基于单片机的智能漏电保护器详解.docx

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基于单片机的智能漏电保护器详解

哈尔滨理工大学

毕业设计

题目：

基于单片机的智能漏电保护器

院、系：

荣成学院电气工程系

姓名：

指导教师：

系主任：

王哈力

2015年6月20日

基于单片机的智能漏电保护器

摘要

近几年随着我国经济的迅速发展，对用电量的需求也越来越大，怎么安全用电成为大家关心的问题。

当前主流的保护原理是剩余电流动作原理。

但在有些情况下的漏电保护存在死区问题，因此不能有效的实施漏电保护，存在着极大的安全隐患。

这些问题在国内外尚未有效地解决，因此需要研究新的漏电保护原理，适应不同情况下的保护要求。

电子技术日新月异，单片机长足的发展和应用也带动了漏电保护器的进步，将单片机技术应用到漏电保护器中会有较强的优势，借助单片机技术能够提高漏电保护器的可靠性、灵敏性，实现多功能的保护。

本论文以漏电保护技术为研究对象，先了解漏电保护器的基本结构，然后分析不同类型保护器的漏电保护原理，采用单片机技术进行软件和硬件设计，实现对漏电流的检测，快速处理和显示，设计出高可靠性、低价位的新型漏电保护器。

关键词漏电保护器；单片机；智能

IntelligentleakageprotectiondevicebasedonSCM

Abstract

Inrecentyears,duetothescaleofChina'seconomicconstructioncontinuestoexpand,therapidgrowthoftheuseofelectricity,electricalsafetyissueisveryimportant.Ineverydaylifetheprincipleofpowerprotectionequipmentduetoimproperuseofelectricalorelectroniccircuitturniscausedbyresidualcurrentprinciple.Butthepresenceofthedeadzoneleakageprotectioninsomecasescannotbeeffectivelyimplementedleakageprotection,thereisagreatsecurityrisk.Theseproblemsathomeandabroadhasnotbeeneffectivelyaddressed,andthereforeneedtostudynewleakageprotectionprinciples,adapttheprotectionrequirementsofdifferentsituations.Electronictechnologyadvances,considerabledevelopmentandapplicationofSCMalsocontributedtotheprogressofleakageprotection,single-chiptechnologywillbeappliedtotheresidualcurrentprotectiondevicemayimprovereliability,achievemoresuitableforusersofmulti-functionalprotection.Therefore,theuseofresidualcurrentprotectionchiptechnologyhasastrongadvantageintermsoffunctionrealization.

Inthispaper,theleakageprotectiontechnologyforthestudy,throughthestudyofresidualcurrenttransformerfordifferenttypesofleakagecurrentstheoreticalanalysis,useschiptechnologyhardwareandsoftwaredesign,implementation,detectionofleakagecurrent,fastprocessinganddisplay,designofnewleakageprotectionandhighreliability,lowprice.

KeywordsLeakageprotection;intelligent;SCM

第1章绪论

1.1课题研究背景

传统的保护器保护功能是利用了某些物理效应，通过机械系统的动作来实现的，因而体积较大，效果也不够理想。

用电设备发生故障或供电网络出现异常时将会影响整个供电线路。

为了避免这一情况，有必要在传统保护器的基础上研究更可靠的和具有更多功能的新型保护器。

比方说，可以对短路进行保护，电流过载时保护，漏电保护，电压偏低或偏低时的保护等[1]。

智能化、人性化、信息化和自动化是现代供电系统的主要特点，漏电保护器向着多用途化方向的发展也是必然的。

智能保护器和传统保护器最大区别是前者具有智能控制处理模块，所谓的智能模块就是在保护器上运用单片机、数字信号处理、微处理单元等微处理器芯片，这种技术能让保护器具有快速处理、识别故障，还能完成相关参数显示和通信功能。

未来的智能型保护器将向着更多功能的方向发展，其脱扣器除了有传统的功能外，还可以提前预警并且可以测量数据参数，这样的举措提高了智能型漏电保护的保护精度，能够实现对设备、线路真正的精确保护。

