阐述了漏电保护的概念及其重要性；通过对漏电保护特性的研究分析，给出了单片机实现漏电保护系统的信号采集、处理与控制保护的硬件电路实现，提出了切实可行的软件设计方案，并通过对漏电动作电流和时间等相关参数的整定与输出控制，最终到达平安用电的目的。关键词:漏电保护；单机片；电流型目录TOC\o"1-3"\u1、漏电保护器简介 11.1、漏电保护器概述11.2、漏电保护器的根本工作原理11.3、漏电保护器的分类22、系统硬件电路设计22.1、AT89C51单机片性能特点22.2、主体硬件结构电路32.3、漏电电流检测电路 32.4漏电电流检测电路 43、系统的软件设计43.1、系统初始化数据分析与处理43.2、软件设计5结论 9致谢 10参考文献 111、漏电保护器简介1.1、漏电保护器概述漏电保护器，简称漏电开关，又叫漏电断路器，主要是用来在设备发生漏电故障时以及对有致命危险的人身触电保护，具有过载和短路保护功能，可用来保护线路或电动机的过载和短路，亦可在正常情况下作为线路的不频繁转换启动之用。1.2、漏电保护器的根本工作原理限于我们现有的物理知识，要详细、准确地理解漏电保护器的工作原理，目前还有一定的困难，但粗略地、大概地了解它的工作情况，以使我们能知道它铭牌上所标技术指标的含义还是可能的。图1.1漏电保护器主体框图如图1.1，虚线框所包围的是漏电保护器的主体局部，它包括主开关、互感器、脱扣器三局部。正常工作时，火线、用电器和零线构成一个闭合电路。可以想象：火线中的电流和零线中的电流是大小相等、方向相反的，火线和零线对互感器所产生的效果完全抵消，互感器中没有电流流过，脱扣器接在互感器上的线圈“感觉〞什么事情都没有发生，脱扣器不动作，开关保持接通状态。图1.2漏电脱扣器动作框图如图1.2，如果地面上的人触摸到火线，就有电流从火线经过人体流向大地。这时互感器中火线和零线中电流的大小出现差异，使互感器上的线圈感应出电流〔以后将会学到这方面的知识〕，这个电流使脱扣器动作，把开关断开从而切断了电路，保护了人身平安。触电电流对人体的危害程度跟触电电流的大小、触电时间的长短等因素有关，触电电流在0.5mA以下时，人体没有反响；触电电流为30mA、触电时间为1s以下时，不会造成死亡事故；触电电流为200mA时，即使触电时间为0.2s，也有可能造成生命危险。因此，对漏电保护器来说，多大的漏电电流就应该引起断电保护动作以及动作时间是多少，这是两个重要的技术指标。用于一般场所防止触电事故的漏电保护器，当漏电电流到达60mA时，通常要求漏电保护器必须在0.2s内断开电路，当漏电电流为250mA时，要求在0.04s内断开电路。用于防止发生火灾的漏电保护器的灵敏程度可以适当放宽，动作时间在0.1s到2s之间。为经常检查漏电保护器的动作性能，漏电保护器上必须装一个试验按钮，按下按钮时，可以模拟一个漏电电流，以检查漏电保护器的开关能否正常脱扣。1.3、漏电保护器的分类漏电保护器经过几十年的开展，已经形成了一个品种非常齐全、非常庞大的产品系列，下面将根据不同的方法将其进行分类。〔1〕根据运行方式可分为：不用辅助电源的漏电保护器、用辅助电源的漏电保护器；〔2〕根据安装型式可分为：固定安装和固定接线的漏电保护器、带有电缆的可移动使用的漏电保护器〔通过可移动的电缆接到电源上〕；〔3〕根据极数和电流回路数可分为：单极两线、两极、两极三线、三级、三极四线、四极漏电保护器〔其中单极两线、二极三线和三级四线漏电保护器均有一根直接穿过检测元件而不能断开的中性线〕；〔4〕根据保护功能分为：只有漏电保护功能的漏电保护器、带过载保护的漏电保护器、带短路保护的漏电保护器、带过载和短路保护的漏电保护器、带过电压保护的漏电保护器及多功能保护〔例如欠电压、断相、过电流、过电压等〕的漏电保护器；〔5〕根据额定剩余动作电流可调性分为：额定剩余动作电流不可调的漏电保护器、额定剩余动作电流可调的漏电保护器；〔6〕根据接线方式分为：用螺钉或螺栓接线的漏电保护器、插入式漏电保护器；〔7〕根据脉冲电压作用下防止误动作的性能分为：在脉冲电压作用下能动作的漏电保护器、在脉冲电压作用下不动作的漏电保护器(简称脉冲电压不动作型漏电保护器)；〔8〕根据结构分为：组合电器〔如漏电继电器与低压断路器或低压接触器组成的组合装置〕和机械开关电器〔如漏电断路器〕；〔9〕根据故障信号的形式是漏电故障电流还是漏电故障电流在接地装置或检测元件上产生的电压降，可以将漏电保护器分为电压动作型漏电保护器和电流动作型漏电保护器；〔10〕根据剩余电流是否含有直流分量可分为：AC型漏电保护器〔对突然施加或缓慢上升的交流正弦波剩余电流能可靠脱扣〕、A型漏电保护器〔对突然施加或缓慢上升的交流正弦波剩余电流，脉动直流剩余电流和脉动直流剩余电流迭加0.006A平滑直流电流均能可靠脱扣〕。