戚慧珊 吳緒輝

(華南師范大學物理與電信工程學院 廣東 廣州 510006)

漏電保護開關在日常中十分常見，它能夠在電路發(fā)生漏電的瞬間切斷回路，從而保護用戶的人身安全．不過，有不少人會混淆空氣斷路器與漏電保護器的概念，以為二者是可以等效替代的設備．實則不然，空氣斷路器是利用大電流產(chǎn)生的強磁場來吸引銜鐵推動脫扣裝置實現(xiàn)電路的切斷，或者是利用大電流使金屬片發(fā)熱形變而推動脫扣裝置實現(xiàn)電路的切斷，均無需額外的信號放大裝置；而漏電保護器是利用回路剩余電流產(chǎn)生的磁場使次級線圈產(chǎn)生感應電流信號[1]，電信號經(jīng)放大后驅動電磁鐵推動脫扣開關，實現(xiàn)電路的切斷．前者的閾值動作電流為安培級，后者的閾值動作電流為毫安級．為此，我們設計了一款能夠在人體安全電壓范圍內(nèi)工作的漏電保護演示儀，用于直觀地展示漏電保護器的工作過程．

1 漏電保護器的原理

根據(jù)基爾霍夫電流定律[2]，工作正常的回路其輸入線與輸出線的電流大小相等、方向相反，即電流代數(shù)和為零．若回路存在導電的破損點，當破損點接觸導體或被人觸碰時，回路電流將在該破損點分流，漏電電流不經(jīng)回路輸出線而直接流入大地，此時回路的輸入輸出線的電流代數(shù)和不為零，即回路內(nèi)存在剩余電流．如圖1所示，漏電保護器正是通過零序電流互感器來檢測回路中的電流代數(shù)和[3]，判斷回路是否發(fā)生漏電現(xiàn)象；當回路發(fā)生漏電時，由于電流互感現(xiàn)象使得互感器次級線圈上產(chǎn)生感應電流，感應信號經(jīng)信號調(diào)理電路處理后，驅動電磁脫扣裝置執(zhí)行脫扣動作，實現(xiàn)對發(fā)生漏電的故障回路的即時切斷．

圖1 常用的漏電保護器電氣原理圖

2 演示儀的設計制作

演示儀的組成結構示意圖如圖2所示.

圖2 演示儀的組成結構圖

2.1 零序電流互感器

如圖3所示，零序電流互感器[4]由磁芯和次級線圈組成，其初級線圈即被檢測電路，將直接穿過互感器的中心通孔．初、次級電流與線圈匝數(shù)之間關系式為I1∶I2=n2∶n1．如圖3所示，演示儀所用的零序電流互感器為塑料封裝，次級線圈與磁芯被包裹在塑料殼體內(nèi)，其次級線圈共有1 000匝，感應電流從S1引腳流出．當穿過中心通孔的工作回路內(nèi)的電流代數(shù)和不為零時，磁芯的磁通量將發(fā)生變化，此時次級線圈因互感現(xiàn)象產(chǎn)生感應電流，感應電流流經(jīng)采樣電阻后轉為電壓并輸出．

圖3 零序電流互感器實物圖

2.2 信號處理與驅動電路

由于零序電流互感器的次級線圈輸出的感應電流很小，不足以直接驅動電磁鐵工作，因此需要對感應電流進行放大與比較處理，圖4是信號調(diào)理電路．

圖4 信號調(diào)理電路

使用如圖4所示信號調(diào)理電路，其中放大器電路[5]用于對感應電流進行放大，并輸入到比較器電路內(nèi)進行比較；當輸入信號的電壓高于參考信號電壓時，比較器輸出高電平，反之輸出低電平．調(diào)節(jié)比較器的參考電壓可實現(xiàn)對漏電保護器的動作閾值電流進行調(diào)整，圖5是驅動電路．

圖5 電磁脫扣裝置驅動電路

比較器輸出端與驅動電路連接，當比較器輸出端為高電平時，如圖5所示的電磁脫扣裝置驅動電路的上半橋處于導通狀態(tài)，電磁脫扣裝置通電工作，工作回路將被及時切斷．

2.3 電磁鐵與活動開關

由于市面上所銷售的漏電保護器中的電磁脫扣裝置結構緊湊、設計巧妙，難以手工復制，故使用推拉式電磁鐵與鈕子活動開關來代替電磁脫扣裝置，以實現(xiàn)對回路開關的通斷控制．

