遼寧工程技術大學應用技術學院畢業設計（論文）用紙0 前言黨的十一屆三中全會后工農業生產的快速發展，使電氣設備和家用電器大量增加，隨之帶來了與安全用電的矛盾。據不完全統計，70年代中期每年都有數千人傷亡于觸電事故，1975年我國觸電死亡人數高達6000多人，按用電量統計平均為2.87人/千萬kWh。觸電死亡事故在各類傷亡事故中占相當大的比重，當時與先進國家及發展中國家相比，我國安全用電處于低水平。從各種原因分析，大都缺乏安全用電知識及用電設備保護裝置不完善。其次從火災事故分析中也可以看出，由于電器使用不當或線路漏電造成電氣火災占了火災事故的20%以上。如果有一種設備可以使人們安全地使用電，將會避免很多不必要的損失。所以在五花八門的電器接踵而來的同時，也誕生了各式各樣的保護器。其中有一種是專門保護人的，稱為漏電保護器。漏電保護是利用漏電保護裝置來防止電氣事故的一種安全措施。漏電保護裝置又稱剩余電流保護裝置（Residual Current Operated Protective Device,縮寫RCD）。漏電保護裝置是一種低壓安全保護電器，主要用于單相電擊保護，也用于防止由漏電引起的火災，還可用于檢測和切斷各種單相接地故障。漏電保護裝置的功能是提供間接接觸點擊保護，而額定漏電動作電流不大于30mA的漏電保護裝置，在其他保護措施失效時，也可作為直接接觸電擊的補充保護，但不能作為基本的保護措施。漏電保護的原理和裝置的種類較多，但從適用于低壓電網的漏電保護原理來看，目前主要有以下幾種：旁路接地式保護原理、附加直流源檢測保護原理、零序電壓保護原理、零序電流大小及零序電流方向保護原理。前三種保護原理為非選擇性漏電保護，供電電網的任何地方出現漏電故障，保護裝置即動作并切除整個工作面電網，且無法確定故障支路。后兩種保護原理為選擇性漏電保護，可以判斷出故障支路，有選擇地將故障支路切除。但是，隨著電網規模的擴大，供電系統復雜性的提高，對漏電保護提出了更高的要求。實踐證明，漏電保護裝置和其他電氣安全技術措施配合使用，在防治電氣事故方面有顯著的作用，因此研究漏電保護理論與技術應用對國民生活與安全生產具有重要意義。1 緒論1.1 我國漏電保護的發展我國研究漏電保護器起步晚于國外，前蘇聯1949年研制的用于中性點絕緣系統的漏電保護裝置于20世紀50年代初被引進我國，并在全國的礦井中推廣使用，大量的在國內放置的產品（JY82型）還一直延續使用到現在，對我國供電安全和安全技術研究起了重要作用。進入20世紀60年代，我國為了滿足生產發展的需要，根據這一原理，又自選設計和制造了多種形式的礦用隔爆型檢漏繼電器，如JL80型、JL82型和JJKB30型等，分別用于井下660V和1140V電網，取得了很好的效果。20世紀70年代后期，隨著綜合機械化采煤技術的發展，我國先后從英國、德國、前蘇聯、波蘭和日本等國引進了數百套綜合機械化采煤機組，各種類型的漏電保護裝置和電路也隨配套的供電控制設備同時引進，這些引進技術對促進我國漏電保護技術的發展有重要作用。各種引進的漏電保護裝置，有直流檢測型的，有零序電流型的，有零序電壓型的，也有零序功率方向型的，他們各有所長，很值得我們學習借鑒。進入二十世紀七十年代以后，我國用電量逐年增加，觸電事故也逐年增加，因此引起各部門的重視。在各部門的努力下，開始研制漏電保護器。1986年制定了國家標準GB6829漏電電流動作保護器（剩余電流動作保護器）1995年進行了重新修訂，明確規定了漏電保護其產品的質量要求、工作條件和試驗方法，從此我國漏電保護其產品的設計和生產進入科學化、規范化階段，產品系列逐步齊全，產品質量穩步提高，并逐步強制規定用戶安裝漏電保護器。我國漏電保護器的生產和應用起步較晚，從70年代中期開始發展，并首先在農村低壓電網中推廣應用。經過80年代和90年代的自行研制、開發，引進國外先進技術，取得了較大的進展，已形成一個品種完善，規格齊全，負荷IEC國際標準的漏電電流保護器產品系列。在低壓電網的安全保護中，尤其是農村低壓電網的安全保護中發揮了重要的作用。我國生產的剩余電流保護器絕大部分為電子式的，約占剩余電流保護器的90%左右。電磁式剩余電流保護器因制造成本高、價格貴，使用量較少，目前僅占10%左右。主要種類有：家用及類似用途剩余電流斷路器、剩余電流斷路器（主要由低壓塑殼斷路器派生而成）、移動式剩余電流保護器和剩余電流繼電器等。至今為止，國內外又相繼研究出了一些新的漏電保護方式，如旁路接地技術、選擇性自動復電技術、微機在漏電保護中的應用等，為構成全面、完善的漏電保護系統創造了條件。