零線斷線檢測控制器使用說明

1、零線斷線檢測控制器2013年1月至9月某某供電公司發(fā)生因零線斷線引發(fā)的客戶家電燒毀的事件共計(jì)39起，家電燒毀戶數(shù)共計(jì)1800戶，經(jīng)濟(jì)損失29多萬元。零線斷線檢測控制器的研究是為了防止低壓線路零線斷線時(shí)對(duì)客戶家用電器造成的損害，降低客戶的相關(guān)投訴，提升供電公司的優(yōu)質(zhì)服務(wù)。一、數(shù)學(xué)分析及方案概述1.1 數(shù)學(xué)分析零眾所周知，我國現(xiàn)行的低壓配電網(wǎng)大多采用三相四線制進(jìn)行輸電，對(duì)于接入居民樓宇的大多采用三相視負(fù)載平均分配的方法，在理想的三相平衡的情況下，各相電壓大致相同，相位相差120°如圖1-1所示：UA=Sin（2f；tt-2兀/3）UB=Sin（2f兀t）UC=Sin（2f兀t+2兀/3）

2、UZ=0但大多數(shù)時(shí)候單相負(fù)載無法做到平衡分配，如果不考慮零線，那么其矢量圖如圖1-2所示（假定A相電流過載，電壓拉低），可以看出，負(fù)載較小的相往往會(huì)獲得更高的電壓，如果電壓變化比較大，這個(gè)電壓往往會(huì)導(dǎo)致用電器的損壞，這是我們不希望遇到的，但此時(shí)如果零線是可靠接入的，不平衡的電流盡可能通過零線接入大地，相當(dāng)于用戶端的零線也出現(xiàn)了電壓，如1-3所示，通過矢量圖可以分析出，雖然此時(shí)電壓相對(duì)于變壓器接地端電壓有所不同，但觀察用戶端，其電壓是基本平衡的。由此可見，在三相不平衡情況下，零線的接入情況尤為重要。1.2 方案概述綜上所述，零線在三相不平衡情況下起著非常重要的作用，如何例行監(jiān)測零線的可靠連接尤為

3、重要，如果能檢測到零線回路中有電流流過必定能判斷零線可靠連接，電流互感器就能準(zhǔn)確的檢測出零線的電流，本案選用1000：1的電流互感器配合100歐姆電阻對(duì)零線電流進(jìn)行檢測。然而檢測不到電流并不表示零線一定斷線，前面分析過，一旦三相相對(duì)平衡，用戶端零線回路矢量為0，此時(shí)零線也是沒有電流的，但由于此時(shí)三相平衡，雖然零線斷線，也不會(huì)由于偏壓導(dǎo)致電器燒壞，所以我們只需要在三相不平衡的情況下有效檢測零線電流就能準(zhǔn)確的判斷零線的情況，做出相應(yīng)的保護(hù)措施。二.零線斷線檢測控制器硬件組成零線斷線檢測控制器需要信號(hào)采集單元，中央處理單元和繼電器輸出單元和電源四個(gè)部分，即由隔離傳感器分別對(duì)零線電流，及各相線電壓矢量

4、進(jìn)行采集，數(shù)據(jù)經(jīng)中央處理單元進(jìn)行分析計(jì)算，判斷即時(shí)的信號(hào)是否符合零線斷線這一特定電氣特征，從而決定是否對(duì)此種事件做出相應(yīng)輸出。2.1 硬件組成原理根據(jù)交流三相四線制輸電的電氣特性，選擇“傳感器+A/D轉(zhuǎn)換+微處理器（帶A/D捕捉功能）”來實(shí)現(xiàn)（注：由于現(xiàn)在大多數(shù)MCUTB是內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換模塊的，所以后兩者可合并）。如圖2-1所示為系統(tǒng)硬件原理圖。2.2 硬件模塊劃分根據(jù)硬件原理圖，把硬件劃分成模擬采樣微處理部分、信號(hào)采集、信號(hào)放大、繼電器輸出、電源、通信等幾個(gè)部分（通信部分非關(guān)緊要，僅做保留）。為了便于硬件的模塊化開發(fā)，把各個(gè)模塊設(shè)計(jì)為獨(dú)立的硬件模塊，而通過組裝各個(gè)模塊，來組成所需要的硬件系統(tǒng)

5、?？刂破髟O(shè)計(jì)成2張印制板來制作，將電源、信號(hào)采集和繼電器輸出設(shè)計(jì)在同一塊板子上，將信號(hào)放大和微處理部分設(shè)計(jì)在同一塊板子上，以便強(qiáng)弱隔離。如圖2-2所示為系統(tǒng)硬件模塊組成。2.3 微處理器模塊微處理器模塊是整個(gè)控制器的控制和處理的核心部分，主要用來對(duì)輸入的傳感器放大后的信號(hào)進(jìn)行處理，以采集和換算成0100A或0220V的電流和電壓值，再根據(jù)具體的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。在處理器芯片的選型上，基于本控制器應(yīng)用于工頻場合，電磁干擾大，所以盡量選用抗干擾能力比較強(qiáng)的芯片，再次，控制器時(shí)刻檢測三相電流的電壓，相位和零線電流，A/D采樣器工作異常頻繁，故要求微處理器的A/D運(yùn)算速度要快，精度要高，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，

6、建議在國產(chǎn)宏晶公司的STC系列單片機(jī)和美國微晶公司的PIC系列單片機(jī)之間做出選擇。圖2-3是大致的工作流程圖。2.4 模擬部分2.4.1 電源控制器設(shè)計(jì)成2張印制板來制作，將電源、信號(hào)采集和繼電器輸出設(shè)計(jì)在同一塊板子上，將信號(hào)放大和微處理部分設(shè)計(jì)在同一塊板子上，以便強(qiáng)弱隔離。如圖1-2所示為系統(tǒng)硬件模塊組成。本控制器的電源從零線和某一相線引出，再經(jīng)線性變壓器進(jìn)行變壓獲得，鑒于非平衡狀態(tài)下，相電壓往往變化幅度比較大，位了獲得將缺恒定的電壓源，本案選用由美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的LM2576穩(wěn)壓芯片。LM2576系列穩(wěn)壓器是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的3A電流輸出穩(wěn)壓開關(guān)型穩(wěn)壓電路，它內(nèi)含固定頻率振蕩器

7、（52KHz和基準(zhǔn)穩(wěn)壓器（1.23V），并具有完善的保護(hù)電路，包括電流限制及關(guān)斷電路等，利用該芯片只需要極少的外圍器件便可構(gòu)成高效穩(wěn)壓電路。如圖2-4所示：信號(hào)放大電路正常工作時(shí)，Uout=1.23（1+R1/R2）2.4.2 信號(hào)放大電路在檢測零線電流時(shí)，需要對(duì)電流傳感器上的交流電流信號(hào)進(jìn)行處理，把交流50HZ小信號(hào)放大整形成直流有效值信號(hào)，以便微處理器能夠精確檢測。如下圖所示：根據(jù)運(yùn)算放大器的性能，可以得出信號(hào)正半周增益=1+（R2+R3）/R1；負(fù)半周增益=-R3/R2；本案要求正負(fù)半周信號(hào)需要相同的增益，故要求等式1+（R2+R3）/R1=R3/R2成立。本案也需根據(jù)不同的電流傳感器選型，不同的采樣電阻，精確計(jì)算出合理的R1