消除漏电保护死区的智能保护器设计

摘要：为消除漏电死区，减小漏电保护器的拒动作和误动作，介绍了漏电保护的原理，理论论述漏电死区的存在。提出漏电检测的有效方法：以连续的3个周期为处理单元，将对应时刻的漏电流值与前1周期对应时刻的缓变电流值相减，可以在每个周期内确定的时刻采样得到有效的信号值△I，然后将连续3个周期相对应时刻的△I值分别与突变电流和缓变电流的动作整定值进行比较判断并做出相应的处理。依照提出的检测方法，设计出了漏电保护的硬件电路原理框图和其软件流程图。经测试，该智能保护器可大大提高漏电保护的可靠性和有效性。
关键词：漏电死区；逐值检测法；缓变电流；突变电流；智能化

随着工商业和家庭等的重要用电设备不断增加，用电设备和人身安全的保护逐渐成为一项至关重要的工作。随着人们对漏电保护技术的不断研究和应用，电流动作型漏电保护器得到了快速发展，新的漏电保护的原理和方法不断出现，但漏电触电伤亡事件仍然层出不穷。将单片机技术应用于保护电器中，可以很好地克服剩余电流保护器的误动和拒动等缺点，使其保护特性更加准确、可靠。

1 漏电流保护的死区问题
漏电流也被称作剩余电流，包括两个部分：漏电流中随气候、设备老化等变化而缓慢变化的缓变电流和突然发生故障漏电的突变电流。由于缓变电流和突变电流的不同变化特征，对它们要采取不同的方法进行检测和保护。
在被保护电路工作正常，没有发生漏电或触电故障的情况下，通过漏电电流互感器TA一次测的电流相量和等于零，使得TA铁中心的磁通相量和也为0，这样TA的二次侧没有感应电动势产生，漏电保护器拒动作，系统保持正常供电；当被保护电路发生漏电故障或有人触电时，由于漏电流的存在，漏电流通过TA，使其磁通量发生变化，从而通过TA一次侧各相电流的相量和不再等于零，产生了漏电电流Ik。这使得TA铁中心的磁通的相量和也不等于0，在铁心中出现了交变磁通。TA的二次侧在交变磁通作用下，就有感应电动势产生，此漏电信号经中间环节进行处理和比较当故障电流达到额定值时，足以使漏电脱扣器动作，切断故障电路，有效地起到保护作用。
具体地说，剩余电流互感器检测到的漏电电流为电网缓变电流汇入线路缓变电流形成新的漏电电流，其前后的变化量为：

取这个变化量△I作为漏电保护的动作信号，当△I达到整定值时，推动保护装置动作。将式(1)代入式(2)得△I=，此时，当Ir为50mA，IL为100 mA时，若整定值为30 mA，则通过计算可知有63．9°～139．5°和220．5°～296．1°两个死区区间，且随整定值变小死区范围会变大。经取值计算可看出：漏电保护存在动作死区，而且值越小，灵敏度越高，但死区范围越大。

2 漏电流的逐值检测法
逐值检测法指以连续的3个周期为处理单元，将对应时刻的漏电流值与前1周期对应时刻的缓变电流值相减，可以在每个周期内确定的时刻采样得到有效的信号值△I，然后将连续3个周期相对应时刻的△I值进行比较处理。以周波中第二个采样点为例：当前采样时刻t21的△I，与设定值作比较，若大于设定值(突变电流动作整定值)，再判断后两个周期相对应时刻t22和t23的值，均大于，则确定是突变电流，发出执行信号，继电器动作；若后两个周期中相对应时刻t22和t23的值均小于，则确定为缓变电流，且原来缓变电流的值增大h2，而差值h1判断为干扰信号。依照此方法，当累积的缓变电流值达到其动作整定值I△n时，应发出执行信号，继电器动作，保护设备和人身。

如图1所示，是电网缓变电流曲线，是测得的信号电流，其每一时刻的电流值都是缓变电流和突变电流的矢量和，由于在较短的一段时间内，缓变电流是相对不变的，大小可以等于前一时刻的缓变电流的值，即图1虚线所示，所以在t1到t3的各时刻电流突增值即突变电流就可以计算出来。重要的一点就是要设计过零点检测电路，准确检测零相位点。一般触电体是纯阻性体时，漏电流和工作电压之间的相位差为零，即同时出现信号过零点；一旦触电体为非纯阻性体时，漏电流和电压之间的相位差菲零，漏电流的过零点可能是突变电流和缓变电流在这个时刻的矢量和恰好为零导致的，那么必须检测到这两者先后过零点的时间差，然后计算出相位差，应用公式得到此刻的突变电流值，进行判断。