1.背景

漏電保護斷路器是配電系統(tǒng)中必須裝置的一種低壓電器，根據(jù)不同的性能參數(shù)和應用場合，總體上分為式斷路器、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汽車作為國家發(fā)展和社會建設的戰(zhàn)略需要，各大科研機構、高校和生產(chǎn)企業(yè)都在進行相關的研發(fā)工作。由于充電樁工作環(huán)境的嚴苛，相應的漏電保護斷路器的工藝要求和性能參數(shù)自然比當前市面上流行的漏電保護斷路器要高，其中對于漏電流的性質(zhì)方面，就需要相應的斷路器能檢測平滑直流漏電信號并執(zhí)行跳閘動作。但是傳統(tǒng)的漏電保護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上感應出電壓，通過漏電檢測芯片（如常用的54123漏電檢測芯片)的運放同相和反相輸入端，若該漏電流信號達到預設動作閾值時，漏電檢測芯片發(fā)出報警指令或切斷配電電路，起到保護人身安全和設備的正常運行。對于直流電源系統(tǒng)或者漏電流信號是平滑的直流時，傳統(tǒng)的典型電路并不適用，此時若想檢測出漏電流進而動作保護，就需要不同于傳統(tǒng)漏電保護原理的直流漏電保護器。隨著新能源電動汽車的興起和充電樁配套技術的發(fā)展，能檢測直流漏電信號的斷路器開發(fā)越來越被相關企業(yè)所重視。

2.直流漏電保護斷路器基本設計思路

傳統(tǒng)的AC型漏電保護斷路器，之所以能夠檢測漏電信號是因為該漏電信號是交流信號，因此可以通過磁場感應出次級繞組電壓。針對直流漏電保護斷路器，基本思路就是人為疊加一個交流信號在傳感器上，就可以借鑒AC型漏電保護斷路器的漏電電流檢測方法，zui后檢出直流漏電信號，以此為基礎設計硬件電路。由于直流漏電保護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的專業(yè)漏電檢測芯片，同時本文設計的直流漏電保護斷路器在外觀上取消試驗按鈕的設計，而增加指示燈作為產(chǎn)品正常運行（綠燈常亮）或故障狀態(tài)（紅燈閃爍）的直觀指示，同時原來的試驗按鈕位置改為撥碼開關，相應的位置分別對應只報警不脫扣、報警且脫扣兩種執(zhí)行方法，方便用戶根據(jù)實際使用情況動態(tài)的選擇，而不是一旦選定某種型號就一成不變，其中基礎報警方式為紅燈閃爍，因此本文設計的直流漏電保護斷路器以單片機為控制核心，其典型的功能框架如圖所示。單片機根據(jù)特定的邏輯算法進行處理，實現(xiàn)直流漏電保護斷路器的實時運行狀態(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，其設計思想在于以激勵方波電壓為載體，通過磁環(huán)在采樣電阻Rs上感應出電壓，顯然該電壓值與激勵方波電壓和Rs電阻存在必然的。當磁環(huán)中存在直流漏電流時，該直流電流會產(chǎn)生一個恒定的磁場，與磁環(huán)固有的磁性疊加，反應在采樣電阻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)學推導且方波激勵電壓的傅里葉展開只含奇次諧波分量，當磁環(huán)中存在直流漏電流I0時，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)學公式的推導也從側面證實了該設計的可行性，要想得到直流漏電流信號，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方向，而對于漏電保護斷路器而言，關注的重點是漏電流的大小而不是方向，因此還需要通過合適的信號調(diào)理電路，才能送到單片機的AD轉換引腳，信號調(diào)理電路包含低通濾波電路、值電路和放大電路。

4.單片機觸發(fā)可控硅

本設計基于單片機開展具體的硬件電路設計，不同于傳統(tǒng)的AC型漏電檢測芯片54123，其內(nèi)部差分運放輸出端4腳和鎖存器5腳連接，當鎖存器高電平維持一定時間才將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，但可控硅在導通瞬間是通過強電流的，為避免強電流對單片機IO口的沖擊，需要在單片機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，本設計采用三極管，其電路原理圖如圖所示。選擇一款剛上電時所有的IO口默認為高電平的單片機即可，此時S9013三極管導通，可控硅SCR的觸發(fā)極電平幾乎為0，直流漏電保護斷路器處于正常合閘狀態(tài)；當檢測到直流漏電流信號時，通過程序?qū)纹瑱CIO口SCR_ON設置為0電平，此時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)，此時線圈Coil通過大電流使得直流漏電斷路器脫扣，起到保護作用。

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