基于单片机的漏电报警器的设计文档格式.docx
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充分了解漏电火灾的危害性,加强对漏电火灾的技术防范措施,已成为当前电气防火工作的重要任务之一。
目前,熟悉这一新型报警设备的设计、施工技术人员亦较少,实际工作中遇到的困惑也较多。
本文按照国家现行漏电防火规范,对漏电报警器在低压配电系统中的应用进行分析与研讨。
力求设计既满足规范要求,又使系统简捷合理实用,逐步达到规范化和标准化。
并结合智能漏电继电器的技术性能,使其在应用中更加安全可靠,真正起到漏电防火的重要作用。
因此,本课题研究具有重要的理论意义和实用价值[1]。
1概况及现状分析
1.1国外研究概况
欧洲漏电报警器的发展以家用剩余电流断路器为主,基本上都是电磁式剩余电流断路器。
欧洲不带过电流保护的剩余电流断路器近几年的发展趋势是把二极和四极分成两个壳体,使二极剩余电流断路器的体积大为减小:
二极宽度为2个模数(36mm),四极宽度为4个模数(72mm)。
代表性的产品有SIEMENS公司的5SM1、5SZ3系列;
ABB公司的F360、F370系列,F&G公司的NFIN系列等,其最大额定电流为63A,采用标准导轨式安装方式,接线端子提供接线柱式接线和压板式接线两种方式,适用于安装在配电箱中,可直接用标准母线排与其他电器连接。
带过电流保护的剩余电流断路器近几年的发展趋势,由小型断路器(MCB)和剩余电流动作保护附件组装成剩余电流动作断路器,组装方便灵活,尺寸模数化,标准导轨安装方式,便于在配电箱内安装使用。
代表性产品有SIEMENS公司的5SU系列,ABB公司的DS250S,F&G公司FL7系列,施耐德公司VigiC60,VigiNC100系列等。
由低压塑壳断路器派生的剩余电流断路器,日本发展较快,以富士电机公司和三菱电机公为代表,均为电子式剩余电流断路器,其产品在世界上处于领先地位。
1.2国内研究概况
我国漏电报警器的生产和应用起步较晚,但经过80年代和90年代的自行研制、开发,引进国外先进技术,取得了较大的进展,已经形成一定规模的生产能力。
据不完全的统计,1998年全国剩余电流动作保护器的年销售量(包括出口)已超过1200万台。
其中,剩余电流断路器占57%,剩余电流保护插头占25%,其余为剩余电流保护继电器、剩余电流保护插座等。
根据国家标准《剩余电流动作保护装置的安装和运行》中的要求,国内公司开始研制防火漏电报警系统及报警器,如福瑞特国际电气的“小武松”、金莱特电子公司的防火漏电报警器(DH-A)、煜卓电子的智能防火漏电报警开关等[2]。
2漏电报警器总体设计
2.1漏电报警器的技术基础
2.1.1漏电报警器的测量算法与分析
1.电流、电压及功率的测量
测量部分主要完成电网参数的测量,包括直接测量电流、电压、频率和间接测量有功功率、无功功率、功率因数等。
对电网信号的检测采用交流采样的方法获取实时数据,每个周期采样32个样本点,采样频率采用自适应频率方式。
要想准确地监测电网的质量及实现可靠的保护功能,关键就是准确地检测出电网的电流、电压及相应的频率等,因而对这些信号的数据处理算法尤为重要。
测量电压、电流的方法采用均方根法。
根据周期性连续函数有效值的定义,
任意周期函数f(x)的有效值:
(2.1)
式中,T为函数f(x)的周期。
中央处理器根据被测量的采样值进行计算,故对电量基本参数基于直接采样点算法如下:
电压有效值:
(2.2)
电流有效值:
(2.3)
有功功率:
(2.4)
视在功率:
(2.5)
无功功率:
(2.6)
功率因数:
