【正文】 加強(qiáng)對(duì)漏電火災(zāi)的技術(shù)防范措施，已成為當(dāng)前電氣防火工作的重要任務(wù)之一。目前，熟悉這一新型報(bào)警設(shè)備的設(shè)計(jì)、施工技術(shù)人員亦較少，實(shí)際工作中遇到 的困惑也較多。本文按照國(guó)家現(xiàn)行漏電防火規(guī)范，對(duì)漏電報(bào)警器在低壓配電系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行分析與研討。力求設(shè)計(jì)既滿足規(guī)范要求，又使系統(tǒng)簡(jiǎn)捷合理實(shí)用，逐步達(dá)到規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化。并結(jié)合智能漏電繼電器的技術(shù)性能，使其在應(yīng)用中更加安全可靠，真正起到漏電防火的重要作用。因此，本課題研究具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值 [1]。 1 概況及現(xiàn)狀分析 國(guó)外研究概況 歐洲漏電 報(bào)警 器的發(fā)展以家用剩余電流斷路器為主，基本上都是電磁式剩余電流斷路器。歐洲不帶過電流保護(hù)的剩余電流斷路器近幾年的發(fā)展趨勢(shì)是把二極和四極分成兩個(gè)殼體，使二極剩余電 流斷路器的體積大為減?。憾O寬度為 2 個(gè)模數(shù)（ 36mm），四極寬度為 4 個(gè)模數(shù)（ 72mm）。代表性的產(chǎn)品有 SIEMENS 公司的 5SM 5SZ3 系列；ABB 公司的 F360、 F370 系列， F＆ G 公司的 NFIN 系列等，其最大額定電流為 63A，采用標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌式安裝方式，接線端子提供接線柱式接線和壓板式接線兩種方式，適用于安裝在配電箱中，可直接用標(biāo)準(zhǔn)母線排與其他電器連接。 帶過電流保護(hù)的剩余電流斷路器近幾年的發(fā)展趨勢(shì)，由小型斷路器（ MCB）和剩余電流動(dòng)作保護(hù)附件組裝成剩余電流動(dòng)作斷路器，組裝 方便靈活，尺寸模數(shù)化，標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌安裝方式，便于在配電箱內(nèi)安裝使用。代表性產(chǎn)品有 SIEMENS 公司的 5SU 系列， ABB 公司的 DS250S， F＆ G 公司 FL7 系列，施耐德公司 Vigi C60， Vigi NC100 系列等。 由低壓塑殼斷路器派生的剩余電流斷路器，日本發(fā)展較快，以富士電機(jī)公司和三菱電機(jī)公為代表，均為電子式剩余電流斷路器，其產(chǎn)品在世界上處于領(lǐng)先地位。 國(guó)內(nèi)研究概況 我國(guó)漏電 報(bào)警 器的生產(chǎn)和應(yīng)用起步較晚，但經(jīng)過 80 年代和 90 年代的自行研制、開發(fā)，引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，取得了 較大的進(jìn)展，已經(jīng)形成一定規(guī)模的生產(chǎn)能力。據(jù)不完全的統(tǒng)計(jì)， 1998 年全國(guó)剩余電流動(dòng)作保護(hù)器的年銷售量（包括出口）已超過 1200 萬臺(tái)。其中，剩余電流斷路器占 57％，剩余電流保護(hù)插頭占 25％，其余為剩余電流保護(hù)繼電器、剩余電流保護(hù)插座等。 根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《剩余電流動(dòng)作保護(hù)裝置的安裝和運(yùn)行》 4 中的要求，國(guó)內(nèi)公司開始研制防火漏電報(bào)警系統(tǒng)及報(bào)警器，如福瑞特國(guó)際電氣的“小武松”、金萊特電子公司的防火漏電報(bào)警器（ DHA）、煜卓電子的智能防火漏電報(bào)警開關(guān)等 [2]。 2 漏電報(bào)警器總體設(shè)計(jì) 漏電報(bào)警器的技術(shù)基礎(chǔ) 漏電報(bào)警器的測(cè)量算法與分析 、電壓及功率的測(cè)量 測(cè)量部分主要完成電網(wǎng)參數(shù)的測(cè)量，包括直接測(cè)量電流、電壓、頻率和間接測(cè)量有功功率、無功功率、功率因數(shù)等。