【正文】 .......................................................................................................55 參考文獻(xiàn) ...................................................................................................................56 致 謝 .........................................................................................................................57 附錄 軟件程序清單 .................................................................................................58 1 第一章 緒論 引言 黨的十一屆三中全會(huì)后工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展，使電氣設(shè)備和家用電器大量增加，隨之帶來(lái)了與安全用電的矛盾。漏電保護(hù)器主要用來(lái)防止漏電造成的經(jīng)濟(jì)損失及人生觸電造成的傷亡 ， 對(duì)解決漏電問題有重要意義 。 論文題目： 漏電保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)（軟件） 專 業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化 本 科 生： 王 博 （簽名） 指導(dǎo)教師：張玉峰 （簽名） 摘 要 隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大。 本課 題 在分析低壓電網(wǎng)漏電保 護(hù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出了以單片機(jī)為核心，基于零序電流法和最低幅值選相法的漏電保護(hù)方案。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)， 70 年代中期每年都有數(shù)千人傷亡于觸電事故， 1975 年我國(guó)觸電死亡人數(shù)高達(dá) 6000 多人，按用電 量 統(tǒng)計(jì)平均為 人 /千萬(wàn) kW其次從火災(zāi)事故分析中也可以看出，由于電器使用不當(dāng)或線路漏電造成電氣火災(zāi)占了火災(zāi)事故的 20%以上。 漏電保護(hù)是利用漏電保護(hù)裝置來(lái)防止電氣事故的一種安全措施。 漏電保護(hù)的原理和裝置的種類較多，但從適用于低壓電網(wǎng)的漏電保護(hù)原理來(lái)看，目前主要有以下幾種：旁 路接地式保護(hù)原理、附加直流源檢測(cè)保護(hù)原理、零序電壓保護(hù)原理、零序電流大小及零序電流方向保護(hù)原理。 實(shí)踐證明，漏電保護(hù)裝置和其他電氣安全技術(shù)措施配合使用，在防治電氣事故方面有顯著的作用 ， 因此研究漏電保護(hù)理論與技術(shù)應(yīng)用對(duì)國(guó)民生活與安全生產(chǎn)具有重要意義。自此，德國(guó)的 VDE 規(guī)程及英國(guó)的 BS 規(guī)程均制定了有關(guān)電壓動(dòng)作型漏電保護(hù)器的標(biāo)準(zhǔn)。 法國(guó)人在 1940 年制成了世界上第一臺(tái)靈敏度為 10mA，切斷時(shí)間為 的電流型漏電保護(hù)器。 因此人們對(duì)漏電保 護(hù)器寄予很大的希望。 60 年代后期，西歐各國(guó)漏電保護(hù)器的發(fā)展已趨于完善。 20 世紀(jì) 70 年代后期，隨著綜合機(jī)械化采煤技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)先后從英國(guó)、德國(guó)、前蘇聯(lián)、波蘭和日本 等國(guó)引進(jìn)了數(shù)百套綜合機(jī)械化采煤機(jī)組，各種類型的漏電保護(hù)裝置和電路也隨配套的供電控制設(shè)備同時(shí)引進(jìn)，這些引進(jìn)技術(shù)對(duì)促進(jìn)我國(guó)漏電保護(hù)技術(shù)的發(fā)展有重要作用。 