2.4 剩余電流模擬支路

由于回路的工作電壓較低，當回路破損點接地或被人觸摸后，從故障點分流出去的漏電電流較小，導致零序電流互感器內(nèi)的剩余電流很小，不足以使次級線圈產(chǎn)生感應電流．為使演示儀的實驗現(xiàn)象更加明顯，可跨越零序電流互感器增加模擬支路來實現(xiàn)模擬漏電，電路接線布置如圖2所示．如圖6所示，工作回路總輸入電流IN與總輸出電流IL相等，由于總輸入電流IN在破損點處分流后得到的模擬漏電電流I1，經(jīng)模擬支路直接流入回路的輸出線，此時零序電流互感器平面內(nèi)的輸出線電流IL大于輸入線電流I2，即電流代數(shù)和不再為零，互感器平面的剩余電流值即模擬支路的電流值，以實現(xiàn)漏電現(xiàn)象的模仿．剩余電流模擬支路串聯(lián)了交流毫安電流表，可實時監(jiān)測模擬支路內(nèi)的電流值，同時調(diào)節(jié)滑動變阻器可改變模擬支路的電流，通過對支路開關的開合來實現(xiàn)對回路“漏電現(xiàn)象”的控制．

圖6 漏電模擬支路某時刻電流方向圖

3 演示儀器的操作

漏電保護演示儀實物圖為圖7所示.

圖7 漏電保護演示儀實物圖

3.1 互感器的漏電電流響應性能

為了得到與市電類似的單相交流信號，可利用函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生頻率為50 Hz，峰值為20 V的正弦信號．斷開電流互感器與放大電路的連接，使用交流毫伏電壓表測量互感器的輸出信號．將模擬支路變阻器的阻值調(diào)至最大，接通工作回路與模擬支路，調(diào)節(jié)模擬支路的變阻器使支路電流增大，記錄此時電流表與電壓表測量所得的數(shù)據(jù)．將電流電壓數(shù)據(jù)繪制成如圖8所示的關系曲線．

圖8 漏電電流與互感器輸出電壓的關系曲線

由關系曲線圖可知，當漏電電流小于30 mA時，互感器輸出電壓隨漏電電流增大的增速較小，電流響應速度低；當漏電電流大于40 mA時，互感器輸出電壓隨漏電電流增大的增速上升，電流響應速度較快，響應滯后現(xiàn)象有所減弱．

3.2 模擬漏電測試

(1)設定漏電保護動作電流閾值

在進行模擬漏電測試前，需對漏電保護動作電流閾值進行設定．首先接通所有電路模塊，調(diào)節(jié)模擬支路變阻器使交流毫安表的示數(shù)為30 mA，觀察此時電磁脫扣裝置是否動作．若未執(zhí)行脫扣動作，則需適當?shù)卦黾有盘柗糯笃鞯脑鲆婧徒档捅容^器電路的參考電壓，直至電磁鐵通電工作．此時，漏電保護演示儀的動作電流閾值被設定成30 mA．

(2)回路電流的改變對剩余電流的影響

斷開漏電模擬支路開關，逐漸增大負載電路的負載，觀察電磁脫扣裝置是否被觸發(fā)工作．經(jīng)測試，當工作回路電流逐漸增大到200 mA時，活動開關仍處于閉合狀態(tài)；當漏電模擬支路被閉合時，工作回路被電磁鐵即時切斷．這說明工作回路電流的增大對互感器平面內(nèi)的剩余電流值的影響很小．

(3)電路熱噪聲對動作電流閾值的影響

保持放大電路增益與比較電路參考電壓不變，閉合漏電模擬支路開關，調(diào)節(jié)模擬支路變阻器來改變漏電電流，記錄能使電磁鐵恰好觸發(fā)工作的漏電電流，重復多次，并繪制如表1所示的數(shù)據(jù)記錄表．

表1 動作電流閾值數(shù)據(jù)記錄表

分析數(shù)據(jù)記錄表，可知當模擬支路電流值在31 mA～36 mA范圍波動時，活動開關都存在被切斷的可能性，這是由于信號放大電路與比較電路當中存在電路熱噪聲，而電流熱噪聲將會影響比較電路的判斷結果，故動作電流閾值會在一定范圍內(nèi)波動．因此，為使實驗效果明顯，在進行微弱漏電測試時，可將模擬支路的電流值設為30 mA以下，用來演示回路發(fā)生“漏電”但活動開關未跳閘的現(xiàn)象；在進行正常漏電測試時，可將模擬支路的電流值設為40 mA以上，用來演示回路發(fā)生漏電并被即時切斷的現(xiàn)象．

4 結束語

漏電保護演示儀以剩余電流互感現(xiàn)象為核心原理，采用剩余電流模擬支路的方式對漏電現(xiàn)象進行模擬展示．當漏電電流大于40 mA時，剩余電流互感器的電流響應速率較高，電路開關將被即時切斷．演示儀的核心器件零序電流互感器的靈敏度高、性能穩(wěn)定，滿足了演示實驗對控制變量的需求．回路電流的改變對剩余電流的影響較小，電路熱噪聲會對動作閾值電流帶來波動干擾，但波動影響在5 mA范圍內(nèi)．同時，演示儀將漏電保護器的額定工作電壓從220 V下調(diào)至人體安全電壓范圍內(nèi)，既打破了演示實驗的場所限制，又有效地保護了實驗操作者的人身安全．模塊化的設計可充分地展示出漏電保護器的工作過程，有助于向學生普及漏電保護器的原理與安全用電知識．演示裝置實驗現(xiàn)象直觀，教學效果顯著，具有良好的推廣價值．