DQZHAN技術(shù)訊：一種直流漏電保護(hù)斷路器原理

1.背景

漏電保護(hù)斷路器是配電系統(tǒng)中必須裝置的一種低壓電器，根據(jù)不同的性能參數(shù)和應(yīng)用場合，總體上分為萬能式斷路器、塑殼斷路器和終端斷路器三種。隨著日前新能源汽車尤其是電動(dòng)汽車作為國家發(fā)展和社會(huì)建設(shè)的戰(zhàn)略需要，各大科研機(jī)構(gòu)、高校和生產(chǎn)企業(yè)都在進(jìn)行相關(guān)的研發(fā)工作。由于充電樁工作環(huán)境的嚴(yán)苛，相應(yīng)的漏電保護(hù)斷路器的工藝要求和性能參數(shù)自然比當(dāng)前市面上流行的漏電保護(hù)斷路器要高，其中對于漏電流的性質(zhì)方面，就需要相應(yīng)的斷路器能檢測平滑直流漏電信號(hào)并執(zhí)行跳閘動(dòng)作。但是傳統(tǒng)的漏電保護(hù)器是以零序電流互感器為載體，基于交變電流磁場的變化，漏電流所產(chǎn)生的磁場變化在互感器次級(jí)上感應(yīng)出電壓，通過漏電檢測芯片（如常用的54123漏電檢測芯片)的運(yùn)放同相和反相輸入端，若該漏電流信號(hào)達(dá)到預(yù)設(shè)動(dòng)作閾值時(shí)，漏電檢測芯片發(fā)出報(bào)警指令或切斷配電電路，起到保護(hù)人身**和設(shè)備的正常運(yùn)行。對于直流電源系統(tǒng)或者漏電流信號(hào)是平滑的直流時(shí)，傳統(tǒng)的典型電路并不適用，此時(shí)若想檢測出漏電流進(jìn)而動(dòng)作保護(hù)，就需要不同于傳統(tǒng)漏電保護(hù)原理的直流漏電保護(hù)器。隨著新能源電動(dòng)汽車的興起和充電樁配套技術(shù)的發(fā)展，能檢測直流漏電信號(hào)的斷路器開發(fā)越來越被相關(guān)企業(yè)所重視。

2.直流漏電保護(hù)斷路器基本設(shè)計(jì)思路

傳統(tǒng)的AC型漏電保護(hù)斷路器，之所以能夠檢測漏電信號(hào)是因?yàn)樵撀╇娦盘?hào)是交流信號(hào)，因此可以通過磁場感應(yīng)出次級(jí)繞組電壓。針對直流漏電保護(hù)斷路器，基本思路就是人為疊加一個(gè)交流信號(hào)在傳感器上，就可以借鑒AC型漏電保護(hù)斷路器的漏電電流檢測方法，*后檢出直流漏電信號(hào)，以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)硬件電路。由于直流漏電保護(hù)斷路器的漏電流采樣方法不同于AC型，且市面上并未有相應(yīng)的專業(yè)漏電檢測芯片，同時(shí)本文設(shè)計(jì)的直流漏電保護(hù)斷路器在外觀上取消試驗(yàn)按鈕的設(shè)計(jì)，而增加指示燈作為產(chǎn)品正常運(yùn)行（綠燈常亮）或故障狀態(tài)（紅燈閃爍）的直觀指示，同時(shí)原來的試驗(yàn)按鈕位置改為撥碼開關(guān)，相應(yīng)的位置分別對應(yīng)只報(bào)警不脫扣、報(bào)警且脫扣兩種執(zhí)行方法，方便用戶根據(jù)實(shí)際使用情況動(dòng)態(tài)的選擇，而不是一旦選定某種型號(hào)就一成不變，其中基礎(chǔ)報(bào)警方式為紅燈閃爍，因此本文設(shè)計(jì)的直流漏電保護(hù)斷路器以單片機(jī)為控制核心，其典型的功能框架如圖所示。單片機(jī)根據(jù)特定的邏輯算法進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)直流漏電保護(hù)斷路器的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)顯示和系統(tǒng)自診斷功能，其中直流漏電流傳感器由電源、互感器、方波激勵(lì)源、低通濾波器、**值電路和放大電路組成。

3.直流漏電檢測方法

直流漏電流采樣電路如圖所示，其設(shè)計(jì)思想在于以激勵(lì)方波電壓為載體，通過磁環(huán)在采樣電阻Rs上感應(yīng)出電壓，顯然該電壓值與激勵(lì)方波電壓和Rs電阻存在必然的聯(lián)系。當(dāng)磁環(huán)中存在直流漏電流時(shí)，該直流電流會(huì)產(chǎn)生一個(gè)恒定的磁場，與磁環(huán)固有的磁性疊加，反應(yīng)在采樣電阻Rs上的電壓就是相對于Y軸有固定的偏移，其偏移的方向取決于直流漏電流的方向。基于圖二原理圖，開展數(shù)學(xué)推導(dǎo)且方波激勵(lì)電壓的傅里葉展開只含奇次諧波分量，當(dāng)磁環(huán)中存在直流漏電流I0時(shí)，得到采樣電阻上得到的繞組電流I_leak僅含有直流分量和奇次諧波分量，并且直流分量正比于直流漏電電流I0。數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)也從側(cè)面證實(shí)了該設(shè)計(jì)的可行性，要想得到直流漏電流信號(hào)，就需要通過合適的低通濾波器將高頻分量濾除。由于直流漏電電流有正負(fù)方向，而對于漏電保護(hù)斷路器而言，關(guān)注的重點(diǎn)是漏電流的大小而不是方向，因此還需要通過合適的信號(hào)調(diào)理電路，才能送到單片機(jī)的AD轉(zhuǎn)換引腳，信號(hào)調(diào)理電路包含低通濾波電路、**值電路和放大電路。

4.單片機(jī)觸發(fā)可控硅

本設(shè)計(jì)基于單片機(jī)開展具體的硬件電路設(shè)計(jì)，不同于傳統(tǒng)的AC型漏電檢測芯片54123，其內(nèi)部差分運(yùn)放輸出端4腳和鎖存器5腳連接，當(dāng)鎖存器高電平維持一定時(shí)間才將7腳電平拉高，以此觸發(fā)可控硅，且觸發(fā)后鎖存器電平釋放掉，使得配電線路排除故障后可以再次合閘；若直接由單片機(jī)IO口觸發(fā)可控硅，從可控硅觸發(fā)極電流和觸發(fā)極電壓大小考慮是滿足要求的，但可控硅在導(dǎo)通瞬間是通過強(qiáng)電流的，為避免強(qiáng)電流對單片機(jī)IO口的沖擊，需要在單片機(jī)IO口和可控硅之間加上隔離電路如常用的光耦，從成本上考慮，本設(shè)計(jì)采用三極管，其電路原理圖如圖所示。選擇一款剛上電時(shí)所有的IO口默認(rèn)為高電平的單片機(jī)即可，此時(shí)S9013三極管導(dǎo)通，可控硅SCR的觸發(fā)極電平幾乎為0，直流漏電保護(hù)斷路器處于正常合閘狀態(tài)；當(dāng)檢測到直流漏電流信號(hào)時(shí)，通過程序?qū)纹瑱C(jī)IO口SCR_ON設(shè)置為0電平，此時(shí)S9013三極管截止，可控硅SCR的觸發(fā)極電平幾乎為12V而觸發(fā)，此時(shí)線圈Coil通過大電流使得直流漏電斷路器脫扣，起到保護(hù)作用。