對(duì)電網(wǎng)信號(hào)的檢測(cè)采用交流采樣的方法獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，每個(gè)周期采樣 32 個(gè)樣本點(diǎn)，采樣頻率采用自適應(yīng)頻率方式。要想準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)電網(wǎng)的質(zhì)量及實(shí)現(xiàn)可靠的保護(hù)功能，關(guān)鍵就是準(zhǔn)確地檢測(cè)出電網(wǎng)的電流、電壓及相應(yīng)的頻率等，因而對(duì)這些信號(hào)的數(shù)據(jù)處理算法尤為重要。 測(cè)量電壓、電流的方法采用均方根法。根據(jù)周期性連續(xù)函數(shù)有效值的定義， 任意周期函數(shù) f (x)的有效值 ： ? ??? T dxxTF 01 （ ） 式中， T 為函數(shù) f (x)的周期。中央處理器根據(jù)被測(cè)量的采樣值進(jìn)行計(jì)算，故對(duì)電量基本參數(shù)基于直接采樣點(diǎn)算法如下： 電壓有效值： ? ????Nn nuNU 121 （ ） 電流有效值： ? ????Nn niNI 121 （ ） 有功功率： ? ?? ????Nn ninuNP 11 （ ） 視在 功率： UIS? （ ） 無功功率： 22 PSQ ?? （ ） 功率因數(shù)： 5 SP??cos （ ） 式中： u (n)， i (n)為第 n 點(diǎn)的電壓、電流采樣值； N 為一個(gè)周期的采樣點(diǎn)數(shù)。 在實(shí)際的實(shí)時(shí)控制中，如果直接按照上述公式計(jì)算電壓、電流，需要大量的循環(huán)運(yùn)算，不能滿足實(shí) 時(shí)控制的要求。事實(shí)上，只要根據(jù)實(shí)際采樣數(shù)據(jù)的格式，可以避免多余的循環(huán)運(yùn)算。每一路在每個(gè)周期中采樣 32 點(diǎn)，即 N = 32。當(dāng)一個(gè)周期結(jié)束后，下一個(gè)周期的起始點(diǎn)將上一個(gè)周期的第一點(diǎn)覆蓋，如此類推。每一個(gè)周期有 11 32 32bit 的數(shù)據(jù)流量。每一次采樣只覆蓋緩沖區(qū)中的一個(gè)數(shù)據(jù)，其他 N1 個(gè)數(shù)據(jù)沒有變化，因此采用滑動(dòng)窗口法，可以方便快速地進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)也可防止隨機(jī)干擾對(duì)整個(gè)采樣值的影響?；瑒?dòng)窗口法的基本思路如下：設(shè)當(dāng)前采樣點(diǎn)的值為 uk0和 ik0，相應(yīng)被更新的數(shù)據(jù)為 uk1和 ik1，則： 00110 kkkk iuiuSS ??? （ ） SS?0 （ ） 式中： S0為上次采樣計(jì)算結(jié)果， S 為本次采樣結(jié)果。這樣每次采樣都可以得到最新的計(jì)算結(jié)果，而不用循環(huán)運(yùn)算，提高了數(shù)據(jù)處理的速度，在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果。 漏電報(bào)警器的保護(hù)算法與分析 功能保護(hù)算法是漏電報(bào)警 器 的核心部分，完成 報(bào)警器 的大部分功能，包括過電流保護(hù)、欠壓過壓保護(hù)以及漏電保護(hù)等功能。衡量各種算法的優(yōu)缺點(diǎn)、主要指標(biāo)有 時(shí)候是互相矛盾的，因此應(yīng)根據(jù)保護(hù)功能、性能指標(biāo)（如精度、動(dòng)作時(shí)間等）和保護(hù)裝置硬件條件（如 CPU 的運(yùn)算速度、存儲(chǔ)器的容量等）的不同，采用不同的算法。電流保護(hù)是漏電報(bào)警 器 最重要的保護(hù)功能，系統(tǒng)具有過載長(zhǎng)延時(shí)、短路短延時(shí)和短路瞬動(dòng)三段電流保護(hù)及漏電保護(hù)等特性。漏電報(bào)警 器 已廣泛應(yīng)用到多種領(lǐng)域，有配電、有發(fā)電、有電動(dòng)機(jī)保護(hù)、有普通上下級(jí)配合等，而當(dāng)前市場(chǎng)上的產(chǎn)品過載保護(hù)一般只提供一種特性，針對(duì) 倍、 2 倍或 6 倍有幾種時(shí)間值可選，這種特性遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足以上多種場(chǎng)合的用戶要求。