马瑜+王馨漪

摘要：低压电网的漏电保护早已经引起了我们国家各个用电部门及劳动保护部门的高度重视，大力建设完善的科学的智能漏电保护体系迫在眉睫。漏电保护器能够实时监测当前剩余电流值的大小，能适应各种复杂的电网和多变的环境，能够同时保证用电安全与供电的可靠性。采用单片机为处理器，并对单片机系统单元、电流信号采集单元、人机接口单元等硬件电路进行了研究和分析，用单片机技术进行软硬件设计，实现漏电流的检测，快速处理和显示，设计出高可靠低价位的新型漏电保护器。

关键词：单片机；智能；漏电保护器

0 引言

漏电保护器的发展大约经历了三个阶段，即初始阶段、发展阶段和成熟阶段。我国研究漏电保护器起步要晚于国外，进入二十世纪七十年代以来，我国用电量逐年增加，触电事故也逐年增加，因此引起各部门的相当重视[1]。

随着微电子技术的不断发展，单片机的集成度越来越高，功能越来越丰富。以单片机为主体，取代传统仪器仪表的常规测量电子线路，可以容易地将计算机技术与测量控制技术结合在一起，组成新一代的所谓“智能化测量控制系统”。在数据采集系统中采用单片机技术，能够解决许多传统仪表不能或不易解决的问题。这种新型的智能仪表在测量过程自动化，测量结果的数据处理以及功能多样化方面，都取得了巨大的进展[2]。

1 智能漏电保护器硬件设计与实现

1.1总体设计框图

智能化漏电保护器的硬件可以划分为五大部分，即漏电检测电路、相位同步电路、漏电动作电流和时间延时设定电路、漏电数字显示电路和动作执行单元。总体设计框图如图1所示。

漏电检测电路由零序电流互感器和信号处理单元组成，这部分电路将检测出漏电信号送到单片机的A/D输入通道，转换为单片机可以处理的数字信号，相位同步电路负责将电网的电压信号与漏电信号的相位进行比较，单片机根据它们的相位差来判断各相漏电电流，漏电动作电流和时间设定电路是来设定额定漏电动作电流及动作时间，根据需要也可以设定为单片机自动选择额定漏电动作电流，漏电数字显示电路是由单片机控制，显示电网的漏电电流动值和动作原因，动作执行单元直接由单片机控制，完成漏电保护功能。

1.2 零序电流互感器的选择

零序电流的检测是基于整个系统原始信号，零序电流的互感器在整个系统准确程度完全决定了整个电气系统的不一样的精度，所以对于互感器的选择尤为重要。而且一般来说，零序电流互感器在原方电流小于2-5安培时它的变比和相角误差均较大，不能满足微机检测设备的要求。所以选择高精度零序电流互感器LJWZ-3型，它的优点是即使原方电流很小，能够保证足够的精确度。其输出信号接负载电阻后送低通滤波器进一步处理。

1.3 低通滤波器设计

由于大量在电力系统的谐波，尤其是三次和五次谐波会向数字系统带来很大的伤害，为避免谐波的影响，必须有滤波电路将各次谐波滤除。滤波器电路实际上是一种选频网络，根据阻带的不同可分为低通、高通、带通、带阻滤波电路，工频电网中的谐波绝大多数是高次奇次谐波，因而需要低通滤波器。使用运算放大器的滤波电路是有源滤波电路，由于运放的存在，高输入阻抗、低输出阻抗和一定程度的反馈，消除了因电阻分压而造成的输出信号幅值变小的缺点，是一种理想的滤波电路。本文所采用的是有源滤波。常用的滤波器有巴特沃斯型和切比雪夫型。本文设计了四阶切比雪夫模拟滤波器用以消除三次以上谐波对系统造成的影响。其设计性能要求达到三次谐波衰减达到40dB，

1.4相位同步电路的设计

在三相电网中的漏电保护器能够分别显示出三相漏电电流。在三相电网中，只单纯地显示三相漏电矢量和，还不能完全满足用户的需要。分别显示出各相漏电电流，更便于用户进行故障分析，判断究竟是哪一相线路发生了漏电。

漏电信号分析模块中在对漏电信号进行处理时，泄漏信号处理模块的泄漏信号分析，需要将泄漏信号被划分成三个阶段的漏电流[3-4]，从而输出显示，如图3所示。

1.5单片机接口电路设计

1.5.1单片机接口按键设计

按键部分用于设置动作电流和时间参数，按键的硬件接口电路图所示。当某个按键电位为低电位时，表示按键按下，此时进行相应的操作。

1.5.2单片机复位电路设计

PICl6F87x系列单片机的复位功能设计得比较完善，导致单片机内部复位的方式，或者说，引起单片机内部复位的条件和原因可以大致归纳成以下5种[5-6]：

1.上电复位：每次单片机加电时，上电复位电路都要对电源电压VDD的上升过程进行检测，当VDD上升到规定值1.6-1.8V，就产生一个有效的复位信号，需经72mS=1024个时钟周期的延时。才会使单片机复位。

