漏電保護器測試儀的設計

目前，漏電保護器作為一種新型的低壓保護電器無論在城市還是在鄉村安裝使用非常普遍，它工作的可靠性直接影響人身安全。在美國是政府強制規定推行的用電安全保護裝置，并且每兩年必須更換。我國對漏電保護器的使用雖然沒有強制規定更換的年限，但從用電安全的角度考慮，定期對漏電保護器工作性能檢測是必須要做的。本文介紹了漏電保護器測試儀，可測量和記錄漏電保護器的觸頭分斷時間、漏電動作電流和不動作電流，提供了改善漏電保護器工作性能的重要技術指標，檢測自動化水平高，能檢測在線與非在線運行的漏電保護器。

1、硬件設計方案

　　反映漏電動作性能的主要3個參數是：額定漏電動作電流（I△n）、漏電動作時間和額定漏電不動作電流（I△n0）。

　　I△n表征漏電動作的靈敏度，是漏電保護器的漏電動作電流值。漏電動作時間是指對漏電保護器施加漏電動作電流到切斷電路為止所需的時間。I△n0是防止漏電保護器誤動作，國家標準規定的不動作的漏電電流值，通常取0.5I△n。

　　測試漏電動作電流的方法是：從小于0.2I△n開始施加測試電流，在30s內線性地增加至I△n,若漏電保護器斷開瞬間的電流值為I△，當滿足I△n0n0<I△<I△n時，漏電保護器的漏電動作電流值為合格。因此，測試的漏電電流值均勻增長將直接影響測量的準確度。使用傳統的手動和電機驅動調壓器的方法很難使測試漏電的電流值均勻增加，難以控制測量的隨機誤差。采用單片機實時控制漏電的電流值，使漏電電流均勻增長，能有效提高測量的準確度。圖1所示為漏電保護器動作特性測試儀的結構框圖。

圖1 測試儀構成框圖

　　測試儀以單片機ATmega32為核心，擴展可編程的漏電電流源、漏電電流的檢測電路、觸頭狀態的監測電路、鍵盤和顯示等外圍設備。ATmega32是基于增強型AVR RISC結構的8位微控制器，指令集先進，指令執行時間采用單時鐘周期，速度是普通8051單片機的8~12倍。工作頻率達16MHz，片內32K字節Flash程序存儲器、1個硬件16位定時器和2個8位定時器、4路PWM輸出、8路A/D轉換、1個全雙工異步串行口、32個通用I/O口。具有低功耗、高速、超強抗干擾等優點，在同類產品中具有較高的性價比。

　　1.1 可編程漏電電流源

　　保證測量準確性的關鍵是可編程漏電電流源能產生均勻變化的漏電電流，該漏電電流源由50Hz的正弦波發生器、交流量數摸轉換電路構成。

　　1.1.1 50Hz正弦波發生器

　　50Hz的RC正弦波振蕩電路由運算放大器組成。穩定振蕩信號的幅度是采用非線性負反饋，同時，采用低溫度系數的電阻與電容元件構成RC正弦波振蕩電路的選頻電路，保證振蕩頻率的穩定，為了提高帶負載的能力，正弦波輸出信號經過電壓跟隨器輸出。

　　1.1.2 交流量數模轉換電路

圖2 交流量數模轉換電路

　　交流量數模轉換電路是可編程漏電電流源的核心部分，正弦交流量振幅的大小是通過改變數字量來控制，具有良好的線性度。用DAC08 08構成數模轉換電路，該器件是二進制快速乘法式8位D/A芯片。交流量數模轉換電路如圖2所示。為了保證實現數字到正弦交流模擬信號的轉變，圖中VD是預置直流偏壓，大小等于50Hz正弦波發生器輸出信號漏電保護器智能化測試儀的設計的幅值。