如，在電廠廠用漏電報(bào)警 器 直接帶大功率電 動(dòng)機(jī)時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)過載保護(hù)跳閘。以上為設(shè)定參數(shù)不合理或無法進(jìn)行選擇性配合設(shè)定造成。當(dāng)前國(guó)外低壓漏電報(bào)警產(chǎn)品都采用了 IEC255 標(biāo)準(zhǔn)的五種特性曲線，該五條特性曲線有 5*16，共 80 級(jí)特性，完全包容了 GB1428793 的要求，且針對(duì)性更強(qiáng)，選用更方便。五種曲線的表達(dá)式： （ 1）標(biāo)準(zhǔn)反時(shí)限 : ? ? ?? Nkt （ 2）快速反時(shí)限 : ? ?11 ?? Nkt （ 3）特快反時(shí)限（一般用途） : ? ?121 ?? Nkt 6 （ 4）特快反時(shí)限 （馬達(dá)保護(hù)） : ? ? ? ??????? ?????? ??? 22 NNkt e （ 5）高壓熔絲兼容 : ? ?14 ?? Nkt 其中： I 為實(shí)際故障電流， Ir 長(zhǎng)延時(shí)整定電流； K 為曲線速率。 /失壓保護(hù) 低壓配電線路由于出現(xiàn)短路故障等，會(huì)出現(xiàn)短暫時(shí)間內(nèi)線路中的電壓大幅度降低甚至消失的現(xiàn)象。為避免這種現(xiàn)象對(duì)線路和用電設(shè)備帶來的危害，在某些場(chǎng)合必須進(jìn)行低電壓保護(hù)。三個(gè)線電壓均小于低電壓保護(hù)設(shè)定值，并且線路處于閉合狀態(tài)時(shí)，低壓保護(hù)動(dòng)作。對(duì)漏電報(bào)警 器 欠壓、失壓保護(hù)的要求就是，在欠壓、失壓時(shí)能 夠及時(shí)分?jǐn)嗑€路保護(hù)用電設(shè)備，在電壓高于欠壓整定值時(shí)系統(tǒng)能夠正常工作。 漏電報(bào)警器總體設(shè)計(jì) 總體設(shè)計(jì)構(gòu)思 漏電報(bào)警器在供配電系統(tǒng)中的主要作用是對(duì)線路中的電流、電壓及負(fù)載等故障進(jìn)行保護(hù)，負(fù)責(zé)監(jiān)控終端電氣故障，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)傳遠(yuǎn)控和報(bào)警顯示功能。它通過檢測(cè)單元獲取主線路的電流、電壓信號(hào)，經(jīng)系統(tǒng)的邏輯控制單元依據(jù)一定的算法分析判斷后發(fā)出信號(hào)控制斷路器的動(dòng)作，斷路器的動(dòng)作與否及動(dòng)作時(shí)間取決于控制器的控制信號(hào)；它通過通信網(wǎng)絡(luò)，向上位機(jī)發(fā)送現(xiàn)場(chǎng)的各種運(yùn)行參數(shù)和工作狀態(tài)，同時(shí)接受上位機(jī)下傳的數(shù)據(jù)和命令，具有與電 腦通訊的功能，可實(shí)現(xiàn)與用戶聯(lián)網(wǎng)，隨時(shí)可檢查各用戶安全用電情況、隨時(shí)可接通或分?jǐn)喔饔脩艄╇娋€路。漏電報(bào)警 器 的設(shè)計(jì)就是依據(jù)這一原理，其總體設(shè)計(jì)采用以高性能的單片機(jī)為核心，以與單片機(jī)接口的外圍芯片為擴(kuò)展的設(shè)計(jì)思想。外圍芯片按功能模塊擴(kuò)展，由信號(hào)檢測(cè)、信號(hào)調(diào)理電路、斷路器（含電操機(jī)構(gòu)）、通訊接口、遠(yuǎn)程監(jiān)控、執(zhí)行輸出元件等模塊組成 [10]。 圖 總體設(shè)計(jì)框圖 7 主要功能設(shè)計(jì) 本系統(tǒng) 集測(cè)量、保護(hù)、控制、通信等功能于一體，為此漏電報(bào)警器必須對(duì)電流、電壓等模擬量進(jìn)行采樣，采集開關(guān)量，并輸出各種控制和報(bào) 警信號(hào)，同時(shí)還可以和上位機(jī)進(jìn)行通信，而且具有良好的人機(jī)交互功能。同時(shí)，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮增強(qiáng)其自身的抗干擾性能，以及電磁兼容問題。