漏電保護(hù)器檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年因漏電而引起的觸電事故、火災(zāi)造成數(shù)千人死亡和數(shù)十億的經(jīng)濟(jì)損失，因此對(duì)可以防止漏電火災(zāi)及人身觸電保護(hù)的漏電保護(hù)器的性能提出了更高的要求。文章介紹的漏電保護(hù)器動(dòng)作特性自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，可測(cè)量漏電保護(hù)器的漏電動(dòng)作電流值、分?jǐn)鄷r(shí)間和漏電不動(dòng)作電流值，對(duì)提高漏電保護(hù)器工作的可靠性提供了主要技術(shù)參數(shù)，檢測(cè)過(guò)程具有較高的自動(dòng)化水平，可對(duì)在線運(yùn)行與非在線運(yùn)行的漏電保護(hù)器進(jìn)行檢測(cè)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

表征漏電保護(hù)器的參數(shù)較多，其中與用電者人身安全關(guān)系最為密切的是漏電動(dòng)作性能，描述漏電動(dòng)作性能的主要參數(shù)為額定漏電動(dòng)作電流(I△n)和漏電動(dòng)作時(shí)間。額定漏電動(dòng)作電流是由制造廠規(guī)定的漏電保護(hù)器在規(guī)定條件下必須動(dòng)作的漏電動(dòng)作電流值，它反映了漏電保護(hù)器的漏電動(dòng)作靈敏度。漏電動(dòng)作時(shí)間指從突然施加漏電動(dòng)作電流時(shí)起，到保護(hù)電路切斷為止的時(shí)間。為了防止漏電保護(hù)器誤動(dòng)作，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了漏電不動(dòng)作電流(I△n0)，它是指漏電保護(hù)器在規(guī)定條件下必須不動(dòng)作的漏電電流值(優(yōu)先值為0.5I△n)，是在電網(wǎng)上投入運(yùn)行所必須的技術(shù)參數(shù)。

系統(tǒng)以LPC2132為核心，具有擴(kuò)展測(cè)試電流的產(chǎn)生和調(diào)節(jié)模塊、動(dòng)作執(zhí)行單元、電流檢測(cè)電路以及鍵盤(pán)等外圍設(shè)備。LPC2132是一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤32位ARM7TDMI-S核的微控制器，1個(gè)10位8路A/D轉(zhuǎn)換器，2個(gè)32位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，6路PWM單元輸出，2個(gè)硬件I2C接口和47個(gè)GPIO,2個(gè)16C550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)UART,以及多達(dá)9個(gè)邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷。16kB的片內(nèi)靜態(tài)RAM和64kB的片內(nèi)Flash程序存儲(chǔ)器避免了LPC2132外擴(kuò)存儲(chǔ)器，簡(jiǎn)化了電路，提高了運(yùn)行速度。漏電保護(hù)器的動(dòng)作特性自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 漏電保護(hù)器測(cè)試系統(tǒng)框圖

1.1 測(cè)試電流產(chǎn)生及調(diào)節(jié)模塊

測(cè)試電流產(chǎn)生和調(diào)節(jié)模塊如圖2所示。測(cè)試電流的產(chǎn)生是將50Hz、220V的正弦交流電經(jīng)過(guò)220:12的降壓變壓器和電動(dòng)調(diào)壓器，輸出0~12V的正弦交流電，再通過(guò)回路電阻，產(chǎn)生需要的測(cè)試電流。測(cè)試電流的產(chǎn)生分為3檔，以滿足不同的測(cè)量范圍。繼電器J1吸合，可產(chǎn)生0~1000mA的測(cè)試電流;繼電器J2吸合，可產(chǎn)生0~500mA的測(cè)試電流;繼電器J1、J2都不吸合，可產(chǎn)生0~100mA的測(cè)試電流。每一檔測(cè)試電流的調(diào)節(jié)通過(guò)LPC2132控制電動(dòng)調(diào)壓器實(shí)現(xiàn)。為了使測(cè)試電流能均勻地變化，電動(dòng)調(diào)壓器采用了交流伺服控制。在測(cè)試過(guò)程中，LPC2132對(duì)采集到的實(shí)時(shí)回路中的測(cè)試電流值與設(shè)定值比較，并計(jì)算得到控制量，控制伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)電動(dòng)調(diào)壓器的電刷在副邊上穩(wěn)定地滑動(dòng)，使副邊電壓變化，從而改變回路中的電流。LPC2132的P0.2腳輸出脈沖信號(hào)控制伺服電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度，P0.3腳輸出高或低的電平信號(hào)，控制伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向。

圖2 測(cè)試電流產(chǎn)生及調(diào)節(jié)模塊

1.2 電流檢測(cè)電路

電流檢測(cè)電路如圖3所示。通過(guò)電流互感器對(duì)測(cè)試電流進(jìn)行采樣，將電流互感器的二次側(cè)輸出信號(hào)經(jīng)濾波、放大、電壓提升等電路，變換為A/D模塊可以采集的單極性電壓信號(hào)(0~5V)后送入LPC2132。

在檢測(cè)電流的大小時(shí)，根據(jù)測(cè)試電流的周期(工頻)按照每個(gè)周期40個(gè)點(diǎn)進(jìn)行采樣，采樣一個(gè)周期后，根據(jù)電流互感器的衰減倍數(shù)和提升電壓的數(shù)值，通過(guò)軟件算法計(jì)算出實(shí)際的電流有效值。電路應(yīng)滿足如下條件，當(dāng)交流電流的瞬時(shí)值達(dá)到正向峰值時(shí)，放大器輸出5V;當(dāng)交流電流的瞬時(shí)值達(dá)到負(fù)向峰值時(shí)放大器輸出0V。