2.人工复位（单片机在执行程序期间）：无论是单片机在按先设定的正常顺序远行程序，还是出现单片机进入不可预知的某一个死循环（形成死机现象），都得认作单片机在执行程序。单片机在执行程序期间，只需在人工复位端MCLR加入一个低电平信号，就会令其复位。

3.看门狗复位：不论何种原因，只要没有对看门狗定时器WDT进行周期性地及时地清0，WDT就会出现超时溢出，也就会引发单片机复位。依据单片机在看门狗超时溢出之前所处的状态是在睡眠还是在执行程序，又可以将看门狗超时溢出分为两种情况。其实只有在单片机执行程序期间，看门狗发出超时溢出，才会引发单片机的复位，而另一种情况对于PIC16F87X單片机而言则不会引发单片机的复位。

4.电源欠压复位：在上电延时之后，该电路再提供1024个时钟周期的延迟，目的是让振荡电路有足够的时间产生稳定时钟信号。

为了满足手动复位的需要，通常设立一个外部微控制器复位引脚，用于接收外部输入信号的手动复位，有效低电平。

1.5.3单片机振荡电路设计

在标准晶体振荡XT、低功耗振荡LP和高速晶体振荡HS三种方式中，PIC芯片可以使用已集成在片内的振荡器，也可使用由其他电路构成的振荡器电路。当外接振荡器时，外部振荡信号从OSC1端输入，OSC2端开路。

74HC04反相器用来实现振荡器所需的180度相移，4.7 的电阻用来提供负反馈给反相器， 的电位器用来提供偏压，从而使反相器74HC04工作在线性范围内。

1.5.4液晶显示部分硬件设计

体积小，寿命长，不产生电磁辐射污染的优点，成为理想的显示装置中的单片微计算机系统中，并且被广泛应用于智能仪器仪表，工业控制领域的单芯片微电脑控制。

这样的设计是一个LCD显示数据，以及作为关键控制参数设置的主要目的。使用液晶屏采用该公司生产的，它可以显示一个行16个字符，并内置HD44780主控制驱动电路。液晶屏上有PIC16F877单片机硬件接口电路如图7所示。

1.5.5控制执行部分硬件设计

剩余电流保护器完全可以实现的主要功能是在剩余电流值超过当前档位剩余电流值，并在适当的延迟时间到达制动控制去除断层线后触发中继点。继电器控制一部分执行机构，它的作用是至关重要的，这也决定了剩余电流保护器的工作可靠性的可靠性[7]。

1.5.6 电源部分设计

我们使用许多绕组变压器，220伏的相电压转换为12伏的交流电压信号，该全桥整流器变换的直流功率转换器电路，用于在电源后备。集成运算放大器的信号调理电路需求，+5V至5V电源，LED数码管显示驱动芯片需要+5V电源，单片机至+5V电源，继电器控制部分需要+12V与12V电源。

由于继电器对于其电源的要求不高，为节省成本，将通过电容平面波的全波整流桥整流后12伏交流电压信号，然后直接作为+12伏和12V 的DC电源。

2 智能漏电保护器软件部分设计

在硬件的基础上，通过软件命令，完成一系列的保护工作。

本设计要实现的主要功能有：

1）检测缓变漏电电流。

2）检测突变漏电电流。

3）漏电电流动作判断和控制。

4）动作原因、分合闸次数记忆，数据的显示。

本文的控制软件由五部分组成，为上电初始化模块、中断服务模块、漏电信号分析模块、漏电动作输出模块、漏电电流显示模块。

泛，并且有很大的市场价值，同时，推广和使用漏电保护器可以有效降低触电死亡率，具有重要的社会意义[8]。本次设计采用PIC16F877单片机，单片机作为漏电保护器的核心，单片机的性能直接决定了整个漏电保护器的质量[9-10]，鉴于PIC系列单片机的一系列优点，以及外围电路的合理扩展和其他硬件的优化设计，使整个系统的性能更加优秀、智能、性价比也得到了极大的提升。

参考文献

[1]何瑞华.我国低压电器现状及国内外发展趋势[J].低压电器，2008，3（8）：40～45.

[2]连理枝.关于低压电气设备的故障电流和过电流保护[J].江苏电器，2009，5（4）：4～5.

[3]李奎，陆俭国.智能化漏电保护器的研究.机床电器[J]，2006，（6）：56～57.

[4]藤松林，杨校生.触电漏电保护电器及其应用[M].5版.北京：机械工业出版社，2011：20～32.

[5]王玉洁，永志群.单片机在漏电保护装置中的应用[J].中国安全科学学报，2010，4（3）：34～38.

[6]王萍.单片机在剩余电流断路器上的应用.电工技术杂志[J].2014，3（5）：43～44.

[7]何瑞华.我国低压电器现状及国内外發展趋势.低压电器[J]，2006，3（7）：67.

[8]李奎，陆检国.剩余电流保护器的主要技术参数及抗干扰的分析[J].机床电器，2009，2（4）：121～122.

[9]张弘廷.漏电保护器安装运行维修[M].3版.北京：中国电力出版社， 2008：46～50.

[10]凌智敏.漏电开关及其应用[M].5版.北京：水利电力出版社，2005：33～38.