一种直流漏电保护断路器原理

1.背景

漏电保护断路器是配电系统中必须装置的一种低压电器，根据不同的性能参数和应用场合，总体上分为万能式断路器、塑壳断路器和终端断路器三种。随着日前新能源汽车尤其是电动汽车作为国家发展和社会建设的战略需要，各大科研机构、高校和生产企业都在进行相关的研发工作。由于充电桩工作环境的严苛，相应的漏电保护断路器的工艺要求和性能参数自然比当前市面上流行的漏电保护断路器要高，其中对于漏电流的性质方面，就需要相应的断路器能检测平滑直流漏电信号并执行跳闸动作。但是传统的漏电保护器是以零序电流互感器为载体，基于交变电流磁场的变化，漏电流所产生的磁场变化在互感器次级上感应出电压，通过漏电检测芯片的运放同相和反相输入端，若该漏电流信号达到预设动作阈值时，漏电检测芯片发出报警指令或切断配电电路，起到保护人身安全和设备的正常运行。对于直流电源系统或者漏电流信号是平滑的直流时，传统的典型电路并不适用，此时若想检测出漏电流进而动作保护，就需要不同于传统漏电保护原理的直流漏电保护器。随着新能源电动汽车的兴起和充电桩配套技术的发展，能检测直流漏电信号的断路器开发越来越被相关企业所重视。

2.直流漏电保护断路器基本设计思路

传统的AC型漏电保护断路器，之所以能够检测漏电信号是因为该漏电信号是交流信号，因此可以通过磁场感应出次级绕组电压。针对直流漏电保护断路器，基本思路就是人为叠加一个交流信号在传感器上，就可以借鉴AC型漏电保护断路器的漏电电流检测方法，最后检出直流漏电信号，以此为基础设计硬件电路。由于直流漏电保护断路器的漏电流采样方法不同于AC型，且市面上并未有相应的专业漏电检测芯片，同时本文设计的直流漏电保护断路器在外观上取消试验按钮的设计，而增加指示灯作为产品正常运行（绿灯常亮）或故障状态（红灯闪烁）的直观指示，同时原来的试验按钮位置改为拨码开关，相应的位置分别对应只报警不脱扣、报警且脱扣两种执行方法，方便用户根据实际使用情况动态的选择，而不是一旦选定某种型号就一成不变，其中基础报警方式为红灯闪烁，因此本文设计的直流漏电保护断路器以单片机为控制核心，其典型的功能框架如图所示。单片机根据特定的逻辑算法进行处理，实现直流漏电保护断路器的实时运行状态显示和系统自诊断功能，其中直流漏电流传感器由电源、互感器、方波激励源、低通滤波器、绝对值电路和放大电路组成。

3.直流漏电检测方法

直流漏电流采样电路如图所示，其设计思想在于以激励方波电压为载体，通过磁环在采样电阻Rs上感应出电压，显然该电压值与激励方波电压和Rs电阻存在必然的联系。当磁环中存在直流漏电流时，该直流电流会产生一个恒定的磁场，与磁环固有的磁性叠加，反应在采样电阻Rs上的电压就是相对于Y轴有固定的偏移，其偏移的方向取决于直流漏电流的方向。基于图二原理图，开展数学推导且方波激励电压的傅里叶展开只含奇次谐波分量，当磁环中存在直流漏电流I0时，得到采样电阻上得到的绕组电流I_leak仅含有直流分量和奇次谐波分量，并且直流分量正比于直流漏电电流I0。数学公式的推导也从侧面证实了该设计的可行性，要想得到直流漏电流信号，就需要通过合适的低通滤波器将高频分量滤除。由于直流漏电电流有正负方向，而对于漏电保护断路器而言，关注的重点是漏电流的大小而不是方向，因此还需要通过合适的信号调理电路，才能送到单片机的AD转换引脚，信号调理电路包含低通滤波电路、绝对值电路和放大电路。

4.单片机触发可控硅

本设计基于单片机开展具体的硬件电路设计，不同于传统的AC型漏电检测芯片54123，其内部差分运放输出端4脚和锁存器5脚连接，当锁存器高电平维持一定时间才将7脚电平拉高，以此触发可控硅，且触发后锁存器电平释放掉，使得配电线路排除故障后可以再次合闸；若直接由单片机IO口触发可控硅，从可控硅触发极电流和触发极电压大小考虑是满足要求的，但可控硅在导通瞬间是通过强电流的，为避免强电流对单片机IO口的冲击，需要在单片机IO口和可控硅之间加上隔离电路如常用的光耦，从成本上考虑，本设计采用三极管，其电路原理图如图所示。选择一款刚上电时所有的IO口默认为高电平的单片机即可，此时S9013三极管导通，可控硅SCR的触发极电平几乎为0，直流漏电保护断路器处于正常合闸状态；当检测到直流漏电流信号时，通过程序将单片机IO口SCR_ON设置为0电平，此时S9013三极管截止，可控硅SCR的触发极电平几乎为12V而触发，此时线圈Coil通过大电流使得直流漏电断路器脱扣，起到保护作用。