剩余電流動作保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)

剩余電流動作保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)第25卷第4期2009年8月上海電力學(xué)院學(xué)報(bào)JOURNALOFSHANGHAIUNIVERSITYOFELECTRICPOWERVO125NO4AUG2009文章編號10064729200904039603剩余電流動作保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)方劫,饒國東,呂臣斌1四川省達(dá)州電業(yè)局,四川達(dá)州6350002湖南省電力公司東江水力發(fā)電廠,湖南郴州4234033邳州市徐塘發(fā)電有限公司燃料運(yùn)行部,江蘇邳州221300摘要針對設(shè)備的剩余電流問題,根據(jù)剩余電流保護(hù)裝置的工作原理,基于C8051F410單片機(jī)運(yùn)行速率高,功耗低等優(yōu)點(diǎn),設(shè)計(jì)了一款剩余電流動作保護(hù)裝置詳細(xì)描述了該裝置的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和各項(xiàng)功能經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明,該裝置體積小,重量輕,便于攜帶,功耗低,測試準(zhǔn)確,精度高關(guān)鍵詞C8051F410單片機(jī)剩余電流保護(hù)裝置中圖分類號TM771文獻(xiàn)標(biāo)識碼ADESIGNFORRESIDUALCURRENTOPERATINGPROTECTIVEDEVICEFANGJIE,RAOGUODONG2,LVCHENGBIN1DAZHOUPOWERSUPPLYCOMPANYOFSHUANPROVINCE,DAZHOU635000,CHINA2HYDROELECTRICGENERATINGSTATIONOFHUNANPOWERCOMPANY,CHENZHOU423403,CHINA3FEULOPERATIONDEPARTMENTOFXUTANGGENERATINGSTATIONOFPIZHOU,PIZHOU221300,CHINAABSTRACTINORDERTOSOLVETHERESIDUALCURRENTPROBLEMOFDEVICE,ARESIDUALCURRENTOPERATINGPROTECTIVEDEVICEHASBEENDESIGNEDBASEDONTHEHIGHOPERATIONSPEEDANDLOWPOWERDISSIPATIONADVANTAGESOFC8051F410MICROEONTROLLER,ANDACCORDINGTOTHEOPERATIONPRINCIPLEOFRESIDUALCURRENTOPERATINGPROTECTIVEAPPARATUSTHEDEVICESTRUCTUREANDFUNCTIONAREDEPICTEDINDETAILSTHEEXPERIMENTALRESULTSSHOWTHATITHASTHEADVANTAGESOFSMALLERVOLUME,LESSWEIGHT,EASIERCARRYING,LOWERPOWERDISSIPATIONANDHIGHDETECTINGACCURACYKEYWORDSC8051F410MICROCONTROLLERRESIDUALCURRENTPROTECTIVEAPPARATUS隨著人們生活水平的提高,電器設(shè)備的迅速增加,由于剩余電流導(dǎo)致直接或間接觸電事故時(shí)有發(fā)生,嚴(yán)重危害了人們的健康,甚至威脅生命國際電工委員會對剩余電流的準(zhǔn)確定義是接地性故障電流當(dāng)人體可能接觸的電壓值超過了安全值或人體的觸電電流及其他對地故障電流超過了允許值時(shí),剩余電流保護(hù)器能夠自動切斷電源以保障人身和設(shè)備安全我國于2005年修訂的GB139552005剩余電流動作保護(hù)裝置安裝和運(yùn)行,對剩余電流動作保護