作者：濟南山東建筑工程院信息與電氣工程系（250014）鄒 軍  齊保良
來源：《電子技術應用》

摘要：介紹了一種基于單片機的漏電保護器測試儀的軟、硬件設計,實現了漏電保護器動作特性的在線自動檢測。

    關鍵詞：漏電保護器 動作特性 單片機 斷電檢測

低壓配電系統中裝設漏電保護器（剩余電流動作保護器）是防止電擊事故的有效手段之一,也是防止漏電引起電氣火災和電氣設備損壞事故的技術措施。國家標準要求漏電保護器在投入運行后,使用單位應建立運行記錄及相應的管理制度,每月需在通電狀態下,按動實驗按鈕,檢查漏電保護器動作是否可靠。雷雨季節應增加檢查次數。但是該實驗只能用來檢查漏電保護器的脫扣功能,不能用來校核額定漏電動作電流和分斷時間的數值。所以國家標準還規定應定期進行漏電保護器的動作特性實驗,測試漏電動作電流值、漏電不動作電流值和分斷時間。我們研制了一種漏電保護器試儀,可在線實現上述功能的測試。

1 硬件電路設計

硬件電路主要包括信號采集控制電路、斷電檢測電路及單片機控制電路。

1.1 信號采集控制電路

國家標準規定額定漏電動作電流IΔn的優先值為：0.006、0.01、0.03、0.05、0.1、0.3、0.5、1、3、5、10、20A;額定漏電不動作電流IΔno的優先值為0.5IΔn,如果采用其它值時應大于0.5Iδn;漏電保護器的分斷時間如表1、表2所示。

表1 直接接觸用的漏電保護器的最大分斷時間

表2 間接接觸用的漏電保護器的最大分斷時間

手持式電動工具、移動電器、家用電器插座回路的設備優先選用IΔn,為30mA及以上、100mA以下的快速動作的漏電保護器;有多臺設備的總保護應選用IΔn為100mA及以上的快速動作的漏電保護器。

根據以上要求可見,IΔn不大于30mA的漏電保護器應用廣泛。由表1可知,在測試直接接觸用漏電保護器的分斷時間時應產生250mA的漏電流,因此該測試儀設計為最大可產生275mA（有效值）的漏電流,可滿足測試IΔn為50mA及以下的漏電保護器的所有測試項目、IΔn為100mA的漏電保護器除5IΔn分斷時間外的所有測試項目。該測試儀的信號采集控制電路如圖1所示。

K選用KN62S型三位開關,K合向位1時測試漏電動作電流值、漏電不動作電流值。Q1、Q2為光MOS固態繼電器,其開路最大漏電流為10μA。測試漏電保護器某一漏電流的分斷時間時,K合向位2后接通Q1,整流橋接在n0～n1之間,調節電流到測試值,然后斷開Q1（延時10ms以上,確保Q1斷開）接通Q2,由n1點接向n2點意味著突然產生漏電流,同時開始計量分斷時間。因為零線N與地線PE的電位一般不同,所以測試點n2不接在PE線上。v1接斷電檢測電路。

由整流特性及電流有效值定義知整流橋前后的電流有效值相等,圖1中I1即為漏電流值。考慮在線測試時三極管集電極電位較高,以三極管發射極電流有效值I3作為測量信號?？刂齐妷篤3作為測量信號。控制電壓V2為1.4～4.8V,2SD272、2SD594的hFE分別為40和50,R3取1Ω,R2的值由下式確定：

    r2取15kΩ。Rw選用10kΩ的電位器,以便出廠時調整V2的動態范圍（因不同的2SD272、2SD594的hFE可能不同）。

∵i1=i3-i2 ∴i1=i3-[1/(1+40)(1+50)]

若令i3=i1,則因簡化產生的誤差er為：

因er很小,可認為I1=I3。

∵V3=I3R3,由V3即可測得漏電流I1的值。

1.2 斷電檢測電路

在測試漏電保護器的動作持性時,必須準確測知漏電保護器的動作時刻。本系統設計的斷電檢測電路見圖2。6N138為光電二極管與達林頓光電晶體管封裝的光電耦合器,一次側工作電流IF為1.6mA,Ifmax為20mA,Vfmax為1.7V。考慮到整流橋的正向導通壓降Vdmax為2.4V,6N138一次側電流iF由下式確定：

