1 硬件电路设计

硬件电路主要包括信号采集控制电路、断电检测电路及单片机控制电路。

1.1 信号采集控制电路

国家标准规定额定漏电动作电流IΔn的优先值为:0.006、0.01、0.03、0.05、0.1、0.3、0.5、1、3、5、10、20A;额定漏电不动作电流IΔno的优先值为0.5IΔn,如果采用其它值时应大于0.5IΔn;漏电保护器的分断时间如表1、表2所示。

手持式电动工具、移动电器、家用电器插座回路的设备优先选用IΔn不大于30mA的快速动作的漏电保护器;单台电机设备可选用IΔn为30mA及以上、100mA以下的快速动作的漏电保护器;有多台设备的总保护应选用IΔn为100mA及以上的快速动作的漏电保护器。

根据以上要求可见,IΔn不大于30mA的漏电保护器应用广泛。由表1可知,在测试直接接触用漏电保护器的分断时间时应产生250mA的漏电流,因此该测试仪设计为最大可产生275mA(有效值)的漏电流,可满足测试IΔn为50mA及以下的漏电保护器的所有测试项目、IΔn为100mA的漏电保护器除5IΔn分断时间外的所有测试项目。该测试仪的信号采集控制电路如图1所示。

K选用KN62S型三位开关,K合向位1时测试漏电动作电流值、漏电不动作电流值。Q1、Q2为光MOS固态继电器,其开路最大漏电流为10μA。测试漏电保护器某一漏电流的分断时间时,K合向位2后接通Q1,整流桥接在n0～n1之间,调节电流到测试值,然后断开Q1(延时10ms以上,确保Q1断开)接通Q2,由n1点接向n2点意味着突然产生漏电流,同时开始计量分断时间。因为零线N与地线PE的电位一般不同,所以测试点n2不接在PE线上。v1接断电检测电路。

由整流特性及电流有效值定义知整流桥前后的电流有效值相等,图1中I1即为漏电流值。考虑在线测试时三极管集电极电位较高,以三极管发射极电流有效值I3作为测量信号。控制电压V2为1.4～4.8V,2SD272、2SD594的hFE分别为40和50,R3取1Ω,R2的值由下式确定:

R2取15kΩ。Rw选用10kΩ的电位器,以便出厂时调整V2的动态范围(因不同的2SD272、2SD594的hFE可能不同)。

1.2 断电检测电路

在测试漏电保护器的动作特性时,必须准确测知漏电保护器的动作时刻。本系统设计的断电检测电路见图2。6N138为光电二极管与达林顿光电晶体管封装的光电耦合器,一次侧工作电流IF为1.6mA,IFmax为20mA,VFmax为1.7V。考虑到整流桥的正向导通压降VDmax为2.4V,6N138一次侧电流iF由下式确定:

从v1的零时刻开始使iF增加到1.6mA所需的时间t可由式(1)求得:t=0.4ms。因为iF为脉动直流信号,所以iF小于1.6mA的连续时间t′=2t=0.8ms。如果6N138连续的关断时间大于0.8ms,即可判断电网断电、漏电保护器已动作。我们设计的判断时间为1ms,在电网电压波动较大时仍保证判断正确。由式(1)还可求得iFmax=11.4mA,小于6N138的IFmax。

1.3 单片机控制电路框图及工作原理

单片机控制电路框图如图3所示,包括单片机、采集信号转换电路、键盘电路、LCD显示电路、D/A转换电路以及电源电路。

单片机选用AT89C52,时钟频率为12MHz。单片机系统通过信号采集控制电路控制漏电流的产生和调节漏电流的大小,漏电流信号检测电压V3经有效值转换器AD636得到与其有效值对应的直流信号,通过10位串行A/D转换器TLC1549转换成数字信号送单片机。V3的脉动频率为100Hz,AD636的平均电容CAV选用2.2μF的电解电容,则AD636的输出信号建立时间TS由下式确定:

即V3的稳定时间要大于55ms。选用74HC373和74HC377作为键盘I/O接口。显示器采用16字符×1行LCD。D/A转换器选用具有上电复位功能、建立时间为12.5μs 的10位串行D/A TLC5615,因其为电压输出型,输出可直接作为控制电压V2控制漏电流的变化。系统中的所有IC选用单5V电源、低功耗的芯片。该测试仪采用电荷泵DC-DC变换器7201,用四节1.5V电池供电。

2 系统软件设计

本系统实现漏电保护器动作特性测试有两种方法,一是根据基本条件由系统自动完成,二是由键盘控制完成。功能模块包括漏电流检测、断电检测、键盘扫描、显示等模块。

2.1 漏电流大小检测模块

模块的入口参数为D/A转换器TLC5615的输入控制值D,放在单片机内存的30H、31H单元。AD636的建立时间为55ms,TLC1549、TLC5615建立时间都很短,因此输出D后延时60ms读取TLC1549的输出值。出口参数漏电流大小I1存放到内存的40H、41H单元。

2.2 断电检测模块

该模块由模块主程序、外部中断和定时器T1中断服务子程序组成。

T1在端变为高电平(6N138截止)时启动,定时到1ms发生中断,说明电路已断电,漏电保护器已动作。在T1中断服务子程序中置位断电标志、关闭和T1中断。

根据1.2所述,在电网正常通电情况下,6N138截止使端保持高电平的时间小于1ms。端电平由高变低发生中断,在其中断服务子程序中设置使T1重新定时1ms,从而使T1不会在电网正常通电情况下发生中断。

模块主程序初始化、T1,复位断电标志。

2.3 自动检测的算法

国家标准规定测试漏电动作电流值的方法是调节剩余电流从小于0.2IΔn开始在30s内稳定地增加至IΔn值。由键盘选择进入自动检测功能操作后,输入IΔn值,单片机计算出对应0.2IΔn和(IΔn-0.2IΔn)/275的输出控制初值D0和输出变化范围ΔD,调用一次漏电流检测子程序约需61ms,由ΔD计算出每步后的延时时间,使整个测试在30s内完成。测试开始前调用断电检测模块,每步测量完成后查看断电标志,若置位则停止检测。在测试过程中电流的变化值都显示在显示器上,并最终指示断电电流值或最后的电流值(两种情况显示标志不同)。

测试分断时间的程序流程如图4所示。用定时器T0计量分断时间,T0每次定时的时间为50ms,中断次数存于内存50H单元,图中“T0定时值”等于50×(50H)加上T0最后一次的定时值。分断定时时间减去1.65ms是因为固态继电器Q2的典型动作时间为1.65ms。

2.4 键盘控制检测的方法

键盘控制检测方式指调节漏电流的变化的操作由键盘控制完成。设计了实现正常和快速增加、减少的键盘扫描模块。

该装置利用单片机实现了漏电保护器动作特性在线自动检测。如果只测试漏电动作电流值,可在漏电保护器后的任一带PE线插座上测试。建筑物内的插座回路、电气医用设备、手持式电动工具等安装漏电保护器的设备和场所都可用该测试仪定期进行漏电保护器动作特性实验。