(2.7)
式中:
u(n),i(n)为第n点的电压、电流采样值;
N为一个周期的采样点数。
在实际的实时控制中,如果直接按照上述公式计算电压、电流,需要大量的循环运算,不能满足实时控制的要求。
事实上,只要根据实际采样数据的格式,可以避免多余的循环运算。
每一路在每个周期中采样32点,即N=32。
当一个周期结束后,下一个周期的起始点将上一个周期的第一点覆盖,如此类推。
每一个周期有11×
32×
32bit的数据流量。
每一次采样只覆盖缓冲区中的一个数据,其他N-1个数据没有变化,因此采用滑动窗口法,可以方便快速地进行计算,同时也可防止随机干扰对整个采样值的影响。
滑动窗口法的基本思路如下:
设当前采样点的值为uk0和ik0,相应被更新的数据为uk1和ik1,则:
(2.8)
(2.9)
S0为上次采样计算结果,S为本次采样结果。
这样每次采样都可以得到最新的计算结果,而不用循环运算,提高了数据处理的速度,在实际应用中取得了良好的效果。
2.1.2漏电报警器的保护算法与分析
1.电流保护
功能保护算法是漏电报警器的核心部分,完成报警器的大部分功能,包括过电流保护、欠压过压保护以及漏电保护等功能。
衡量各种算法的优缺点、主要指标有时候是互相矛盾的,因此应根据保护功能、性能指标(如精度、动作时间等)和保护装置硬件条件(如CPU的运算速度、存储器的容量等)的不同,采用不同的算法。
电流保护是漏电报警器最重要的保护功能,系统具有过载长延时、短路短延时和短路瞬动三段电流保护及漏电保护等特性。
漏电报警器已广泛应用到多种领域,有配电、有发电、有电动机保护、有普通上下级配合等,而当前市场上的产品过载保护一般只提供一种特性,针对1.5倍、2倍或6倍有几种时间值可选,这种特性远远不能满足以上多种场合的用户要求。
如,在电厂厂用漏电报警器直接带大功率电动机时,经常出现电动机起动时过载保护跳闸。
以上为设定参数不合理或无法进行选择性配合设定造成。
当前国外低压漏电报警产品都采用了IEC255标准的五种特性曲线,该五条特性曲线有5*16,共80级特性,完全包容了GB14287-93的要求,且针对性更强,选用更方便。
五种曲线的表达式:
(1)标准反时限:
(2)快速反时限:
(3)特快反时限(一般用途):
(4)特快反时限(马达保护):
(5)高压熔丝兼容:
其中:
I为实际故障电流,Ir长延时整定电流;
K为曲线速率。
2.欠压/失压保护
低压配电线路由于出现短路故障等,会出现短暂时间内线路中的电压大幅度降低甚至消失的现象。
为避免这种现象对线路和用电设备带来的危害,在某些场合必须进行低电压保护。
三个线电压均小于低电压保护设定值,并且线路处于闭合状态时,低压保护动作。
对漏电报警器欠压、失压保护的要求就是,在欠压、失压时能够及时分断线路保护用电设备,在电压高于欠压整定值时系统能够正常工作。
2.2漏电报警器总体设计
2.2.1总体设计构思
漏电报警器在供配电系统中的主要作用是对线路中的电流、电压及负载等故障进行保护,负责监控终端电气故障,实现远传远控和报警显示功能。
它通过检测单元获取主线路的电流、电压信号,经系统的逻辑控制单元依据一定的算法分析判断后发出信号控制断路器的动作,断路器的动作与否及动作时间取决于控制器的控制信号;
它通过通信网络,向上位机发送现场的各种运行参数和工作状态,同时接受上位机下传的数据和命令,具有与电脑通讯的功能,可实现与用户联网,随时可检查各用户安全用电情况、随时可接通或分断各用户供电线路。
漏电报警器的设计就是依据这一原理,其总体设计采用以高性能的单片机为核心,以与单片机接口的外围芯片为扩展的设计思想。