從v1的零時刻開始使iF增加到1.6mA所需的時間t可由式（1）求得：t=0.4ms。因為iF為脈動直流信號,所以的關斷時間大于0.8ms,即可判斷電網斷電、漏電保護器已動作。我們設計的判斷時間為1ms,在電網電壓波動較大時仍保證判斷正確。由式（1）還可求得iFmax=11.4mA,小于6N138的Ifmax。

1.3 單片機控制電路框圖及工作原理

單片機控制電路框圖如圖3所示,包括單片機、采集信號轉換電路、鍵盤電路、LCD顯示電路、D/A轉換電路以及電源電路。

    單片機選用AT89C52,時鐘頻率為12MHz。單片機系統通過信號采集控制電路控制漏電流的產生和調節漏電流的大小,漏電流信號檢測電壓V3經有效值轉換器AD636得到與其有效值對應的直流信號,通過10位串行A/D轉換器TLC1549轉換成數字信號送單片機。V3的脈動頻率為100Hz,AD636的平均電容CAV選用2.2μF的電解電容,則AD636的輸出信號建立時間T8由下式確定：

Ts=25ms/μF×CAV=25ms/μF×2.2μF=55ms

即V3的穩定時間要大于55ms。選用74HC373和74HC377作為鍵盤I/O接口。顯示器采用16字符×1行LCD。D/A轉換器選用具有上電復位功能、建立時間為12.5μs的10位串行D/A TLC5615,因其為電壓輸出型,輸出可直接作為控制電壓V2控制漏電流的變化。系統中的所有IC選用單5V電源、低功耗的芯片。該測試儀采用電荷泵DC-DC變換器7201,用四節1.5V電池供電。

2 系統軟件設計

本系統實現漏保護器動作特性測試有兩種方法,一是根據基本條件由系統自動完成,二是由鍵盤控制完成。功能模塊包括漏電流檢測、斷電檢測、鍵盤掃描、顯示等模塊。

2.1 漏電流大小檢測模塊

模塊的入口參數為D/A轉換器TCL5615的輸入控制值D,放在單片機內存的30H、31H單元。AD636的建立時間為55ms,TLC1549、TLC5615建立時間都很短,因此輸出D后延時60ms讀取TLC1549的輸出值。出口參數漏電流大小I1存放到內存的40H、41H單元。

2.2 斷電檢測模塊

該模塊由模塊主程序、外部中斷INT1和定時器T1中斷服務子程序組成。

T1在INT1端變為高電平（6N138截止）時啟動,定時到1ms發生中斷,說明電路已斷電,漏電保護器已動作。在T1中斷服務子程序中置位斷電標志、關閉INT1和T1中斷。

根據1.2所述,在電網正常通電情況下,6N138截止使INT1端保護高電平的時間小于1ms。INT1端電平由高變低發生中斷,在其中斷服務子程序中設置使T1重新定時1ms,從而使T1不會在電網正常通電情況下發生中斷。

模塊主程序初始化INT1、T1,復位斷電標志。

2.3 自動檢測的算法

國家標準規定測試漏電動作電流值的方法是調節剩余電流從小于0.2IΔn開始在30s內穩定地增加至IΔn值。由鍵盤選擇進入自動檢測功能操作后,輸入IΔn值,單片機計算出對應0.2IΔn和（IΔn-0.2IΔn）/275的輸出控制初值D0和輸出變化范圍ΔD,調用一次漏電流檢測子程序約需61ms,由ΔD計算出每步后的延時時間,使整個測試在30s內完成。測試開始前調用斷電檢測模塊,每步測量完成后查看斷電標志,若置位則停止檢測。在測試過程中電流的變化值都顯示在顯示器上,并最終指示斷電電流值或最后的電流值（兩種情況顯示標志不同）。

    測試分斷時間的程序流程如圖4所示。用定時器T0計量分斷時間,T0每次定時的時間為60ms,中斷次數存于內存50H單元,圖中“T0定時值”等于50×（50H）加上T0最后一次的定時值。分斷定時時間減去1.65ms是因為固態繼電器Q2的典型動作時間為1.65ms。

2.5 鍵盤控制檢測的方法

鍵盤控制檢測方式指調節漏電流的變化的操作由鍵盤控制完成。設計了實現正常和快速增加、減少的鍵盤掃描模塊。

該裝置利用單片機實現了漏電保護器動作特性在線自動檢測。如果只測度漏電動作電流值,可在漏電保護器后的任一帶PE線插座上測試。建筑物內的插座回路、電氣醫用設備、手持式電動工具等安裝漏電保護器的設備和場所都可用該測試儀定期進行漏電保護器動作特性實驗。