整個漏電保護技術與設備，正在朝著快速斷電、保護方式多元、微機智能綜合的方向發展。1.2 國外研究狀況漏電保護技術是從二十世紀初在西歐國家發展起來的。漏電保護裝置的發展大約經歷了三個階段，即初始階段、發展階段和成熟階段。1921年德國正式發明了電壓動作性漏電保護器，主要用于保護設備外殼漏電。自此，德國的VDE規程及英國的BS規程均制定了有關電壓動作型漏電保護器的標準。但是由于電壓型漏電保護裝置結構復雜、受外界干擾動作特性穩定性差、制造成本高、過電壓容易損壞漏電保護器等缺點，現在已經被淘汰使用，取而代之的是電流型漏電保護裝置。英國早在1930年就開始在磁力起動機里裝設漏電保護裝置，由于當時采用的是變壓器中性點直接接地的供電系統。故保護裝置采用了零序電流保護原理，隨后其他國家也相繼使用。法國人在1940年制成了世界上第一臺靈敏度為10mA，切斷時間為0.1S的電流型漏電保護器。但由于當時磁性材料的發展尚未達到一定的水平，并且制造靈敏的脫扣機構的技術不完善。因此在第二次世界大戰之前，漏電保護器未能大批量生產并用于工程實際中去。第二次世界大戰以后，隨著電器化進程的加快，電器設備用量日趨增加，觸電及電氣火災的可能性也與日俱增。因此人們對漏電保護器寄予很大的希望。前蘇聯1949年研制了用于中性點絕緣系統的漏電保護裝置（PYB型防爆漏電繼電器），它采用了附加直流電源的直流檢測原理。西德在50年代就開始批量生產漏電開關，但是將漏電保護裝置真正作為觸電保護手段用于實際工程則是在60年代以后的事情。1956年德國開始批量生產電流型保護器，1962年美國研制成功了靈敏度為5mA的電流型漏電保護器，英國生產了額定漏電動作電流為30mA，額定工作時間為30mS高靈敏快速型漏電保護器。60年代后期，西歐各國漏電保護器的發展已趨于完善。到二十世紀七十年代各國開始制定規程強制在一些場所安裝漏電保護器。1.3本文所做工作本課題的研究對象是中性點不接地的低壓電網系統，研究重點放在發生單相漏電故障時，通過對中性點不接地低壓電網的漏電分析，提出了根據零序電流判斷漏電、根據相電壓的變化判斷漏電相的判據，并通過單片機將漏電保護理論應用于漏電保護裝置之中。具體工作主要有：1.查閱有關漏電保護的資料，了解漏電保護器的歷史、現狀及發展趨勢；2.分析中性點不接地的低壓電網發生單相漏電故障、兩相漏電故障的原理及參數變化；3.提出了一種以單片機為核心，以零序電流法和最低幅值選相法為判據的新型智能漏電保護裝置的設計方案；4.熟悉單片機運行原理及軟件編程，結合本裝置的硬件電路圖對漏電保護裝置進行軟件編程及調試，實現了能夠快速判斷電網是否發生漏電，鑒別漏電相并發出報警及切除故障信號的新型漏電保護裝置；5. 通過實驗模擬低壓電網發生單相漏電故障的電路。本裝置的軟件采用模塊化設計方法。軟件的總體結構分為數據采集模塊、數據處理模塊、顯示模塊。采用模塊化設計方案將系統程序簡化為若干相對獨立的程序模塊，各模塊單獨設計、編程、調試和查錯，然后整體聯調，大大簡化了設計和調試中的工作量，并且為后續功能擴展和系統維護打下了良好的基礎。2 漏電原理及分析2.1漏電分析電網一旦發生漏電故障，原來三相對稱的運行狀態就要發生變化，絕大部分情況下其對地的對稱性遭到破壞，因而各相對地電壓不再對稱，并產生零序電壓和零序電流等新的參數。運用對稱分量法、節點電壓法及戴維南定理等理論，可以對供電單元發生漏電時的狀態進行升入的定量分析，分析的結果將為設計完善可靠的漏電保護系統提供理論根據。由于三相電源的中性點不接地，所以不論電網發生什么類型的漏電故障，電網的線電壓將不發生變化，仍是三相對稱的。單相漏電和兩相漏電均屬于不對稱故障，故障發生后，電網各相對地電源就不再對稱，并且變壓器中性點也要發生位移，產生對地電壓（零序電壓），如果系統中有零序回路，則在回路中有零序電流流通。考慮到低壓電網與其各相對地的絕緣阻抗可以構成一具有一個節點的網絡，故采用節點電壓法來進行漏電分析較為方便，但這種分析方法要用到的零序電壓、零序電流及零序阻抗的概念，出自對稱分量法的理論。針對一個節點的網絡，節點電壓法的定義為：聯到節點的各支路電動勢和該支路阻抗之商的向量和，等于該節點電壓與聯到該節點各支路阻抗并聯值之商。即 /=) （2-1）式中節點電壓； 聯到節點的所有支路阻抗并聯值（理解為節點內所有支路）； 節點內各支路的電動勢 與各同支路的阻抗 當忽略變壓器、線路等元件的阻抗后，正常時電網的電源中性點N與大地之間只有3個支路并聯，并分別由各相電動勢與各相對地的零序阻抗組成，故構成一具有一個節點的網絡。