外围芯片按功能模块扩展,由信号检测、信号调理电路、断路器(含电操机构)、通讯接口、远程监控、执行输出元件等模块组成[10]。
图2.1总体设计框图
2.2.2主要功能设计
本系统集测量、保护、控制、通信等功能于一体,为此漏电报警器必须对电流、电压等模拟量进行采样,采集开关量,并输出各种控制和报警信号,同时还可以和上位机进行通信,而且具有良好的人机交互功能。
同时,在设计时应充分考虑增强其自身的抗干扰性能,以及电磁兼容问题。
系统应具有如下主要功能[7]:
(1)测量与计量功能
系统能实现多种测量和显示,包括三相电流、三相相电压和线电压、不平衡度、频率、功率因素、有功功率、无功功率、谐波分量等,以及万年历时钟功能和主触头磨损程度及开关动作次数指示,以满足现场监视和一般测量的要求。
(2)保护功能
系统除具有原有过载、短路、单相接地等故障保护外,还应具有断相或不平衡保护、接地保护、漏电保护和负载监控、温度检测、预报警等功能。
(3)故障历史记录及自诊断功能
故障发生后,可记录故障发生的具体时间,同时把故障发生时各种数据和信息均保存起来,以便于进行事后分析定性,尽快查出故障原因,减少线路维修时间。
当控制器发生自检故障时,发出报警信号,并在页面显示何种故障(如控制器超温运行,读写EEPROM故障等)。
(4)热记忆功能
反复过载可能引起导体发热,控制器因过载或短延时等故障延时动作后,具有模拟双金属片的热效应的功能,过载能量30min释放完毕,短延时能量15min释放完毕。
在此期间闭合的断路器若再次发生过载或短延时,则延时动作的时间缩短,从而使线路和设备得到较好的保护。
系统断电时自动清除积累热效应,且该功能可根据需要关断。
(5)人机交互功能(HMI)
由HMI模块完成,现场操作人员可通过键盘把开关设备的保护整定值、功能设置等信息输入监控单元,并且将其值存入EEPROM中,实现友好的人机交互功能。
(6)通信功能
通过RS485总线或通信网络,向上位机发送现场的各种运行参数和工作状态,同时接受上位机下传的数据和命令,即具有遥测、遥信、遥控、遥调“四遥”功能。
可与消防控制中心联动,实现远程切断负载电源,并有反馈信号给消防控制中心报警;
具有与电脑通讯的功能,可实现与用户联网,在一台电脑上能对1~250台漏电报警器实现在线远程监控,随时可检查各用户安全用电情况、随时可接通或分断各用户供电线路[11]。
3漏电报警器硬件设计与实现
3.1硬件设计原理
漏电报警器对线路中的电流、电压及负载等故障进行保护,负责监控终端电气故障,实现远传远控和报警显示功能。
系统的硬件总体设计采用以高性能的单片机为核心,以与单片机接口的外围芯片为扩展的设计思想。
外围芯片按功能模块扩展,由信号检测、信号调理电路、输入与显示部分、微控制器PIC16F877A、断路器(含电操机构)、通讯接口、远程监控、执行输出元件等模块组成。
电压互感器、电流互感器和零序互感器检测供电线路中的电流、电压信号,该信号经信号调理电路处理后由多路选择开关送入PIC16F877A自带的A/D转换模块将其转换为数字信号。
CPU根据这些信号进行逻辑运算与处理,将运算结果与整定值比较后输出符合预设保护特性的逻辑信号;
逻辑信号经放大后可直接驱动断路器的电操机构使断路器动作[15]。
3.2PIC16F877A单元电路
3.2.1微控制器芯片选型
基于程序存储空间、数据存储空间、运行速度、性能价格比、系统可靠性、软件实现难易程
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- 关 键 词:
- 基于 单片机 漏电 报警器 设计