微电子技术的快速发展，给集成电路也带来了革命性变化，大大减小了电子电路的尺寸，以集成电路为基础的多功能保护器也应运而生。

此时的保护虽比机械保护进步了不少，但还不能称为智能化。

对于快速发展的当今社会来说，传统的漏电保护器根本满足不了电力系统自动化的要求，人们希望单台保护器就能实现自动化、智能化和模块化。

对于电力供电线路中的多台保护器，人们希望能够具有集中监测控制、联网通信的特点，此时可以称作是智能化。

微处理器的快速进步，给智能化保护器的进步提供了前提。

微处理器技术的发展也促进了电气开关的进步。

当电气开关具有智能特点后，除了有传统电器的功能特点外，还能够随时随地显示电路中的电流、电压、功率、功率因数等参数。

智能型保护器可以根据人们的需要随时对一些参数进行设定和修改。

运用微处理技术可以把动作保护参数储存在不易失性储存单元中[2]。

智能保护器除了具有各种保传统保护器的功能外，还能实时显示电流、电压、功率因数等电路参数，当然了这些参数可以根据用户的需要对其设置和修改。

前者与传统的保护器相比，它的优点是很明显的，具体如下所示：

1.可靠性好，灵敏度高

2.适应性强，功能灵活多变

3.性价比高，能很好地满足现代复杂配电电网的要求。

1.2国内外发展动态

漏电保护器经历了一个漫长的发展历程，目前已为全世界普遍使用。

1930年在欧洲发现了漏电保护器的工作电压，这是一历史性变革，为以后的漏电保护器提供了基础。

在1960年以电流作为动作参数的漏电保护器问世。

电流型保护器和电压型保护器相比，前者可靠性更高，电流型的保护器已成为当今保护装置的主流，后者已经被社会摒弃。

1964年日本研发出了以电压作为动作参数的漏电保护装置，西德在1966年开发出了以磁效应为参数的电流动作漏电保护器，在1976年开始集成电路技术被应用到漏电保护器中，开启了漏电保护器的新篇章。

美国在1967年开始就使用了以电流为参数的漏电保护器，并率先开始发展，但还需要大小为5mA的开始时漏电流。

我们国家对电压型漏电保护器的研究是从1966年起步的，我国第一台电磁漏电保护器在1976年问世，于1985年左右开发出以集成电路为基础的漏电保护器。

虽然起步晚但发展迅速[3]。

漏电保护器的使用标准、规程对它的应用和拓展有着重要的作用，为其发展做出了巨大贡献。

美国的《美国国家电气条例》1971年版规定，自1973年1月1日起居民的居住楼和施工工地这两种场合必须设置漏电保护器。

日本的《电气设备技术标准》和劳动省的《安全卫生规则》这两个文件对工作电压超过60V的电气设备在潮湿场所提出了明确要求，在这种场所一定要安装漏电保护器，电压超过400V电路的中也必须全部无条件安装。

我们国家在1981年制定了《漏电保护工作的实施条例》，条例规定施工现场的电气设备必须无条件安装保护设施。

GJJ64—1988《施工现场安全用电技术法规》于1988年在建设部的倡导下制定，在此文件中要求用电建筑机械必须设置漏电保护设施，还规定了二级漏电保护，就是说某些特殊场合在一级漏电保护设置后还必须增设二级漏电保护[4]。

通过以上对智能保护器的了解，通过国内外各低压电器供应商的产品现状以及研究动态来分析，低压智能保护器的发展趋势可概括为以下几个方面：

1.智能化及功能多样化

所谓智能化就是采用先进的微处理器（MCU/DSP）或其他大规模可编程数字处理器件为控制核心，从而使低压智能保护器实现微机保护的功能。

与传统的低电压保护器相比，低压智能漏电保护器能根据用户需要整合多种功能，如运行各种现场采样和处理，实时显示各种运行参数的参数，电源设备和线路过载，短路，单相接地，电压浮动，漏电等保护功能。

低压智能保护也具有丰富的用户界面，不仅可以通过数码管或液晶显示模块，可显示三相电流，电压，频率，环境温度和时间参数等，还可以通过键盘，手持编程器保护设定值进行调整。

此外，它应该有一个自我诊断测试，负载监控功能，同时也有一定的保障电能质量分析能力，一些高端低压智能保护还提供无线通信。

2.可通信化

可通信化就是把计算机网络优势、通讯优势引进到低压保护器领域中来。

智能低电压保护器以及其他职能电器可以作为一个网络节点，采用现场分步技术，作为低压配电SCADA系统的构成，完善的网络管理信息传输设备，真正做到不同于集中控制或分布式控制分布式管理和控制。