(hù)器在民用與農(nóng)網(wǎng)改造中的用電安全所起的重要作用給予了充分的肯定和詳細(xì)的詮釋根據(jù)GB13955的具體規(guī)定,裝置的特性參數(shù)在不同的電網(wǎng)中如何選擇使其符合標(biāo)準(zhǔn)的剩余電流動作保護(hù),顯得非常重要引收稿日期20090622作者簡介方劫1965一,男,工程師,湖南岳陽人主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用EMAILFANGJIE163CORN方劭,等剩余電流動作保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)3971保護(hù)裝置工作原理在正常情況下,電路中沒有發(fā)生人身電擊,設(shè)備漏電或接地故障時(shí),剩余電流保護(hù)裝置通過電流互感器一次側(cè)電路的電流矢量和等于零,即IUILBIN0則電流,L1,在電流互感器中產(chǎn)生磁通的矢量和等于零,即FUFFFN0這樣,在電流互感器的二次線圈中沒有感應(yīng)電壓輸出,因此剩余電流保護(hù)裝置保持正常供電當(dāng)電路中發(fā)生人身電擊,設(shè)備漏電,故障接地時(shí),通過設(shè)備接地電阻R有一個(gè)接地電流流過,則通過互感器電流的矢量和不等于零,即IUINIBINQ而剩余電流互感器中產(chǎn)生磁通矢量和也不等于零,即FNF【2FBFNQ互感器二次回路中有一個(gè)感應(yīng)電壓輸出,此電壓通過電子信號放大器施加在脫扣線圈上,產(chǎn)生一個(gè)工作電流二次回路的感應(yīng)電壓輸出隨著故障電流的增大而增大,當(dāng)接地故障電流達(dá)到設(shè)定閥值時(shí),判別元件C8051F410單片機(jī)輸出電壓當(dāng)脫扣線圈兩端電壓接人電阻中的電流足以推動脫扣機(jī)構(gòu)動作,使主開關(guān)斷開電路,并使報(bào)警裝置發(fā)出報(bào)警信號剩余電流互感器二次回路輸出信號較小,一般小于1MW互感器二次回路的輸出信號,通過一個(gè)電子放大器后,施加到C8051F410單片機(jī)上,經(jīng)判別元件對輸出信號進(jìn)行判別后再輸出脫扣電流給脫扣器此類剩余電流保護(hù)裝置對剩余電流判斷準(zhǔn)確,控制脫扣時(shí)間準(zhǔn)確與交流接觸器配合可以應(yīng)用在電網(wǎng)中的多個(gè)等級2保護(hù)裝置的硬件設(shè)計(jì)21動作保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)剩余電流動作保護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示檢測元件用來檢測線路中的剩余電流,判別元件將檢測剩余電流與預(yù)定值相比較當(dāng)剩余電流達(dá)到或超過預(yù)定值時(shí),發(fā)出一個(gè)脫扣信號,使執(zhí)行元件斷開電路或驅(qū)動報(bào)警信號注卜電流互感器2工作電源220G交流3電流電壓轉(zhuǎn)換器4電子信號放大器5判別元件電磁繼電器6一執(zhí)行元件電磁繼電器8實(shí)驗(yàn)裝置9顯示模塊圖1剩余電流動作保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)22主要元件結(jié)構(gòu)及其功能剩余電流保護(hù)裝置的主要元器件的結(jié)構(gòu)及功能女下1剩余電流互感器其主要功能是把一次回路檢測到的剩余電流,1變換成二次回路的輸出電壓EE通過信號放大裝置,將信號放大以后施加到脫扣線圈上,使脫扣器動作剩余電流互感器是剩余電流保護(hù)裝置的一個(gè)重要元件,其工作性能優(yōu)劣將直接影響剩余電流保護(hù)裝置的性能和工作可靠性剩余電流保護(hù)裝置的電流互感器一般采用空心式的環(huán)形互感器,即主電路的導(dǎo)線一次回路導(dǎo)線1從互感器中間穿過,二次回路導(dǎo)線2纏繞在環(huán)形鐵心上,通過互感器的鐵心實(shí)現(xiàn)一次回路和二次回路