發生單相漏電或兩相漏電時，就相當于在漏電相的零序阻抗上并聯了過渡電阻，這樣，我們就可以直接應用節點電壓法求出中性點與大地的電位差，即零序電壓，進而根據邊界條件和回路電壓定律求得其他故障參數的表達式。2.1.1 利用節點電壓法分析單相漏電單項漏電時情況如圖2-1所示。圖中變壓器二次側中性點不接地，為相漏電的過渡電阻，其變化范圍約為011K,為個相對地絕緣電阻，為各相對地電容。對于漏電回路，變壓器、線路及大地的阻抗均為歐姆數量級及以下，遠小于r和容抗,可以忽略。正常時電網的電源中性點N與大地之間只有三條支路并聯，并分別由各相電動勢與各相對地的零序阻抗組成，故構成一具有一個節點的網絡。發生單相漏電或兩相漏電時，相當于在漏電相的零序阻抗上并聯了過渡電阻，因而可以直接應用節點電壓法求出中性點與大地的電位差，進而根據邊界條件和回路電壓定律求得其故障參數的表達式。此時的零序電路如圖2-2所示。圖 2-1 利用節電電壓法分析單項漏電的電路圖N點為變壓器二次側中性點，N為大地，設在L1相發生單相漏電，過渡電阻為Rtr。顯然當未發生單相接地時，電路相當于三項對地接有一阻抗為ZZS的三相星形負載，根據公式（2-1）可得VNN=0，也就是不產生零序電壓，因此也不會有零序電流，三相對地只有較小的各相泄漏電流，并在地中達到平衡。 圖 2-2 單相漏電的等效電路圖N點為變壓器二次側中性點，N為大地，設在L1相發生單相漏電，過渡電阻為Rtr。顯然當未發生單相接地時，電路相當于三項對地接有一阻抗為ZZS的三相星形負載，根據公式（2-1）可得VNN=0，也就是不產生零序電壓，因此也不會有零序電流，三相對地只有較小的各相泄漏電流，并在地中達到平衡。需要說明的是電網每相對地零序阻抗ZZS的含義。由于電網為中性點絕緣系統，入地的漏電電流Igr必須經過非故障相的絕緣電阻r2,r3和對地電容C2 ,C3構成回路，故ZZS是電網每相對地絕緣電阻r和電容容抗Xc并聯以后的阻抗值（電纜線路對地感抗很小可忽略）。 (2-2)式中XC=1/WC , W=2f=314當發生單相漏電時，相當于在L1相的零序阻抗ZZS上又并聯了一個過渡電阻Rtr，因而破壞了原由ZZS組成的三相星形負載的對稱性。根據公式（2-1），并令Rtt與ZZS的并聯值為，故得零序電壓 = = = = = （2-3）式中a、向量算子； 各相零序電流 （2-4）根據回路電壓定律得故障相的對地電壓 （2-5）同理，非故障相的對地電壓 (2-6) (2-7)電網經入地的漏電電流 (2-8)與各相對地電壓的向量關系圖如2-3所示圖 2-3 各相對地電壓的向量關系圖2.1.2 利用節點電壓法分析兩相漏電等效電路如圖2-5所示，分別在兩相發生了經過過渡電阻，同樣破壞了原由三個上各并聯了一個電阻，同樣破壞了原由三個所組成的三相星形負載的對稱性。圖2-4兩相漏電的等效電路圖利用節點電壓法，可以求得兩相漏電各故障參數的向量表達式如下： (2-9) (2-10) (2-11) (2-12) (2-13)電網經入地的各相漏電電流，可據邊界條件求得 (2-14) (2-15)電網的總入地漏電電流 (2-16)2.2 漏電保護原理2.2.1零序電流保護原理零序電流保護的基本原理是基于基爾霍夫電流定律：流入電路中任一節點的復電流的代數和等于零，即I=0，它是用零序CT（電流互感器）作為取樣元件。在線路與電氣設備正常的情況下，各相電流的矢量和等于零（對零序電流保護假定不考慮不平衡電流），因此，零序CT的二次側繞組無信號輸出（零序電流保護時躲過不平衡電流），執行元件不動作。當發生接地故障時的各相電流的矢量和不為零，故障電流使零序CT的環形鐵芯中產生磁通，零序CT的二次側感應電壓使執行元件動作，帶動脫扣裝置，切換供電網絡，達到接地故障保護目的。各支路零序電流互感器零序電壓互感器復式電源低通濾波 零序有功檢測環節數模轉換器單片機報警提示打印RS232 圖2-5 整體系統結構框圖零序電流互感器的作用漏電保護器通過電流互感器檢測取得異常訊號，經過中間機構轉換傳遞，使執行機構動作，通過開關裝置斷開電源。 電流互感器的結構與變壓器類似，是由兩個互相絕緣繞在同一鐵心上的線圈組成。當一次線圈有剩余電流時，二次線圈就會感應出電流。2.3 漏電保護器的分類漏電保護器（剩余電流動作保護器）是指能同時完成檢測剩余電流，將剩余電流與基準值相比較，以及當剩余電流超過基準時斷開被保護電路的裝置。2.3.1 按漏電保護裝置中間環節的結構特點分類（1）電磁式漏電保護裝置。其中間環節為電磁元件，有電磁脫扣器和靈敏繼電器兩種形式。