DQZHAN技術訊：一種直流漏電保護斷路器原理

1.背景

漏電保護斷路器是配電系統中必須裝置的一種低壓電器，根據不同的性能參數和應用場合，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汽車作為國家發展和社會建設的戰略需要，各大科研機構、高校和生產企業都在進行相關的研發工作。由于充電樁工作環境的嚴苛，相應的漏電保護斷路器的工藝要求和性能參數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方面，就需要相應的斷路器能檢測平滑直流漏電信號并執行跳閘動作。但是傳統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，漏電檢測芯片發出報警指令或切斷配電電路，起到保護人身**和設備的正常運行。對于直流電源系統或者漏電流信號是平滑的直流時，傳統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展，能檢測直流漏電信號的斷路器開發越來越被相關企業所重視。

2.直流漏電保護斷路器基本設計思路

傳統的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，*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品正常運行（綠燈常亮）或故障狀態（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、報警且脫扣兩種執行方法，方便用戶根據實際使用情況動態的選擇，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。單片機根據特定的邏輯算法進行處理，實現直流漏電保護斷路器的實時運行狀態顯示和系統自診斷功能，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電阻存在必然的聯系。當磁環中存在直流漏電流時，該直流電流會產生一個恒定的磁場，與磁環固有的磁性疊加，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理電路，才能送到單片機的AD轉換引腳，信號調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，不同于傳統的AC型漏電檢測芯片54123，其內部差分運放輸出端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，以此觸發可控硅，且觸發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口觸發可控硅，從可控硅觸發極電流和觸發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的觸發極電平幾乎為0，直流漏電保護斷路器處于正常合閘狀態；當檢測到直流漏電流信號時，通過程序將單片機IO口SCR_ON設置為0電平，此時S9013三極管截止，可控硅SCR的觸發極電平幾乎為12V而觸發，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。