系统硬件电路设计2.1、AT89C51单机片性能特点AT89C51是一种带有4K字节闪烁可编程可擦除存储器的单片机，该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，与标准的MCS-51指令集和输出管脚兼容。内置三级程序存储器锁定、128×8位内部RAM、32根可编程I/O线、两个16位定时器/计数器、5个中断源，有可编程串行通道、低功耗的闲置和掉电模式以及片内振荡器和时钟电路。XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。此外，AT89C51设有稳态逻辑，可在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。闲置模式下，CPU停止工作。但RAM、定时、计数器、串口和中断系统仍在工作；在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。AT89C51单片机为嵌入式控制系统提供了一种功能强大、灵活性高的监控方案。2.2、主体硬件结构电路漏电保护系统的硬件电路主要由辅助电源、漏电电流检测、信号处理、单片机、状态显示、跳闸执行驱动及报警电路组成,如图4.1所示。漏电检测电路采用零序电流互感器将漏电产生的零序电流转换为电压信号，经信号处理分为两局部，一路信号经放大后作为跳闸驱动的输入信号，此信号与设定的整定值比拟后决定是否驱动跳闸机构电路；另一路经信号放大、滤波处理和A/D转换生成数字信号，通过外接的LED单元进行状态显示，以实现实时检测漏电电流的目的。如果发现供电系统漏电明显加大，可以在没到达漏电保护动作前，人为地检查线路及设备并排除故障。当然，为了充分发挥单片机所特有的性能特点，可以根据实际需要增加一些必要的硬件电路来测量设备的其他技术参数，如设备电源电压、电机电流、转矩、转速以及启动电流等，本文这里不再赘述。图2.1主系统硬件结构电路图2.3、漏电电流检测电路漏电检测电路是漏电保护系统的首要环节，由漏电电流互感器(检测零线和地线之间的电流)和分压电路组成，如图4.2所示。其中漏电电流互感器把电流转换为电压信号,分压电路完成电压调整,可以保证在1.2倍最大漏电电流[5]时进行设置整定。而对于其它的过压、欠压、过流等保护，可以将对应的互感器检测到的信号进行整流滤波，经放大处理后输入至单片机输入端，由单片机输出来执行各自预定的控制动作。图2.2漏电检测电路结构图2.4漏电电流检测电路漏电检测电路是漏电保护系统的首要环节，由漏电电流互感器(检测零线和地线之间的电流)和分压电路组成，如图4.2所示。其中漏电电流互感器把电流转换为电压信号,分压电路完成电压调整,可以保证在1.2倍最大漏电电流[5]时进行设置整定。而对于其它的过压、欠压、过流等保护，可以将对应的互感器检测到的信号进行整流滤波，经放大处理后输入至单片机输入端，由单片机输出来执行各自预定的控制动作。图2.3漏电检测电路结构图3、系统的软件设计3.1、系统初始化数据分析与处理硬件电路是实现预定功能的根底，而系统各功能的实现和可靠运行，还要依赖于系统的软件设计。鉴于系统漏电电流的复杂性及保护动作的反时限要求特点，这里采用软件延时硬件触发的方法，以满足对系统跳闸保护的不同要求。如果单纯依赖软件控制，系统会出现动作时间难以满足的局限性，而单纯依靠硬件进行延时保护，那么很难满足反时限及自动重合闸等功能需求，并且需增加额外的硬件线路及设备，系统可控性差且易受外界干扰而误动作，不利于系统的综合性、智能性保护。在系统的软件设计中，采用模块化设计方法。系统软件主要由以下几个模块构成：主程序、数据分析处理子程序(中断效劳程序)、控制输出与显示程序等，如图3.1所示。图3.1系统软件流程图主程序主要完成系统初始化、定时器初始化以及串口初始化等任务，包括CPU各端口输入输出设置、中断设置和数据RAM的初始化等；数据采集处理子程序的功能是在定时中断效劳程序中完成的。在定时中断效劳程序中主要进行电压和电流的采集、数字滤波、采样数据存储、标度变换以及报警输出等操作。在软件滤波算法方面，鉴于检测电流信号为周期性非正弦信号，故采用均值滤波算法；而对类似正弦的零序电压信号那么采用全波傅氏算法。