電磁式漏電保護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，因而無需輔助電源，當主電路缺相時仍能起漏電保護作用。但其靈敏度不易提高，且制造工藝復雜，價格較高。（2）電子式漏電保護裝置。其中間環節使用了由電子元件構成的電子電路，有的是分立元件電路，也有的是集成電路。中間環節的電子電路用來對漏電信號進行放大、處理和比較。其特點是靈敏度高、動作電流和動作時間調整方便、使用耐久。但電子式漏電保護裝置對使用條件要求嚴格，抗電磁干擾性能較差，當主電路缺相時，可能會因缺失輔助電源而喪失保護功能。2.3.2 按結構特征分類（1）開關型漏電保護裝置。它是一種將零序電流互感器、中間環節和主要開關組合安裝在同一機殼內的開關電器，通常稱為漏電開關或漏電斷路器。其特點是：當檢測到出點、漏電后，保護器本身即可直接切斷被保護主電路的供電電源。這種保護器有的還建有短路保護及過載保護。（2）組合型漏電保護裝置。它是一種由漏電繼電器和主開關通過電氣連接組合而成的漏電保護裝置。當發生觸電、漏電故障時，有漏電繼電器進行信號檢測、處理和比較，通過其脫扣器或繼電器動作，發出報警信號；也可通過控制觸電去操作主開關切斷供電電源。漏電繼電器本身不具備直接斷開主電路的功能。2.3.3 按安裝方式分類（1）固定位置安裝、固定接線方式的漏電保護裝置；（2）帶有電纜的可移動使用的漏電保護裝置。2.3.4 按極數和線數分類按主開關的極數和穿過零序電流互感器的線數可將漏電保護裝置分為：單級二線漏電保護裝置、二極漏電保護裝置、二極三線漏電保護裝置、三極漏電保護裝置、三極四線漏電保護裝置和四極漏電保護裝置。其中，單級二線漏電保護裝置、二極三線漏電保護裝置、三極四線漏電保護裝置均有一根直接穿過零序電流互感器而不能被主開關斷開的中性線。2.3.5 按運行方式分類（1）不需要輔助電源的漏電保護裝置（2）需要輔助電源的漏電保護裝置。此類中又分為輔助電源中斷時可自動切斷的漏電保護裝置和輔助電源中斷時不可自動切斷的漏電保護裝置。2.3.6 按動作時間分類按動作時間可將漏電保護裝置分為：快速動作型漏電保護裝置、延時型漏電保護裝置和反時限型漏電保護裝置。2.3.7 按動作靈敏度分類按動作靈敏度可將漏電保護裝置分為：高靈敏度型漏電保護裝置、中靈敏度型漏電保護裝置和低靈敏度型漏電保護裝置2.4 漏電保護裝置的主要參數2.4.1 關于漏電動作性能的技術參數 關于漏電動作性能的技術參數是漏電保護裝置最基本的技術參數，包括漏電動作電流和漏電動作時間。（1）額定漏電動作時間（）。它是指在規定的條件下，漏電保護裝置必須動作的漏電動作電流值。該值反映了漏電保護裝置的靈敏度。我國標準規定的額定漏電動作電流值為：6mA，10mA，（15mA），30mA，（50mA），(75mA),100mA,(200mA),300mA,500mA,10000mA, 20000mA共15個等級（帶括號的值不推薦優先采用）。其中，30mA及其以下者屬高靈敏度，主要用于防止各種人身觸電事故；30mA以上至1000mA者屬于中靈敏度，用于防止觸電事故和漏電火災；1000mA以上者屬低靈敏度，用于防止漏電火災和監視一相接地事故。（2）額定漏電不動作電流（）。它是指在規定的條件下，漏電保護裝置必須不動作的漏電不動作電流值。為了防止誤動作，漏電保護裝置的額定不動作電流不得低于額定動作電流的1/2。（3）漏電動作分斷時間。它是指從突然施加漏電動作電流開始到被保護電路完全被切斷為止的全部時間。為適應人身觸電保護和分級保護的需要，漏電保護裝置有快速型、延時型、和反時限型三種。快速型適用于單級保護，用于直接接觸觸電擊防護時必須選用快速型的漏電保護裝置。延時型漏電保護裝置認為的設置了延時，主要用于分級保護的首段。反時限型漏電保護裝置是配合人體安全電流時間曲線而設計的，其特點是漏電電流越大，則對應的動作時間越小，呈現反時限動作特性。快速型漏電保護裝置動作時間與動作電流的乘積不應超過30mA.s。我國標準規定漏電保護裝置的動作時間如表（2-1）所示，表中額定電流40A的一欄適用于組合型漏電保護裝置。延時型漏電保護裝置延時時間的優選值為：0.2s，0.4s，0.8s，1s，1.5s，2s。表 2-1 漏電保護裝置的動作時間額定動作電流In/ma額定電流/A動作電流/SIn2In0.5A5In30任意值0.20.10.0430任意值0.20.10.04400.20.15 2.4.2 其他參數漏電保護裝置的其他技術參數的額定值主要有：（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（帶括號的值不推薦優先采用）。