教你设计智能型漏电断路器

本文叙述了剩余电流产生的原因及危害，设计了一套智能型漏电断路器，并给出了硬件结构和软件设计。试验结果表明，该智能断路器质量可靠、性能稳定、完全达到了国家标准的要求。

电气接地故障中电弧性对地短路是引发电气火灾的重要原因。电弧性对地短路具有很大的阻抗和电压降，它限制了故障电流，使过电流保护器不能动作或不能及时 动作来切断电源，而几百毫安的漏电弧产生的局部高温可达2000℃以上，足以引燃周围的可燃物而引起火灾。况且，用电设备分布在建筑物的各个角落，危害范 围广，如不对系统的漏电进行监测和防控，就会对人身和财产安全构成威胁，存在很大的火灾隐患。智能型漏电断路器能准确监控电气线路的故障和异常状态，能有 效预防常见的因漏电导致接地电弧所引起的建筑物电气火灾事故。为了保证人民生命财产安全，在建筑物的电源进线处及干线上安装智能型漏电断路器十分必要。

1 剩余电流产生的原因和保护原理

让三相四线导线一起穿过一零序电流互感器CT，也可在中性线N上安装一个零序电流互感器CT，利用这些CT来检测三相的电流矢量和，即剩余电流，如图1 所示，根据电路原理可知，当电路中没有发生设备漏电或接地故障且三相负荷完全平衡时，一次侧中瞬时电流的矢量和为零，即Ia+Ib+Ic+IN=0，在电 流互感器中产生磁通的矢量和等于零，此时，二次线圈中感应电流IL=0。当被保护的电路出现绝缘故障时，负载侧有对地泄载电流，零序电流互感器的矢量和不 为零，即 Ia+Ib+Ic+IN≠0，在电流互感器中产生磁通的矢量和也不等于零，此时，零序电流互感器二次绕组中便产生感应电流，即剩余电流IL≠0。

漏电断路器主要由零序电流互感器CT，漏电检测电路，脱扣器组成。被保护电路有漏电或人体触电时，只要漏电或触电电流达到漏电动作电流值，零序电流互感器的二次绕组就输出一个信号，经过集成电路放大器放大后送给CUP，CPU输出驱动信号使漏电脱扣器动作驱动断路器脱扣，从而切断电源起到漏电和触电保护作用。

2 断路器控制器的设计

2.1 系统基本功能

智能型漏电断路器集剩余电流、短路、过载、过压和欠压（缺相）等电气故障的监测、分析、报警及控制于一体，主要具有以下功能：

　　1）具有剩余电流检测和保护功能，当检测到发生漏电时，即剩余电流IL≠0，该信号经过单片机采样运算后进行快速判断，当剩余电流达到整定动作值时，驱动晶闸管，接通电磁脱扣器电源，电磁脱扣器吸合，使断路器跳闸，从而达到漏电保护的功能。

　　2）保护动作电流、分断时间可调：用作台区总保护时，剩余电流动作值可设置为300～1000mA，分断时间可设置为0.6s，而作为二级保护时，动作电流可设置为200mA档，分断时间可设为0.3s.这样的设置可以避免因越级跳闸而引起的大面积停电现象的发生。

　　3）可智能识别突变剩余电流和缓变剩余电流，从而鉴别设备漏电和活体触电。缓变与突变漏电分开鉴别适合我国农村低压电网特点，得到广泛应用，是农村安全用电的一项有效的技术措施。

　　4）具有过电流长延时、过电流短延时和短路瞬时保护三段保护功能，组成所需的智能漏电断路器保护特性。智能设定漏电电流、过电流长延时、过电流短延时和过电流瞬时的整定值及预警值。

　　5）显示并储存故障发生点的线路地址、故障类型、故障发生时间和漏电电流、三相电流值。可记录多达200条历史故障，长期保存，直到用指令删除。

　　6）采用RS485总线通讯技术，可以利用总线与主机构成主从式监控系统，实现用户连网，在一台电脑上可对1～250台智能断路器在线远程监控，随时检查各用户安全用电情况，随时接通或分断各用户供电线路，并可对断路器的各种参数进行远程设置。

2.2 整体硬件设计

智能型漏电断路器主要由电源电路、单片机PIC24FJ64、三相交流电电压电流检测电路、剩余电流检测电路、串行通信接口电路、人机接口电路及报警器等几部分构成的，如图2所示。

其主要工作原理：把从电流互感器和线性光隔器取得的三相电流、漏电及电压信号进行调理后，输入到单片机的A/D转换，单片机对其进行采样后进行分析，输出相应的显示及报警信号等。其分析的结果也可以通过RS485总线传送到上位机。

2.2.1 单片机电路

单片机选用PIC24FJ64，它是由Microchip公司设计的 一款改进型哈佛架构的高性能CPU，是智能断路器的核心，它完成智能断路器的各种控制功能，包括三相电压、三相电流和漏电电流的采样、数据处理、报警输 出、与上位机通信、液晶显示及按键等功能。Microc