可以用详细要求可在“四遥”一遥测，遥信，遥控，遥调来体现沟通，以实施改造计算机集群控制和配电系统自动化项目。

3.模块化、通用性和小型化

所谓模块化的结构就是将低压智能保护器的控制部分、动作部分、触头系统等各部分组成一个相对独立和能满用户不同要求的整体。

模块化设计不仅有助于降低复杂性和产品开发的成本，易于实现规模化生产，同时也便于扩容和日常维护功能。

低压智能保护器各个部件也应该具有通用性的特点，可满足用户不同厂家的要求来生产同类型的可互换零件，总资源达到最优组合系统的杭灵活选择。

另外，安装系统的空间是有限的，要尽可能的实现量大体积小的要求，为用户节约经济[5]。

1.3课题内容

随着我国经济的迅速发展，人们对生活质量也提出了更高的要求，因此保护人身及财产的安全也越来越受重视。

国家也在许多场合明确要求必须无条件的安装剩余电流保护器，即漏电保护器，以保障人身财产安全。

漏电保护器主要用来防止漏、触电，提高漏电保护器的可靠性，可以有效地减少漏电火灾和人身触电事故，因此人们非常重视剩余电流保护器技术及应用的研究。

本文研究的漏电保护器主要用在低压电网中。

随着单片机技术的发展，单片机在电器领域内得到广泛应用，使电器具有智能化功能。

漏电保护器是低压电器的一个重要系列产品，但由于漏电保护的特殊性，目前对漏电保护的智能化在理论上和技术上还需要人们进行深入研究与探讨。

本课题在以下方面开展研究工作：

1.对漏电保护检测原理进行分析；

2.以PIC单片机为硬件基础，设计出漏电保护器硬件模块；

3.通过对PIC16877芯片编程，实现软件控制。

1.4课题研究目的及意义

随着我国经济的迅速发展，使电气设备和家用电器大量增加，随之带来了与安全用电的矛盾。

因触电死亡事故以及漏电导致的火灾事故在各类伤亡事故中占相当大的比重，给国家和人民带来巨大的损失。

从各种原因分析，大都缺乏安全用电知识及用电设备保护装置不完善。

传统的漏电保护器已不能满足现代化的需求，因此研究新型漏电保护器势在必行。

智能型漏电保护器除了具备传统漏电保护器的功能外还有如下优势：

控制信号更加可靠，可以实时的检测线路中各种参数，参数的整定和设置更加方便快捷。

当发生故障时能迅速切断电源并发出报警信号，还可以实现联网通信，让其更加人性化。

论文所研究的智能型漏电保护器，能有效地减少触电伤亡和漏电引起的火灾事故，对以后漏电保护器智能化的发展具有一定的指导和现实意义。

第2章漏电保护器概述

2.1漏电保护器

2.1.1漏电保护器简介

漏电保护器，简称漏电开关，它的主要功能是当设备发生漏电故障时以及人身触电时进行断闸保护，当线路或电器出现负荷的过载和短路时，也能起到保护作用，另外在一般场合中可以作为线路的转换开关使用，在许多场合中有着广泛的应用。

漏电保护器主要由放大器、零序电流互感器和漏电脱扣器等部分组成，特点为动作反应性较高、性能相对稳定[6]。

2.1.2漏电保护器的分类

漏电保护器经过多年的开发，其技术越来越好，产品质量越来越稳定可靠，产品的种类已经十分完善，范围几乎涉及到各种场合。

以下将依据不同的标准展开分类。

1.根据运行方式可分为：

辅助电源的漏电保护器、非助电源的漏电保护器；

2.根据安装形式可分为：

固定安装漏电保护器和非固定安装漏电保护器；

3.根据极数可分为：

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.根据保护的种类可分为：

单一用途漏电保护器和多用途漏电保护器；

5.根据接线方式分为：

接入式的漏电保护器、非接入式漏电保护器；

6.根据结构分为：

组合漏电保护器和机械开关漏电保护器。

7.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；

8.根据故障信号，可以将漏电保护器分为电压动作型和电流动作型漏电保护器[7]。

2.1.3漏电保护器工作原理

本文以分立电子式漏电保护器为研究对象，运用零序电流互感器对线路中的漏电交流电流进行检测。

当电气设备发生漏电时，会出现两种异常现象，一是，三相电流的平衡遭到破坏，出现零序电流；二是，正常时不带电的金属外壳出现对地电压。

零序电流互感器的作用是将检测到的异常信号，经中间机构转换传递，使执行机构动作，通过开关装置断开电源。

漏电保护器工作原理将漏电保护器安装在线路中，一次线圈与电网的线路相连接，二次线圈与漏电保护器中的脱扣器连接。

当用电设备正常运行时，线路中电流呈平衡状态，互感器中电流矢量之和为零。

由于一次线圈中没有剩余电流，所以不会感应二次线圈，漏电保护器的开关装置处于闭合状态。

当设备外壳发生漏电并有人触及时，致使互感器流入、流出的电流出现了不平衡，一次线圈产生剩余电流，此时便会感应二次线圈，当这个电流值达到该漏电保护器限定的动作电流值时，自动开关脱扣，切断电源。

