家用综合保护器的研制

2023-12-09李勇付娇娇那琰冯丹丹

电气传动自动化 2023年6期

李勇，付娇娇，那琰，冯丹丹

（甘肃电器科学研究院，甘肃天水 741018）

现在家庭配电都安装了断路器和漏电保护器，用来防止因为过载、短路或漏电而造成设备或人员事故，但是这两种设备都不能保护由住宅电气线路老化等原因造成的因故障电弧而导致的火灾等事故的发生，也不能防止因为外部雷击或者系统停电而造成一些敏感电子设备被电涌冲击破坏的危险。虽然可以通过安装断路器、漏电保护器、电弧故障保护器、浪涌保护器等来解决问题，但是这样势必导致家用配电箱臃肿不堪而且成本急剧上升。急需开发一种集过流、短路、电弧故障及浪涌等保护功能于一体的家用综合保护器，以满足时代的要求。

1 设计思路

故障电弧检测的原理是采样的电流信号经过特征参量提取判断是否发生电弧故障，而漏电检测则是根据零序电流互感器采集的电流信号分析判断回路是否发生漏电故障。

浪涌检测其实就是瞬态过电压，而在发生过电压的瞬间如果断开电路，就可能导致过电压加剧，所以是尽量不断开开关而是尽快将过电压处理，常规的办法就是采用压敏电阻或抑制二极管直接疏导冲击电流而达到保护的目的。

基于成本与易操作性考虑，断路器具备了过流与短路保护的功能，在其基础上增加漏电检测、电弧故障检测，当检测到相关故障后发出信号指示断路器动作而断开电路即可，而浪涌保护部分只需在回路中并接过压元件既可。

2 主回路设计

综合保护器的主回路示意图如图1所示。图中：QF为断路器，是保护主体；TA1为电流传感器，主要为电弧故障起到电流采集的作用，交流故障电弧的频率大概在1.5～20 kHz的范围，本文选择响应时间快、电流测量范围宽的霍尔电流传感器；TA2为漏电检测采集电检的零序互感器，选用常规零序互感器即可；R1为浪涌抑制用的浪涌保护器，本文选用由限压型组件与电压开关型组件组合而成的组合型浪涌保护器。

图1 综合保护器的主回路示意图

3 控制系统设计

关于故障电弧检测，首先应对采集到的电流信号进行数据分析，提取其峰值差及三、四次谐波分量，然后进行识别，如果连续检测出8个半周期内都具有故障电弧，而且故障超过设定的门限值，则应确定具有故障并要求开关断开［1］。漏电检测采用零序互感器，其原理比较简单，就是检测相线与中性线电流的矢量和［2］，当回路有漏电产生时其矢量和不为零，当漏电流达到了设定的门限值时，则应确定具有故障并要求开关断开。

4.1 控制系统硬件设计

由于控制要分析、处理波形，控制比较复杂，所以本文采用单片机作为控制电路硬件的核心，本文采用PIC18F4550 芯片作为电流信号的分析处理元件以及整个控制系统的处理主芯片。基于可靠性以及体积考虑，本文选用了输入AC220V、能够输出5V和±15V的微型模块电源FAW10D，以满足单片机与霍尔传感器的需要，控制系统硬件框图如图2所示。

图2 控制系统硬件框图

4.2 控制系统软件设计

控制系统软件主要由主程序、初始化程序、电弧检测与漏电流检测等几部分组成。初始化主要分为输入/输出口初始化、定时/计数器初始化、中断初始化以及变量等的初始化。在系统初始化结束后，应分别对漏电电流信号及故障电弧电流信号进行采样。故障电弧信号根据其采样的数据经过单片机特征参数进行提取，将提取的特征参数实时分析识别，若发生电弧故障，则输出脱扣信号使开关脱扣，若无电弧发生，则重复检测过程。漏电流检测主要是检测其矢量和，有一个电流限值，当矢量和达到此限值，程序就会判断发生故障而输出脱扣信号使开关脱扣，若矢量和在限值以下，则认为没有漏电而重复检测过程。软件主程序流程图如图3所示。