3 漏電保護裝置的結構及原理3.1 漏電保護裝置的結構電氣設備漏電時，將呈現出異常的電流和電壓信號。漏電保護裝置通過檢測此異常電流或異常電壓信號，經信號處理，促使執行機構動作，借助開關設備迅速切斷電源。根據故障電流動作的漏電保護裝置是電流型漏電保護裝置，根據故障電壓動作的是電壓型漏電保護裝置。早期的漏電保護裝置為電壓型漏電保護裝置，因其存在結構復雜、受外界干擾動作特性穩定性差、制造成本高等缺點，已逐步被淘汰，取而代之的是電流型漏電保護裝置。電流型漏電保護裝置得到了迅速的發展，并占據了主導地位。目前，國內外漏電保護裝置的研究生產及有關技術標準均以電流型漏電保護裝置為對象。漏電保護裝置的組成：圖3-1是漏電保護裝置的組成方框圖。其構成主要有三個基本環節，即檢測元件、中間環節（包括放大元件和比較元件）和執行機構。其次，還有輔助電源和試驗裝置。實 驗 裝 置執行機 構比較 元 件放大元 件檢測元 件中間環節輔 助 電 源圖 3-1 漏電保護器組成框圖1.檢測元件 它是一個零序電流互感器。被保護主電路的相線和中性線穿過環形鐵心構成了零序電流互感器的一次線圈，均勻纏繞在環形鐵芯上的繞組構成了互感器的二次線圈。檢測元件的作用是將漏電電流信號轉換為電壓或功率信號輸出給中間環節。2.中間環節 該環節對來自零序電流互感器的漏電信號進行處理。中間環節通常包括放大器、比較器、繼電器等，不同形式的漏電保護裝置在中間環節的具體構成上形式各異。3.執行機構 該機構用于接收中間環節的指令信號，實施動作，自動切斷故障處的電源。執行機構多為帶有分離脫扣器的自動開關或交流接觸器。4.輔助電源 當中間環節為電子式時，輔助電源的作用是提供電子電路工作所需要的低壓電源。5.實驗裝置 這是對運行中的漏電保護裝置進行定期檢查時所使用的裝置。通常是用一個限流電阻和檢查按鈕相串聯的支路來模擬漏電的路徑，以檢驗裝置能否正常動作。3.2 漏電判斷原理本課題實現了能夠快速判斷電網是否發生漏電，鑒別漏電相并發出報警及切除故障信號的新型漏電保護裝置。主要通過零序電流保護原理判斷電網是否發生漏電，通過最低幅值選相法判斷漏電相。3.2.1漏電判斷原理零序電流保護的基本原理是基于基爾霍夫電流定律：流入電路中任一節點的電流的代數和等于零，即=0，它是用零序電流互感器作為取樣元件。在線路與電氣設備正常的情況下，各相電流的矢量和等于零（對零序電流保護假定不考慮不平衡電流），因此，零序電流互感器的二次側繞組無信號輸出（零序電流保護時躲過不平衡電流），執行元件不動作。當發生接地故障時的各相電流的矢量和不為零，故障電流使零序電流互感器的環形鐵芯中產生磁通，零序電流互感器的二次側感應電壓使執行元件動作，帶動脫扣裝置，切換供電網絡，達到接地故障保護的目的。零序電流互感器具體應用可在三相線路上各裝一個電流互感器（C.T），或讓三相導線一起穿過一零序電流互感器，也可在中性線N上安裝一個零序電流互感器，利用這些電流互感器來檢測三相的電流矢量和，即零序電流I0，Ia+Ib+IC=0，當線路上所接的三相負荷完全平衡時（無接地故障，且不考慮線路、電器設備的泄漏電流），I0=0；當線路上所接的三相負荷不平衡，則I0=IN，此時的零序電流為不平衡電流IN；當某一相發生接地故障時，必然產生一個單相接地故障電流Id，此時檢測到的零序電流I0=IN+Id，是三相不平衡電流與單相接地電流的矢量和。如果在三相四線中接入一個電流互感器，這時感應電流為零。當電路中發生觸電或漏電故障時，回路中有漏電電流流過，這時穿過互感器的三相電流相量和不等零，其相量和為：Ia+Ib+IC=I(漏電電流）這樣互感器二次線圈中就有一個感應電壓，此電壓加于檢測部分的電子放大電路，與保護區裝置預定動作電流值相比較，如大于動作電流，即使靈敏繼電器動作，作用于執行元件掉閘。這里所接的互感器稱為零序電流互感器，三相電流的相量和不等于零，所產生的電流即為零序電流。圖3-2是某三相四線制供電系統的漏電保護原理圖。現通過此圖，對漏電保護裝置的原理進行說明。圖 3-2 漏電保護器工作原理在被保護的電路工作正常、沒有發生漏電或觸電的情況下，由基爾霍夫定律可知，通過電流互感器一次側電流的向量和等于零。這使得電流互感器一次鐵芯中磁通的向量和也為零。電流互感器二次側不產生感應電動勢。漏電保護裝置不動作。系統保持正常供電。當被保護電路發生漏電或有人觸電時，由于漏電電流的存在，通過電流互感器一次側的各相負荷電流的向量和不再等于零，即產生了剩余電流。