之間的電磁耦合2C8051F410單片機(jī)是SILICONLABORATORIESL7公司最新推出的8051系列單片機(jī),完全集成的低功耗混合信號片上系統(tǒng)型MCUL89J,它可以提供高達(dá)50MIPS的8051核心處理器C8051F410芯片內(nèi)含穩(wěn)壓器,可以給系統(tǒng)外部元器件提供電源此外,它還整合了豐富的外設(shè)功能,如200KSPS的L2位AD轉(zhuǎn)換器,兩組12位DA轉(zhuǎn)換器,溫度傳感器,可編程電壓參考和比較器,C805IF410采用32腳QFN封裝,體積非常小巧靈活,因而成為便攜式設(shè)備,電子產(chǎn)品和儀器儀表的理想選擇,大大簡化了硬件電路的復(fù)雜度C8051F410單片機(jī)主要結(jié)構(gòu)如圖2所示C8051F410單片機(jī)的主要作用是作為一個(gè)邏輯判別元件,用來判別剩余電流是否達(dá)到預(yù)定值,從而確定剩余電流保護(hù)裝置是否應(yīng)該動作并控制脫扣延時(shí)時(shí)間同時(shí)提供與ZLG7092顯示芯片的接口,讓采集到的數(shù)據(jù)通過LED顯示出來為按鈕提供設(shè)置接口,便于剩余電流保護(hù)裝置設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)上海電力學(xué)院學(xué)報(bào)2009矩J和持續(xù)時(shí)間長的浪涌有特別好的效果另外,在電源變壓器的次級增設(shè)磁珠,用于防止高頻磁場對電路的干擾與破壞4信號放大單元剩余電流互感器二次回路的輸出功率很小,一般僅達(dá)到毫瓦等級在剩余電流互感器和脫扣器之間增加一個(gè)信號放大裝置,不僅可以降低對脫扣器的靈敏度要求,而且可以減少對剩余電流互感器輸出信號要求,減輕互感器的負(fù)擔(dān),從而可以大大縮小互感器的重量和體積,使剩余電流保護(hù)裝置的成本大大降低信號放大裝置采用兩片LM358雙負(fù)反饋放大器組成全波整流放大電路,其原理如圖3所示圖3信號放大電路曰5通信接口本裝置采用RS485通訊,用于與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸RS485通信采用MAXIM公司的MAX13085芯片為保證裝置通信工作的可靠性和裝置工作的安全性,RS485通信接口和裝置內(nèi)部電路實(shí)行電氣隔離J在通信電路中同時(shí)采用了抗擊6KV避雷措施6執(zhí)行元件根據(jù)剩余電流保護(hù)裝置的功能不同,執(zhí)行元件也不同對剩余電流斷路器,其執(zhí)行元件是一個(gè)可開斷主電路的機(jī)械開關(guān)電器繼電器對剩余電流繼電器,其執(zhí)行元件一般是一對或幾對控制觸頭,輸出機(jī)械開閉信號3保護(hù)裝置的軟件設(shè)計(jì)剩余電流保護(hù)裝置工作流程如圖4所示開始初始化各部件與參數(shù)遠(yuǎn)程或就地輸入設(shè)定值檢測剩余電流數(shù)值否認(rèn)檢測電根據(jù)檢測到的電流數(shù)值來定脫扣的延時(shí)時(shí)問及剩余流的相位輸出脫扣觸發(fā)電裝置動作并報(bào)警返回顯示電流數(shù)值存儲脫扣電流以及次數(shù)圖4剩余電流保護(hù)裝置流程其主要由初始化程序,時(shí)鐘模塊,顯示模塊,剩余電流判別模塊和通訊模塊等組成剩余電流互感器檢測剩余電流值,并將其轉(zhuǎn)化為電壓信號,與實(shí)際保護(hù)動作參數(shù)比較,確認(rèn)保護(hù)裝置的脫扣延時(shí)和剩余電流的相位,并根據(jù)設(shè)計(jì)輸出脫扣信息,輸出脫扣觸發(fā)電平,保護(hù)裝置動作并同時(shí)報(bào)警4主要技術(shù)指標(biāo)及特性剩余電流動作保護(hù)裝置分為3種類型,即S型,延時(shí)型和普通型工作電源直接采用220V的下轉(zhuǎn)第408頁408上海電力學(xué)院學(xué)報(bào)2009正數(shù)據(jù)的組合,也可以是一段應(yīng)用程序,如控件或窗體,而整個(gè)應(yīng)用程序也可以是一