其具体结构如图2-1所示，其中TAN代表零序电流互感器，YA表示电动执行单元，主要组成部分是电子控制漏电脱扣器。

M代表电动机。

图2-1分立电子式漏电保护器结构图

当电流不发生人身触电或其他漏电事故时，由克希荷夫电流定律可知，正常情况下通过零序电流互器TAN的一次侧电流的相量和等于零，公式如下

（1-1）

这样，各相线工作电流在零序电流互感器环形铁心中所产生的磁通量和也为零，公式为

（1-2）

因此，这时零序电流互感器的二次线圈没有感应电压输出，漏电断路器不动作，对被保护电路保持正常供电。

当被保护电流有人触电或出现其他接地捅电故障时，由于漏电电流的存在，使得通过电流互感器一次侧的各相负荷电流（包括中性线电流）的相量不再为零，也就是

（1-3）

它为剩余电流，在本文中表示漏电电流。

一般在被保护电路中，如果被保护的电路中电流相量和不为零，那么磁通就会在其铁心中产生，公式如下

（1-4）

此时漏电脱扣器会收到其二次绕组中产生的感应电势信号，当这信号达到一定值时，电子控制的漏电脱扣器动将会发出相应操作，此操作会使漏电保护器主开关断开，从而在极短的时间内主动切开电源，避免事故的发生[8]。

2.2智能漏电保护器

2.2.1智能漏电保护器的主要特点

当线路发生漏电情况以及人身触电时，漏电保护器能够断闸保护，当发生短路和电流过载时也可以派上用场，另外在一般情况下亦可以当做线路的转换开关使用，其在许多场合中有着广泛应用。

漏电保护器主要由放大器、零序电流互感器和漏电动作脱扣器等部分组成，其可靠性良好，性能相对稳定。

智能型漏电保护器除了具备传统保护器的各种用途外，而且还可以显现各种电路指标，例如电流，电压，功率，功率因数，这些指标根据需要可以随时显现，设置和修改。

前者较后者来说，它拥有许多领先的地方：

1.可靠性高，灵敏度好

2.用途灵活多变，适应性高

3.性价比高，更适合现代复杂配电电网的要求。

2.2.2智能漏电保护器工作原理

智能漏电保护器的工作原理为将零序电流互感器测到的信号送到运算放大器对信号进行放大，再由带A/D转换的单片机对漏电电流信号进行高速采样和数字转换，求得直流漏电电流平均值、缓变交流漏电电流有效值，并以此有效值求出突变漏电电流值，最后将处理得到的数据结果与规定的额定动作值进行比较，当实际电流值达到额定动作值时，根据用户的延时要求，驱动断路器断开，并实现自动重合闸和漏电电流跟踪和记忆功能[9]。

漏电保护器主要由检测单元、中间环节和执行机构三个部分组成。

检测元件为零序电流互感器，它由封闭的环形铁心和一次、二次绕组构成，一次绕组有被保护电路的相、线电流流过，其作用是将采集到的漏电流信号转换成中间环节可以接受的电压或功率信号。

中间环节采用运算放大器和单片机控制系统，对漏电信号进行处理（变换、放大和比较）和动作控制。

因此通常包括放大器、比较器和脱扣器等。

执行单元通常由脱扣器的保护器或交流接触器的器件组成。

根据中间环节发出的指令，来切断保护电路的电源。

图2-2表示智能型漏电保护器的动作原理：

图2-2智能型漏电保护器的原理展示图

2.3本章小结

当线路发生漏电情况以及人身触电时，漏电保护器能够断闸保护，当发生短路和电流过载时也可以派上用场，另外在一般情况下亦可以当做线路的转换开关使用，其在许多场合中有着广泛应用。