　　根據圖示電路，可得到如下關系：

　　從式（5）可見，當電阻R1、R4、R5、R、Rf為定值時，輸出電流的大小與RL無關，僅由數字量控制。當A1、A2、…A8全為“1”時，調整電路參數，使IL=0.5A,當A1、A2…A8全為“0”時，使IL=0A.0~0.5A的電流變化范圍完全滿足我國目前生產的漏電保護器的測試要求。為了提高測量速度，在保證模擬漏電電流準確度的條件下，將輸出電流分為50mA、100mA、200mA和500mA四檔，各檔的選擇由ATmega32切換電阻R1的大小來實現。在不同的擋位，電流增加的數值大小是不一樣的。當選50mA檔位時，電流是按照0.196mA（50mA/255）遞增；當選擇500mA檔位時，電流是按照1.96mA（500mA/255）遞增，因此，可完全滿足為漏電保護器提供線性增加的漏電電流的要求。

　　1.2 觸頭狀態監測電路

　　觸頭狀態監測電路如圖3所示。漏電保護器動、靜觸頭閉合時，L1與L2的交流電通過整流、濾波和穩壓，使光電耦合器G3導通，反相器A的2腳輸出為高電位。當漏電保護器動、靜觸頭分斷時，光電耦合器G3截止，反相器A輸出2腳為低電位，作為漏電檢測結束的時刻。在漏電保護器動、靜觸頭閉合時，光電耦合器G3的電流通過漏電保護器的一相動、靜觸頭，電流大小為1~2mA，由于是直流，不會在漏電保護器中的零序電流互感器的二次側產生感應電流，對漏電保護器的漏電動作電流沒有影響。

圖3 觸頭狀態監測電路

　　1.3 控制電路

　　控制電路如圖4所示。漏電保護器的漏電電流產生的開始信號通過程序控制，動、靜觸頭斷開信號送入ATmega32的外部中斷輸入端PD2，采用中斷的方式對漏電保護器動、靜觸頭的分斷時間進行檢測。按鍵S1作為測試功能選擇，用來選擇測量漏電電流或漏電動作時間。按鍵S2用來選擇模擬漏電電流50mA、100mA、200mA和500mA中的某一檔。按鍵S3和S4是在測量漏電動作時間時，用來設定模擬漏電的電流值，S3控制模擬漏電的電流值增加，S4控制模擬漏電的電流值減少。S5是測試開始/停止控制按鍵。當測量漏電電流時，設定好參數按下S5，ATmega32根據S2選擇的檔位輸出數據，使模擬漏電電流從0增加到最大值，若模擬漏電電流達到某一電流值時漏電保護器動作，則該電流值就是實際漏電動作電流值。當測試漏電動作時間時，設定好漏電電流參數后按下S5，ATmega32根據設定的電流值直接產生設定的模擬漏電電流，實現測量漏電動作時間。

圖4 A/D轉換及控制電路

2、軟件設計方案

基于嵌入式C語言設計ATmega32軟件的部分，程序結構采用模塊化。具體包括主程序、儀器初始化子程序、功能控制子程序、可編程漏電電流源子程序、檢測漏電動作時間子程序和顯示子程序等。

　　主程序是檢測漏電保護器動作特性參數的主控程序，當測試儀工作時，主程序循環運行，并根據功能要求調用相關子程序，子程序執行后返回主程序。儀器初始化子程序實現儀器的初始化，內容包括儀器參數、單片機引腳配置、定時器、模數轉換、中斷初始化等。控制功能子程序實現按鍵功能的掃描，控制儀器與人之間的交流。可編程漏電電流源子程序用來產生測試用的漏電電流，檢測漏電保護器斷開瞬間漏電的電流值（I△）。檢測漏電動作時間子程序實現對漏電保護器漏電動作時間的檢測。顯示子程序實現漏電電流和漏電動作時間的顯示。

3、結論

漏電保護器測試儀操作簡單，解決了手動測試方法存在的測量不準確的問題，達到了自動測量的目的，可檢測在線與非在線運行的漏電保護器，提高了檢測漏電保護器性能的水平，為進行漏電保護器工作性能的研究、品質檢驗及生產調試提供了技術手段。儀器設計充分利用了ATmega 32內置的各種功能，使硬件電路結構簡單，有效提高了儀器的性價比，已在多家企業和科研單位使用，使用結果表明，儀器工作可靠，達到預期的技術指標。

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