圖3 電流檢測(cè)電路

1.3 A/D轉(zhuǎn)換及控制電路

電流檢測(cè)電路的輸出信號(hào)VOUT送入LPC2132內(nèi)置的8路10位高速A/D轉(zhuǎn)換輸入端，對(duì)漏電電流的大小進(jìn)行檢測(cè)。

由于A/D轉(zhuǎn)換為10位，當(dāng)輸入電壓為5V時(shí)，輸出數(shù)據(jù)值為1024(4FFH)，因此最大分辨率為0.0049V(5V/1024)。若產(chǎn)生測(cè)試電流的回路電阻為12Ω時(shí)，漏電電流的分辨率為0.4mA(0.0049V/12Ω)，完全滿足測(cè)試需要。漏電保護(hù)器的漏電電流產(chǎn)生的開(kāi)始信號(hào)和動(dòng)、靜觸頭斷開(kāi)信號(hào)分別送入LPC2132的外部中斷輸入端，采用中斷的方式對(duì)漏電保護(hù)器動(dòng)、靜觸頭的分?jǐn)鄷r(shí)間進(jìn)行檢測(cè)。P0.5與P0.6腳分別控制繼電器J1、J2的閉合和分?jǐn)?，選擇三種不同測(cè)量范圍的測(cè)試電流。LPC2132與上位機(jī)之間采用串行通信，由于系統(tǒng)是3.3V系統(tǒng)，所以要使用SP3232E進(jìn)行RS-232電平轉(zhuǎn)換。SP3232E是3V工作電源的RS-232轉(zhuǎn)換芯片。A/D轉(zhuǎn)換及控制電路如圖4所示。

圖4 A/D轉(zhuǎn)換及控制電路

2 軟件設(shè)計(jì)

LPC2132軟件部分的設(shè)計(jì)基于嵌入式C語(yǔ)言，采用模塊化程序結(jié)構(gòu)。包括主程序、系統(tǒng)初始化子程序、人機(jī)接口控制功能子程序、電流采樣子程序、漏電動(dòng)作電流檢測(cè)子程序、漏電動(dòng)作時(shí)間子程序、與上位機(jī)通信子程序、上位機(jī)PC監(jiān)控程序。

主程序是漏電動(dòng)作特性檢測(cè)試驗(yàn)的核心程序，在測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)始工作后，程序保持在主程序中循環(huán)運(yùn)行，根據(jù)不同需要對(duì)其它功能子程序進(jìn)行調(diào)用，調(diào)用完畢后，程序返回主程序繼續(xù)進(jìn)行循環(huán)。主程序流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

系統(tǒng)初始化子程序主要完成系統(tǒng)初始化工作，包括引腳配置初始化、A/D轉(zhuǎn)換初始化、定時(shí)器初始化、中斷初始化、系統(tǒng)參數(shù)初始化、設(shè)定檢測(cè)項(xiàng)目和參數(shù)等。人機(jī)接口控制功能子程序是控制系統(tǒng)與人之間的交流，主要實(shí)現(xiàn)按鍵功能的掃描。電流采樣子程序?qū)λ腿隠PC2132的測(cè)試電流信號(hào)(經(jīng)濾波、放大、電壓提升后變?yōu)?~5V的單極性電壓信號(hào))進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，通過(guò)計(jì)算將所得數(shù)字量還原為實(shí)際電路中的電流值。漏電動(dòng)作電流檢測(cè)子程序用來(lái)檢測(cè)漏電保護(hù)器斷開(kāi)瞬間的漏電電流值(I△)。漏電動(dòng)作時(shí)間子程序完成對(duì)漏電保護(hù)器漏電動(dòng)作時(shí)間的檢測(cè)。與上位機(jī)通信子程序主要完成LPC2132與上位機(jī)PC的通信。上位機(jī)PC監(jiān)控程序主要實(shí)現(xiàn)上位機(jī)PC對(duì)LPC2132的控制及顯示測(cè)量結(jié)果等。

測(cè)試系統(tǒng)的上位機(jī)PC監(jiān)控程序基于LabVIEW8.6平臺(tái)開(kāi)發(fā)， 通過(guò)LabVIEW的圖形化編程環(huán)境， 利用LabVIEW8.6中的串口子選板內(nèi)的串口通信操作的功能函數(shù)，通過(guò)串口函數(shù)的配置，比較容易地編出所見(jiàn)即所得的程序界面，簡(jiǎn)化了Windows的串行通信編程，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。

圖6 測(cè)試系統(tǒng)界面

控制界面如圖6所示，圖中顯示了一次測(cè)量數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)開(kāi)始測(cè)試后，根據(jù)設(shè)定測(cè)試參數(shù)，自動(dòng)對(duì)測(cè)試設(shè)備進(jìn)行初始化，軟件制定控制端口控制字，以選擇適合的硬件電路回路和采樣電阻。使測(cè)試電流從小于0.2 I△n開(kāi)始，在30s內(nèi)穩(wěn)定地增加至I△n,測(cè)定漏電保護(hù)器斷開(kāi)瞬間的漏電電流值I△，若滿足I△n0

3 結(jié)論

本測(cè)試系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)手動(dòng)測(cè)試方法存在的弊端，操作界面簡(jiǎn)單，只需在測(cè)試時(shí)輸入測(cè)試條件和參數(shù)就可以開(kāi)始測(cè)試。測(cè)試結(jié)果一目了然，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量自動(dòng)化和智能化，既能檢測(cè)非在線運(yùn)行的漏電保護(hù)器，又能檢測(cè)在線運(yùn)行的漏電保護(hù)器。提高了漏電保護(hù)器的測(cè)試水平，為漏電保護(hù)器的性能研究、質(zhì)量檢驗(yàn)及生產(chǎn)提供了有效手段。