1986 年制定了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB6829《漏電電流動(dòng)作保護(hù)器（剩余電流動(dòng)作保護(hù)器）》 1995 年進(jìn)行了重新修訂，明確規(guī)定了漏電保護(hù)其產(chǎn)品的質(zhì)量要求、工作條件和試驗(yàn)方法，從此我國(guó)漏電保護(hù)其產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)進(jìn)入科學(xué)化、規(guī)范化階段，產(chǎn)品系列逐步齊全，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)步提高，并逐步強(qiáng)制規(guī)定用戶安裝漏電保護(hù)器。我國(guó)生產(chǎn)的剩余電流保護(hù)器絕大部分為電子式的，約占剩余電流保護(hù)器的 90%左右。 整個(gè)漏電保護(hù)技術(shù)與設(shè)備，正在朝著快速斷電、保護(hù)方式多元、微機(jī)智能綜合的方向發(fā)展。軟件的總體結(jié)構(gòu)分為數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、顯示模塊。日常所見到的架空線路離地面很高，但空氣也是一種絕緣物質(zhì)，對(duì)電有一定的絕緣電阻，加上沿線對(duì)地的分布電容，所以正常時(shí)帶電的架空導(dǎo)線上也有微小 的泄漏電流經(jīng)空氣入地，不過其數(shù)值很小，一般可以忽略不計(jì)，這種現(xiàn)象不能稱作漏電故障。 漏電電流與正常的泄露電流之間沒有嚴(yán)格的界限，這種界限還與電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)、電壓等級(jí)、中性點(diǎn)接地方式等因素有關(guān)。但是，若在該系統(tǒng)中發(fā)生一相帶電導(dǎo)體經(jīng)一定數(shù)值的過渡阻抗接地（如人體電阻等），入地電流就 小多了，其值常不足 1A，此時(shí)過流保 7 護(hù)裝置根本不動(dòng)作，而漏電保護(hù)裝置則應(yīng)該動(dòng)作，所以說(shuō)，這種故障又屬于漏電故障的范圍。 對(duì)于目前國(guó)內(nèi)廣泛采用的變壓器中性點(diǎn)絕緣的供電系統(tǒng)，漏電故障明確定義為：在中性點(diǎn)絕緣的供電系統(tǒng)中，發(fā)生單相接地（包括直接接地和經(jīng)過渡阻抗接地）或兩相、三相對(duì)地的總絕緣阻抗下降到危險(xiǎn)值得電氣故障就叫做漏電故障，簡(jiǎn)稱漏電。所謂分散性漏電是指整條線路或整個(gè)電網(wǎng)的對(duì)地絕緣水平均勻下降到低于允許水平的漏電。瞬間集中性漏電，主要指人員或其他接地導(dǎo)體偶爾觸及設(shè)備的帶電部分后，立刻又?jǐn)[脫或分開的情況。電磁式漏電保護(hù)裝 置因全部采用電磁元件，使得其耐過電流和過電壓沖擊的能力較強(qiáng)，因而無(wú)需輔助電源，當(dāng)主電路缺相時(shí)仍能 起 漏電保護(hù)作用。中間環(huán)節(jié)的電子電路用來(lái)對(duì)漏電信號(hào)進(jìn)行放大、處理和比較。它是一種將零序電流互感器、中間環(huán)節(jié)和主要開關(guān)組合安裝在同一機(jī)殼內(nèi)的開關(guān)電器，通常稱為漏電開關(guān)或漏電斷路器。它是一種由漏電繼電器和主開關(guān)通過電氣連接組合而成的漏電保護(hù)裝置。 按主開關(guān)的極數(shù)和穿過零序電流互感器的線數(shù)可將漏電保護(hù)裝置分為：?jiǎn)渭?jí)二線漏電保護(hù)裝置、二極漏電保護(hù)裝置、二極三線漏電保護(hù)裝置、三極漏電保護(hù)裝置、三極四線漏電保護(hù)裝置和四極漏電保護(hù)裝置。 按動(dòng)作時(shí)間可將漏電 保護(hù)裝置分為：快速動(dòng)作型漏電保護(hù)裝置、延時(shí)型漏電保護(hù)裝置和反時(shí)限型漏電保護(hù)裝置。 10 由于三相電源的中性點(diǎn)不接地，所以不論電網(wǎng)發(fā)生什么類型的漏電故障，電網(wǎng)的線電壓將不發(fā)生變化，仍是三相對(duì)稱的。