這就導致了鐵芯中磁通的向量和也不再為零，即在鐵芯中出現了交變磁通。在此交變磁通作用下，TA二次側線圈就有感應電動勢產生。此漏電信號經中間環節進行處理和比較，當達到預定值時，是主開關分勵脫扣線圈TL通電，驅動主開關QF自動跳閘，迅速切斷被保護電路的供電電源，從而實現保護。3.2.2 漏電相選擇原理當電網發生單相漏電時，在一定的條件下，故障相的對地電壓總是最低的，利用這一特點而構成的選相方法叫最低幅值選相法。由采樣電路取出三相對地電壓Ua、Ub、UC，電網正常時他們數值基本相等并與相電壓成相同的比例；當電網發生單相漏電時，三者數之商有較大的差異，漏電相電壓低于其他兩相。根據最低幅值選相法我們可以選擇出漏電相。表3-1為660V電網單相漏電時的各相電壓。表 3-1 660V電網單相漏電時的各相電壓根據實驗室條件零序電流與各相電壓漏電保護原理進行了實驗室實驗。由于實驗室條件有限，我們模擬的電網如圖3-3：圖 3-3模擬電網線路為了更好的得到試驗結果我把電壓調到了22V/38V，R1=20，R2=7.5，漏電電阻R0=07.5。因實驗室沒有電容，故約去。假如線路發生C相漏電，則全電網C相對地電壓會降低，A、B兩相會升高。中性點電壓變為 (2-34) 即為零序電壓，式中則有 (2-35) (2-36)3.3單片機的選用 單片微型計算機簡稱單片機。它把組成微型計算機的各功能部件：中央處理器、CPU隨機存取存儲器RAM、只讀存儲器ROM、可編程存儲器EPROM、并行及串口輸入輸出I/O接口電路、定時器中斷控制器等部件集成在一塊半導體芯片上，構成一個完整的衛星計算機。隨著大規模集成電路技術的發展，單片機內還包含A/D、D/A轉換器、告訴輸入/輸出部件、DMA通道、浮點運算等新的特殊功能部件。由于它的結構和指令功能都是按工業控制要求設計的，特別適合于工業控制及控制有關的數據處理場合。3.3.1 MCS51單片機系列單片機簡介單片機經歷了4位單片機、8位低檔單片機、8位高檔單片機、16位單片機等各個階段，現在正向高性能、高速度、高集成度、大容量、多功能、低功耗、加強10能力及結構兼容的32位和雙CPU方向發展。盡管單片機的種類很多，但從國內情況來看，使用最廣泛的仍是MCS51系列。從MCS48單片機發展到如今的新一代單片機，大致經歷了三代。如以Intel8單片機為例，這H代的劃分大致如下：第一代：以MCS48系列單片機為代表。其主要的技術特征是將CPU和計算機外圍電路集成到了一個芯片上，在與通用CPU分道揚鑣、構成新型工業微控制器方面取得了成功，為單片機的進一步發展開辟了成功之路。第二代：以MCS51系列的8位單片機為代表。MCS51系列 8位高檔單片機是在總結MCS48系列單片機的基礎上，于80年代初推出的新產品。其主要的技術特征是：（1）擴大了片內存儲容量、外部尋址空間：程序存儲器和片外數據存儲器的尋址都增加到64KB。（2）增強了并行口、增設了全雙工串行口 IO： 4個8位并行1O接口，可用于地址和數據的傳送，也可與8243、8155等連接，進行外部1O接口的擴展；串行1O接口，是一個全雙工串行通信日，可用于數據的串行接收和發送，為構成串行通信網絡提供了方便。（3）增加了定時器計數器的個數并擴展了長度：定時器計數器由一個增為兩個（805為三個），計數長度由8位增為16位，且有4種工作方式。這樣，既提高了定時計數范圍，又使用戶使用靈活方便。（4）增強了中斷系統：設置有2級中斷優先級，可接受5個中斷源的中斷請求，中斷優先級別可由用戶定義。這樣，就使 MCS51單片機很適合用于數據采集與處理、智能儀器儀表和工業過程控制。（5）具備較強的指令尋址和運算等功能：有 111條指令，可分為 4大類。使用了7種尋址方式。這些指令44%為單字節指令，41%為雙字節指令，15%為三字節指令。若用12MHZ的晶體頻率,50%指令可在11S內執行完畢，而40%指令可在 2S內執行完畢。此外，還設有減法、比較和 8位乘、除法指令。乘。除法指令的執行時問僅為4S。這樣，大大提高了 CPU的運算與數據處理能力。（6）增設了頗具特色的布爾處理機：在指令系統中設置有位操作指令，這些位操作指令與位尋址空間一起構成布爾處理機。布爾處理機對于實時邏輯控制處理具有突出的優點。第三代：以80C51系列單片機為代表。它包括了Intel公司發展 MCS51系列的新一代產品，如 8XC152、80C5lFA FB、80C5 1GA GB、SXC451、8XC452，還包括了Philips、Siemens、AMD、OKI、ATMEL等公司以 80C51為核心推出的大量各具特色、與 MCS51引兼容的單片機。