此外，在电力系统的实际运行中，电网往往存在谐波，还会有各种瞬时干扰，如投切电容器和开关合闸、掉闸等都会产生干扰。考虑到单纯采用硬件滤波存在硬件电路复杂等诸多弊端，本系统对系统参数主要采用数字滤波方法祛除干扰。加之采用指令冗余、软件陷阱等抗干扰措施，使系统具有良好的抗干扰性能。漏电保护系统软件设计的核心是AT89C51单片机，在程序设计中采用C语言编写程序，在有特殊需要时嵌入汇编语言。3.2、软件设计在测试漏电保护器的动作持性时，必须准确测知漏电保护器的动作时刻。本系统设计的断电检查电路见图所示6N138为光电二极管与达林顿光电晶体管封装的光电耦合器，一次侧工作电流IF为1.6mA,Ifmax为20mA，Vfmax为1.7V。考虑到整流桥的正向导通压降Vdmax为2.4V，6N138一次侧电流iF由下式确定：从v1的零时刻开始使iF增加到1.6mA所需的时间t可由式〔1〕求得：t=0.4ms.因为iF为脉动直流信号，所以的关断时间大于0.8ms，即可判断电网断电、漏电保护器已动作。我们设计的判断时间为1ms，在电网电压波动较大时仍保证判断正确。由式〔1〕还可求得iFmax=11.4mA,小于6N138的Ifmax.本系统实现漏保护器动作特性测试有两种方法，一是根据根本条件由系统自动完成，二是由键盘控制完成。功能模块包括漏电检测、断电检测、键盘扫描、显示等模块。漏电流大小检测模块。模块的入口参数为D/A转换器TCL5615的输入控制值D，放在单片机内存的30H、31H单元。AD636的建立时间为55ms,TLC1549、TLC5615建立时间都很短，因此输出D后延时60ms读取TLC1549的输出值。出口参数漏电流大小I1存放到内存的40H、41H单元。断电检测模块。该模块由模块主程序、外部中断INT1和定时器T1中断效劳子程序组成。T1在INT1端变为高电平时启动，定时到1ms发生中断，说明电路已断电，漏电保护器已动作。在T1中断效劳子程序中置位断电标志、关闭INT1和T1中断。根据以上所述，在电网正常通电情况下，6N138截止使INT1端保护高电平的时间小于1ms.INT1端电平由高变低发生中断，在其中断效劳子程序中设置使T1重新定时1ms,从而使T1不会在电网正常通电情况下发生中断。模块主程序初始化INT1、T1，复位断电标志。自动检测的算法。国家标志规定测试漏电动作电流值的方法是调节剩余电流从小于0.2I△n开始在30s内稳定地增加至I△n值。由键盘选择进入自动检测功能操作后，输入I△n值，单片机计算出对应0.2I△n和〔I△n-0.2I△n〕/275的输出控制初值DO和输出变化范围△D，调用一次漏电流检测子程序约需61ms,由△D计算出每步后的延时时间，使整个测试在30s内完成。测试开始前调用断电检测模块，每步测量完成后查看断电标志，假设置位那么停止检测。在测试过程中电流值〔两种情况显示标志不同〕。图3.2分断时间测试流程图分断时间测试流程图如图3.2所示。用定时器TO计量分断时间，TO每次定时的时间为60ms，中断次数存在于内存50H单元，图中“TO定时值〞等于50x〔50H〕加上TO最后一次的定时值。分断定时时间减去1.65ms是因为固态继电器Q2的典型动作时间为1.65ms.键盘控制检测的方法。键盘控制检测方式指调节漏电流的变化的操作由键盘控制完成。设计了实现正常和快速增加、减少的键盘扫描模块。该装置利用单片机实现了漏电保护器动作特性在线自动检测。如果只测度漏电动作电流值，可在漏电保护器后的任一带PE线插座上测试。建筑物内的插座回路、电气医用设备、手持式电开工具等安装漏电保护器的设备和场所都可用该测试仪定期进行漏电保护器动作特性试验。结论漏电保护器作为防止火灾和保护人体生命的电气设备，在电网中的地位越来越重要。在日常生活中，因电气设备使用不当或线路漏电造成的电气事故时有发生，低压配电系统线路的漏电、用电设备的漏电、过载及短路或者接地电流流过金属焊缝发热都可能导致火灾。漏电保护器作为一种低压保护电器，可以用于防止漏电火灾造成的经济损失及人身触电造成的伤亡，因此得到广泛应用。基于单片机的漏电保护系统，本次设计采用AT89C51单片机。其抗干扰能力强，性能价格比高，完全可以满足对漏电信号进行实时监测的要求。本文同时也采用合理的软硬件设计方案，在发生人身触电或设备漏电时能及时地进行跳闸操作，防止事故的发生。系统功耗小、运行稳定，具有本钱低、性能好、可靠性高和操作简便的特点，适合在环境比拟恶劣的场合运行。经过