即 / = ) （ 21） 式中 —— 節(jié)點(diǎn)電壓； —— 聯(lián)到節(jié)點(diǎn)的所有支路阻抗并聯(lián)值（理解為節(jié)點(diǎn)內(nèi)所有支路）； —— 節(jié)點(diǎn)內(nèi)各支路的電動(dòng)勢(shì) —— 與各 同支路的阻抗 當(dāng)忽略變壓器、線路等元件的阻抗后，正常時(shí)電網(wǎng)的電源中性點(diǎn) N 與大地 之間只有 3 個(gè)支路并聯(lián)，并分別 由 各相電動(dòng)勢(shì)與各相對(duì)地的零序阻抗 組成，故構(gòu)成一具有一個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于漏電回路，變壓器、線路及大地的阻抗均為 11 歐姆數(shù)量級(jí)及以下，遠(yuǎn)小于 r 和容抗 ,可以忽略。 圖 21 利用節(jié)電電壓法分析單項(xiàng)漏電的電路圖 N 點(diǎn)為變壓器二次側(cè)中性點(diǎn)， 為大地，設(shè)在 相發(fā)生單相漏電，過渡電阻為。 需要說(shuō)明的是電網(wǎng)每相對(duì)地零序阻抗 的含義。 15 圖 24兩相漏電的等效電路圖 利用節(jié)點(diǎn)電壓法，可以求得兩相漏電各故障參數(shù)的向量表達(dá)式如下： (29) (210) (211) (212) (213) 電網(wǎng)經(jīng) 入地的各相漏電電流，可據(jù)邊界條件求得 (214) (215) 16 電網(wǎng) 的總?cè)氲芈╇婋娏? (216) 比較兩種漏電故障 （ 1） 兩種故障下零序電壓與各相對(duì)地電壓的向量關(guān)系是完全相似的； （ 2） 在相同的電網(wǎng)參數(shù)和故障條件下（ trR ）下，單相漏電的 zszs IV、 有效值大于兩相漏電； （ 3） 在中性點(diǎn)絕緣的電網(wǎng)中發(fā)生單相漏電、兩相漏電等不對(duì)稱漏電故障時(shí)，比產(chǎn)生具有一定大小和相位的 ，而故障處的各相對(duì)地電壓則分別等于各相正常時(shí)的相電 壓與零序電壓 和 的向量和，電網(wǎng)線電壓仍保持其對(duì)稱性。 [8] 單相漏電 各 故障參數(shù)的變化 這一部分主要分析在電網(wǎng)單相漏電（含人體觸電）的情況下，零序電壓、零序電流、人身觸電電流及各相對(duì)地電壓的變化規(guī)律和它們之間的相位關(guān)系。 Φ角度，其中Φ值為： Φ = (219) 則 (220) (221) 的模為： 19 (222) 則 隨參數(shù) r、 和 R 變化的規(guī)律為： （ 1） 當(dāng)系統(tǒng)對(duì)地絕緣電阻不變，即 r 和 R 為定值時(shí) (223) 這是一個(gè)直徑為 ，且直徑通過向量 的圓的極坐標(biāo)方程，對(duì)應(yīng)不同的 同的 r 和 R 值，圓具有不同的直徑。該圓族也內(nèi)切于坐標(biāo)原點(diǎn)， 角隨系統(tǒng)對(duì)地絕緣阻抗 r 變化的范圍為： 當(dāng) r=0 時(shí)， = 當(dāng) r= 時(shí)， = 20 即當(dāng) C 和 R 為定值時(shí)， r 在 至 區(qū)間變化是， 角在 至 區(qū)間變化。因此，分析 R 值變化對(duì)漏電參數(shù)的影響是非常必要的 當(dāng) R=0 時(shí)， ， 。 各相對(duì)地電壓 當(dāng) A 相發(fā)生漏電故障時(shí)，由于零序電壓 的存在，將導(dǎo)致對(duì)地電壓的不平衡。 零序 電流 為 ，可表示為 22 (228) 為第二條至第 n 條線路的對(duì)地等效阻抗。如圖 25 所示。在選 擇性漏電保護(hù)裝置中，正是 利用其相位關(guān)系，對(duì)故障線路加以識(shí)別。在系統(tǒng)對(duì)地電容 C 和漏電電阻 R 為定值時(shí)， 23 的最小值并不出現(xiàn)在 r= 時(shí)刻，因此，不是 r 值越大， 越小。它是指在規(guī)定的條件下，漏電保護(hù) 裝置必須動(dòng)作的漏電動(dòng)作電流值。 （ 2） 額定漏 電不動(dòng)作電流（ ） 。它是指從突然施加漏電動(dòng)作電流開始到被保護(hù)電路完全被切斷為止的全部時(shí)間。反時(shí)限型漏電保護(hù) 裝置是配合人體安全電流 —— 時(shí)間曲線而設(shè)計(jì)的，其特點(diǎn)是漏電電流越大，則對(duì)應(yīng)的動(dòng)作時(shí)間越小，呈現(xiàn)反時(shí)限動(dòng)作特性。 