系統(tǒng)應(yīng)具有如下主要功能 [7]： （ 1)測(cè)量與計(jì)量功能 系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)多種測(cè)量和顯示，包括三相電流、三相相電壓和線電壓、不平衡度、頻率、功率因素、有功功率、無功功率、諧波分量等，以及萬年歷時(shí)鐘功能和主觸頭磨損程度及開關(guān)動(dòng)作次數(shù)指示，以滿足現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)視和一般測(cè)量的要求。 （ 2)保護(hù)功能 系統(tǒng)除具有原有過載、短路、單相接地等故障保護(hù)外，還應(yīng)具有斷相或不平衡保護(hù)、接地保護(hù)、漏電保護(hù)和負(fù)載監(jiān) 控、溫度檢測(cè)、預(yù)報(bào)警等功能。 （ 3)故障歷史記錄及自診斷功能 故障發(fā)生后，可記錄故障發(fā)生的具體時(shí)間，同時(shí)把故障發(fā)生時(shí)各種數(shù)據(jù)和信息均保存起來，以便于進(jìn)行事后分析定性，盡快查出故障原因，減少線路維修時(shí)間。當(dāng)控制器發(fā)生自檢故障時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并在頁(yè)面顯示何種故障（如控制器超溫運(yùn)行，讀寫EEPROM 故障等）。 （ 4)熱記憶功能 反復(fù)過載可能引起導(dǎo)體發(fā)熱，控制器因過載或短延時(shí)等故障延時(shí)動(dòng)作后，具有模擬雙金屬片的熱效應(yīng)的功能，過載能量 30min釋放完畢，短延時(shí)能量 15min釋放完畢。在此期間閉合的斷路器若再次發(fā)生過 載或短延時(shí)，則延時(shí)動(dòng)作的時(shí)間縮短，從而使線路和設(shè)備得到較好的保護(hù)。系統(tǒng)斷電時(shí)自動(dòng)清除積累熱效應(yīng)，且該功能可根據(jù)需要關(guān)斷。 （ 5)人機(jī)交互功能（ HMI） 由 HMI 模塊完成，現(xiàn)場(chǎng)操作人員可通過鍵盤把開關(guān)設(shè)備的保護(hù)整定值、功能設(shè)置等信息輸入監(jiān)控單元，并且將其值存入 EEPROM 中，實(shí)現(xiàn)友好的人機(jī)交互功能。 （ 6)通信功能 通過 RS485 總線或通信網(wǎng)絡(luò)，向上位機(jī)發(fā)送現(xiàn)場(chǎng)的各種運(yùn)行參數(shù)和工作狀態(tài)，同時(shí)接受上位機(jī)下傳的數(shù)據(jù)和命令，即具有遙測(cè)、遙信、遙控、遙調(diào)“四遙”功能?？膳c消防控制中心聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程切斷負(fù)載電源，并 有反饋信號(hào)給消防控制中心報(bào)警；具有與電腦通訊的功能，可實(shí)現(xiàn)與用戶聯(lián)網(wǎng)，在一臺(tái)電腦上能對(duì) 1～ 250 臺(tái)漏電報(bào)警器實(shí)現(xiàn)在線遠(yuǎn)程監(jiān)控，隨時(shí)可檢查各用戶安全用電情況、隨時(shí)可接通或分?jǐn)喔饔脩艄╇娋€路 [11]。 8 3 漏電報(bào)警器硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 硬件設(shè)計(jì)原理 漏電報(bào)警器對(duì)線路中的電流、電壓及負(fù)載等故障進(jìn)行保護(hù)，負(fù)責(zé)監(jiān)控終端電氣故障，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)傳遠(yuǎn)控和報(bào)警顯示功能。系統(tǒng)的硬件總體設(shè)計(jì)采用以高性能的單片機(jī)為核心，以與單片機(jī)接口的外圍芯片為擴(kuò)展的設(shè)計(jì)思想。外圍芯片按功能模塊擴(kuò)展，由信號(hào)檢測(cè)、信號(hào)調(diào)理電路、輸入與顯示部分、微控制 器 PIC16F877A、斷路器（含電操機(jī)構(gòu)）、通訊接口、遠(yuǎn)程監(jiān)控、執(zhí)行輸出元件等模塊組成。 電壓互感器、電流互感器和零序互感器檢測(cè)供電線路中的電流、電