漏电保护器主要由放大器、零序电流互感器和漏电动作脱扣器等部分组成，其可靠性良好，性能相对稳定。

智能型漏电保护器除了具备传统保护装置的各种用途外，而且还可以显示各种电路指标，各种指标也可以显示，设置和修改。

具有稳定性高，功能灵活，自适应强，性价比高的优点。

第3章漏电保护器的硬件设计

3.1硬件设计整体思路

图3-1智能漏电保护器硬件结构设计图

智能型漏电保护器的硬件主要由漏电检测电路、相位同步电路、漏电动作电流和延时设定电路、液晶显示电路、单片机控制单元和动作执行单元等部分组成。

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。

漏电数字显示单元主要呈现发生故障时线路中的漏电电流的大小以及执行操作的原因，通常由单片机控制。

动作执行单元直接由单片机控制，完成漏电保护功能。

本文采用PIC16F877系列单片机，在智能型漏电保护器中起着“大脑”的作用。

智能化漏电保护器是在PIC16F877单片机的控制下完成的,其控制软件由四部分组成,即上电初始化模块、漏电信号分析模块、漏电电流显示模块、漏电动作输出模块。

上电初始化模块主要完成上电后的初始化,对PIC16F877的端口进行初始化,还包括根据外部设置状态确定额定漏电动作电流和动作时间。

漏电信号分析模块主要通过A/D转换后,将漏电模拟信号转换为数字信号,对于三相电网来说,还要将各相漏电电流分离出来。

漏电电流显示模块采用动态扫描输出方式，交替显示总漏电电流、A相漏电电流、B相漏电电流、C相漏电电流。

漏电动作输出模块主要是将漏电电流与漏电动作值进行比较，当漏电电流大于设定值时,单片机发出动作信号[10]。

电路基本原理图如3-2所示：

图3-2硬件电路基本原理图

3.2零序电流互感器的选择

零序电流为整个系统的最原始信号，它直接决定了系统的精确与否，是一个很关键的参数。

不同类型的零序电流互感器的零序电流范围以及指标也不一样，那么就有必要挑选合适的零序电流互感器。

通常的零序电流互感器的原方零序电流小于2～5A时有较大的变化和相位差别，满足不了微处理器检测装置的要求，LWJZ-3型的零序电流互感器的精准度比较高，即使原方零序电流在0.20～0.50A时，也能保证所需要的精度，电流超过2.5A时更为精准，变比误差小于1%，角误差在1度以下。

输出信号还要通过平波电抗器进一步操作。

3.3单片机的选择

PIC系列单片机由美国Micrchip科技公司生产的，公司主要从事和生产各类型，功能的单片机，性价比高，在单片机领域影响巨大。

PIC采用了RISC结构的嵌入式微处理器，PIC系列的单片机的指令更为精简，硬件可靠性高，制作独特。

相对于初学者来说它是最方便入门学习的，同时它也是使用最广泛的单片机品种之一[11]。

PIC16F877单片机内部资源很多，在工业生产制造方面应用很广。

它具有以下优点：

1.数据总线和地址总线采用分离的哈佛总线结构。

2.指令集短小精悍，仅仅有35条，绝大数为单周期指令，执行速度快。

3.低功耗，驱动能力强。

PIC采取全静态CMOOS设计，功损很小很小。

片内有上电复位电路、跟踪显示电路、RC振荡器电路选择等，不必再增设外围电路，节约经济，损耗小。

4.代码压缩率高。

1K字节的存储器空间，PIC系列的单片机能够存放的指令数可达1024条，而MCS-51这样的单片机，大约只能存放600条指令。

可见比51单片机优越的多。

5.驱动能力强。

发光二极管LED、光电耦合器或者微型继电器等可以通过I/O端口直接驱动。

6.寻址方式简单。

PIC系列单片机采用相对独立的寻址方式。

7.PIC可以最大程度地减少或免用外接器件，常用的电复位电路、I/O引角上拉电路、看门狗定时器等上面都有集成。

8.开发方便。

对于PIC系列中的任一款单片机的来说，任何一套免费软件综合开发环境，都能实现程序编写和模拟仿真。

9.程序可移植性强。

PIC单片机不搞简单的功能堆积。

众多型号的单片机其运行性能有高有低，片上功能资源有多有少，但始终保持了高度一致的可移植性。

这样，设计工程师就可以在最初定方案时挑选一款功能最恰当的芯片，随着开发的深入，能够随时方便的将整个设计移植到其他型号的单片机上，保证最终产品中使用的单片机不会有太多的资源浪费，提高了产品的性价比。

通过以上的罗列，PIC系列单片机有很多独具的优势，因此本论文用这一系列的单片机作为微控制单元，具体型号为PIC16F877，引脚图如图3-3所示：

图3-3PIC16F877引脚功能图

表3-1引脚功能

引脚名称

引脚号

类型

引脚功能

OSC