表 21 漏電保護(hù)裝置的動(dòng)作時(shí)間 [9] 漏電保護(hù)裝置的其他技術(shù)參數(shù)的額定值主要有： （ 1） 額定頻率為 50Hz； （ 2） 額定電壓為 220V或 380V； （ 3） 額定電流（ ）為 6A， 10A,16A， 20A， 25A， 32A， 40A， 50A， (60A)，63A， (80A)， 100A， (125A)， 160A， 200A， 250A（帶括號(hào)的值不推薦優(yōu)先采用）。早期的漏電保護(hù)裝置為電壓型漏電保護(hù)裝置，因其存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、受外界干擾動(dòng)作特性穩(wěn)定性差、制造成本高等缺點(diǎn)，已逐步被淘汰，取而代之的是電流型漏電保護(hù)裝置。其構(gòu)成主要有三個(gè)基本環(huán)節(jié)，即檢測(cè)元件、中間環(huán)節(jié)（包括放大元件和比較元件）和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 中間 環(huán)節(jié) 該環(huán)節(jié)對(duì)來(lái)自零序電流互感器的漏電信號(hào)進(jìn)行處理。 輔助電源 當(dāng)中間環(huán)節(jié)為電子式時(shí)，輔助電源的作用是提供電子電路工作所需要的低壓電源。 主要通過零序電流 保護(hù)原理 判斷電網(wǎng)是否發(fā)生漏電，通過最低幅值選相法判斷漏電 相。 零序電流互感器具體應(yīng)用可在三相線路上各裝一個(gè)電流互感器（ ），或讓三相導(dǎo)線一起穿過一零序電流互感器，也可在中性線 N 上安裝一個(gè)零序電流互感器，利用這些電流互感器來(lái)檢測(cè)三相的電流矢量和，即零序電流 0I ， 0III ca ??? b ，當(dāng)線路上所接的三相負(fù)荷完全平衡時(shí)（無(wú)接地故障，且不考慮線路、電器設(shè)備的泄漏電流）， 00?I ；當(dāng)線 路上所接的三相負(fù)荷不平衡，則 NII ?0 ，此時(shí)的零序電流為不平衡電流 NI ；當(dāng)某一相發(fā)生接地故障時(shí)，必然產(chǎn)生一個(gè)單相接地故障電流 dI ，此時(shí)檢測(cè)到的零序電流 dN III ??0 ，是三相不平衡電流與單相接地電流的矢量和 。圖 32 是某三相四線制供電系統(tǒng)的漏電保護(hù)原理圖。 電流互感器 二次側(cè)不產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。這就導(dǎo)致了鐵芯中磁通的向量和也不再為零，即在鐵芯中出現(xiàn)了交變磁通。由采樣電路取出三相對(duì)地電壓，電網(wǎng)正常時(shí)他們數(shù)值基本相等并與相電壓成相同的比例；當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生單相漏電時(shí)，三者數(shù)之商有較大的差異，漏電相電壓低于其他兩相。由于實(shí)驗(yàn)室條件有限，我們模擬的 電網(wǎng)如圖 33： 圖 33 模擬電網(wǎng)線路 為了更好的得到試驗(yàn)結(jié)果我把電壓調(diào)到了 22V/38V， ??201R ， ?? ，漏電電阻 ?? ~00R 。它把組成微型計(jì)算機(jī)的各功能部件：中央處理器、CPU隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 RAM、只讀存儲(chǔ)器 ROM、可編程存儲(chǔ)器 EPROM、并行及串口輸入輸出 I/O 接口電路、定時(shí)器中斷控制器等部件集成在一塊半導(dǎo)體芯片上，構(gòu)成一個(gè)完整的衛(wèi)星計(jì)算機(jī)。盡管單片機(jī)的種類很多，但從國(guó)內(nèi)情況來(lái)看，使用最廣泛的仍是 MCS— 51 系列。 第二代：以 MCS— 51 系列的 8 位單片機(jī)為代表。 （ 3）增加了定時(shí)器／計(jì)數(shù)器的個(gè)數(shù)并擴(kuò)展了長(zhǎng)度：定時(shí)器／計(jì)數(shù)器由一個(gè)增為兩個(gè)（ 805 為三個(gè)），計(jì)數(shù)長(zhǎng)度由 8 位增為 16 位，且有 4 種工作方式。 （ 5） 具備較強(qiáng)的指令尋址和運(yùn)算等功能：有 111 條指令，可分為