80C51系列單片機是在MCS48的HMOS基礎上發展起來的，它們具有CHMOS結構。它保留了MCS48單片機的所有特性，內部組成基本相同。同時80C51系列單片機增設了兩種可以用軟件進行選擇的低功耗工作方式：空閑方式和掉電方式。50C51系列單片機產品中增加了一些外部接口功能單元，如 AD、PWM、PCA（可編程計數器陣列）、WDT（監視定時器）、高速10接口、計數器的捕獲比較邏輯等。此外，由于80C51系列采用了CMOS技術制造而成，較之MCS48系列集成度高、速度快、功耗低。因此 80C51系列單片機得到了廣泛的應用。3.3.2 單片機外部引腳說明MCS51系列單片機芯片均為40個引腳，HMOS工藝制造的芯片采用雙列直插（DIP）方式封裝，下面以8051為例分析和說明下各個引腳的功能。如圖3-5所示MCS51系列單片機的40個引腳中有2個專用于主電源的引腳，2個外接晶體的引腳，4個控制或與其它電源復用的引腳，以及32條輸入輸出I/O引腳。下面按引腳功能分為4個部分敘述各引腳的功能。1.主電源引腳VCC和VSSVCC（40腳）：接+5V電源正端；VSS（20腳）：接+5V電源地端。圖3-5 8051單片機管腳示意圖2.主電源引腳VCC和VSSVCC（40腳）：接+5V電源正端；VSS（20腳）：接+5V電源地端。3.外接晶體引腳XTAL1和XTAL2XTAL1（19腳）：接外部石英晶體的一端。在單片機內部，它是一個反相放大器的輸入端，這個放大器構成了內振蕩器。當采用外部時鐘時，對于HMOS單片機，該引腳接地；對于CHMOS單片機，該引腳作為外部振蕩信號的輸入端。XTAL2（18腳）：接外部晶體的另一端。在單片機內部，接至片內振蕩器的反相放大器的輸出端。當采用外部時鐘時，對于HMOS單片機，該引腳作為外部振蕩信號的輸入端；對于CHMOS芯片，該引腳懸空不接。4.控制信號或與其它電源復用引腳控制信號或與其它電源復用引腳有、等4種形式。（1）（9腳）：RST即為RESET，為備用電源，所以該引腳為單片機的上電復位或掉電保護端。當單片機振蕩器工作時，該引腳上出現持續兩個機器周期的高電平，就可實現復位操作，使單片機回復到初始狀態（復位電路將在我的硬件設計中給出說明）。當VCC發生故障、降低到低電平規定值或掉電時，該引腳可接上備用電源（+50.5V）為內部RAM供電，以保證RAM中的數據不丟失。（2）（30腳）：當訪問外部存儲器時，ALE（允許地址鎖存信號）以每機器周期兩次的信號輸出，用于鎖存出現在P0口的低8位地址。在不訪問外部存儲器時，ALE殿仍以上述不變的頻率（振蕩器頻率的1/6），周期性地出現正脈沖信號，可作為對外輸出的時鐘脈沖或用于定時目的。但要注意，在訪問片外數據存儲器期間，ALE脈沖會跳過一個，此時作為時鐘輸出就不妥當了。對于片內含有EPROM的單片機，在EPROM編程期間，該引腳作為編程脈沖的輸入端。（3）（29腳）：片外程序存儲器讀選通信號輸出端，低電平有效。當從外部程序存儲器讀取指令或者常數期間，每個機器周期兩次有效，以通過數據總線口讀回指令或常數。當訪問外部數據存儲器期間，信號將不出現。（4）（31腳）：為訪問外部程序存儲控制信號，低電平有效。當端保持高電平時，單片機訪問片內程序存儲器4KB（MCS52子系列為8KB）。若超出該范圍時，自動轉去執行外部程序存儲器的程序。當端保持低電平時，無論片內有無程序存儲器，均只訪問 程序存儲器。對于片內含有EPROM的單片機，在EPROM編程期間，該引腳用于接21V的編程電源。5.輸入/輸出（I/O）引腳P0口、P1口、P2口及P3口（1）P0口（39腳32腳）：P0.0P0.7統稱為P0口。當不接外部存儲器與不擴展I/O接口時，它可作為準雙向8位輸入/輸出接口。當接有外部存儲器或擴展I/O接口時，P0口為地址/數據分時復用口。它分時提供8位地址總線和8位雙向數據總線。對于片內含EPROM的單片機，當EPROM編程時，從P0口輸入指令字節，而當檢驗程序時，則輸出指令字節。（2）P1口（1腳8腳）：P1.0P1.7統稱為P1口，可作為準雙向I/O接口使用。對于MCS52子系列單片機，P1.0和P1.1還還有第2功能：P1.0可用作定時器/計數器2的計數脈沖輸入端T2；P1.1用作定時器/計數器2的外部控制端T2EX。對EPROM編程和進行程序驗證時，P1口接收輸入的低8位地址。（3）P2口（21腳28腳）：P2.0P2.7統稱為P2口，一般可作為準雙向I/O接口。