個(gè)對象在VBNET中每個(gè)對象都由”類”定義,用以描述對象的變量,屬性,過程和事件對象是類的實(shí)例,在創(chuàng)建了一個(gè)類后,可以創(chuàng)建所需的任意數(shù)量的對象VISUALBASICNET的面向?qū)ο筇厣珟砹嗽S多切實(shí)的好處,與以前的VB版本相比,VBNET面向?qū)ο蟮谋拘砸约八鼘^承的支持使得創(chuàng)建某些類型的應(yīng)用更加快速和方便4結(jié)束語VISUALBASICNET代表著VB的一次重大飛躍,是目前最流行的編程語言之一,也是創(chuàng)建NET應(yīng)用程序最簡單及效率最高的工具之一但是把VBNET看成是一種有著熟悉語法的新語言而不是對舊語言的簡單升級,或許是對待VBNET較為正確的態(tài)度參考文獻(xiàn)1威利斯VBNET數(shù)據(jù)庫入門經(jīng)典M北京清華大學(xué)出版社,200620352龔沛曾,楊志強(qiáng),陸慰民VISUALBASICNET程序設(shè)計(jì)教程M北京高等教育出版社,200510183艾文錚,赫利斯VBNET高級編程M北京清華大學(xué)出版社,20051162234童愛紅,劉凱VBNET應(yīng)用教程M北京清華大學(xué)出版社2005132168上接第398頁交流電,以減少電源方面的投資其額定工作電流分別為150A,400A,630A,額定的剩余動作電流最大達(dá)1000MA最大分段時(shí)間S型05S,延時(shí)型06S,普通型02S在額定工作電流下,S型極限不驅(qū)動時(shí)間大于013S,以保證保護(hù)裝置安全可靠的工作,重合閘時(shí)間為2O60S保護(hù)裝置的電氣壽命和機(jī)械壽命高達(dá)1500次和3500次,使用環(huán)境在一25一40,相對濕度應(yīng)小于9O,海拔2000M以下裝置所采用的輔助電源為220V的交流電,零序互感內(nèi)徑分別為41MM,64MM,861TNTI通過分析可知,該保護(hù)裝置具有體積小,重量輕,便于攜帶,功耗低的優(yōu)點(diǎn)由于本裝置采用了C8051F410單片機(jī)進(jìn)行邏輯控制,對采樣電壓進(jìn)行跟蹤調(diào)整,同時(shí)具有脈沖比較和延時(shí)微分功能由此組成的剩余電流信號自動控制漏電脈沖繼電器,克服了同類產(chǎn)品由于檢測的突變剩余電流信號脈沖比較器基準(zhǔn)電位是固定值,輸出的脈沖信號時(shí)限短,以及對檢測的網(wǎng)絡(luò)突變剩余電流信號無時(shí)限監(jiān)控而造成頻繁跳閘,誤跳閘和同步跳閘等現(xiàn)象,降低了農(nóng)村低壓電網(wǎng)不安全的弊端對網(wǎng)絡(luò)突變剩余電流信號采用設(shè)定動作值和設(shè)定時(shí)限值”雙重”自動控制,確保了產(chǎn)品的安全可靠,較好地解決了網(wǎng)絡(luò)級間保護(hù)的配合問題,提高了安裝率,投運(yùn)率和準(zhǔn)確動作率,其推廣應(yīng)用價(jià)值較大5結(jié)束語本文主要闡述了剩余電流保護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理根據(jù)相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)要求,設(shè)計(jì)了基于C8051F410單片機(jī)為控制單元的剩余電流動作保護(hù)裝置經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明,該裝置體積小,重量輕,便于攜帶,功耗低,測試準(zhǔn)確,精度高參考文獻(xiàn)1劉金琰,季慧玉剩余電流保護(hù)電器的IEC標(biāo)準(zhǔn)最新動態(tài)研究J低壓電器,2008,172345482朱正武剩余電流保護(hù)器的運(yùn)行現(xiàn)狀及存在問題J農(nóng)村電氣化,2008541154563潘琢金,孫德龍,夏秀峰C8051F單片機(jī)應(yīng)用解析M北京北京航空航天大學(xué)出版社,20