當接有外部存儲器或擴展I/O接口且尋址范圍超過256個字節時，P2口用于高8位地址總線送出高8位地址。對于EPROM編程和進行程序驗證時，P2口接收輸入的高8位地址。（4）P3口（10腳17腳）：P3.0P3.7統稱為P3口。它為雙功能口，可以作為一般的準雙向I/O接口，也可以將每1位用于第2功能，而且P3口的每一條引腳均可獨立定義為第1功能的輸入或第2功能。P3口的第2功能詳見表3-2。表 32 P3口第2功能表綜上所述，MCS51系列單片機的引腳作用可歸納為以下兩點：（1）單片機功能多，引腳數少，因而許多引腳都具有第2功能；（2）單片機對外呈3總線形式，由P2、P0口組成16位地址總線；由P0口分時復用作為數據總線；由ALE、RST、與P3口中的、T0、T1、共10個引腳組成控制總線。由于是16位地址線，因此，可使外部存儲器的尋址范圍達到64KB。4 選擇性漏電保護系統的軟件開發4.1軟件設計的總體思想對于一個實際的應用系統來說，往往需要從硬件、軟件兩個方面進行設計。硬件電路是實現預定功能的基礎，是漏電保護器的“肢體”，是整個設計任務的第一步。而所有功能的實現和可靠運行，還依賴與完整的軟件設計。即軟件是設計任務的關鍵，是靈魂。在設計系統的指揮下，漏電保護器才能夠完成一系列的保護工作。軟件是系統的指揮中心，性能優良的軟件是保證系統高效、可靠、安全工作的技術保障。根據保護系統的控制原則和技術要求，使用C語言進行編程。C語言是一種應用廣泛的高級語言，他具有功能豐富、表達能力強、目標代碼效率高、可移植性好等優點，同時它還具有位操作等許多低級語言的特點，非常適合用來開發單片機等嵌入式應用程序。在進行軟件設計時，常用的設計方法有三種：模塊化程序設計、自頂向下逐步求精程序設計、結構化程序設計。由于實際的單片機控制系統的功能復雜、信息量大、程序較長，所以選用切合實際的程序設計方法就顯得相當重要。由于模塊化程序設計的中心思想是把一個復雜應用程序按整體功能劃分成若干相對獨立的程序模塊，各模塊可以單獨設計、編程、調試、和差錯，然后裝配起來聯調，最終成為一個完成一個功能，具有實用價值的程序。本文中采用了模塊化程序設計方法設計了保護系統的主控程序和各功能模塊程序，并給出了程序框圖。試驗表明，采用模塊化結構程序設計方法設計調試方便，編程效率高。4.1.1軟件設計原則軟件設計包括擬定程序的總體方案并畫出程序流程圖、編制具體程序、程序的檢查修改、程序調試等步驟。（1）程序的總體設計程序設計首先要擬定設計的總體方案，由于一個實際的控制系統功能復雜、信息量大、程序較長，因此需要選用切實可行的程序設計方法。該系統使用結構化程序設計方法，把一個較大的程序劃分為若干個具有獨立功能的子程序，各子程序分別進行編譯、調試，最后鏈接成一個統一的整體。在設計過程中，應確定出具體功能模塊的數學模型和算法，并轉換成計算機可以處理的形式，最后繪制出各功能模塊和總體設計的流程圖。（2）程序的編制程序流程圖繪制成功后，整個程序的輪廓和思路已十分清楚。設計者就可以進行編制程序。首先要統籌考慮和安排一些全局問題，如:程序地址空間分配、工作寄存器安排、數據結構、端口地址和輸入/輸出格式等。然后就可以依照程序流程圖來編出目標程序。（3）程序的檢查和修改實際的應用程序編好后，往往會有不少潛在隱患和錯誤，這是不足為奇的。但如果這些隱患和錯誤不加排除和修改很容易產生并發癥，使得本來很好的程序陷入不可收拾的地步。因此，源程序編好后在上機調試前進行靜態檢查是十分必要的。（4）程序的調試程序經過檢查直到沒有錯誤后，就可以進入調試過程，調試過程的主要目的是檢驗編制的程序是否符合實際功能，各模塊子程序之間配合是否協調，是否存在漏洞以及程序優化等，最后完成系統的總體程序設計。4.1.2本課題要實現的主要功能本課題主要研究的智能漏電裝置主要實現以下功能：（1）檢測零序電流（2）判斷電路是否漏電（3）判斷漏電相（4）顯示零序電流（5）按鍵設置整定值4.1.3程序構成程序主要由數據采集、漏電故障判斷、漏電故障相判斷、控制信號輸出、報警等部分組成。數據采集主要將A/D轉換的數據讀入計算機，A/D轉換出發工作方式采用軟件出發，即在軟件操作下，選通某一輸入通道，將該通道模擬輸入信號送入采樣保持器，然后通過單穩電路啟動A/D轉換開始。當A/D轉換完成時，轉換完成為寄存器被置為“1”。當軟件查詢到這個狀態位為“1”時，即將數據讀入到計算機內存中。漏電故障判斷及漏電故障相判斷，這部分程序主要實現故障的判斷功能，即通過檢測到的各信號判斷是否漏電，