摘 要： 具體分析電網(wǎng)上的一種常見干擾信號(hào)——雷電干擾信號(hào)及RCCB現(xiàn)行國標(biāo)在相關(guān)方面的不足；提出并引入了一項(xiàng)特殊技術(shù)——10 ms不驅(qū)動(dòng)時(shí)間，以避開電網(wǎng)上特殊信號(hào)的干擾，減少誤動(dòng)作。將這項(xiàng)帶延時(shí)保護(hù)功能的抗干擾技術(shù)與其他抗干擾技術(shù)集成進(jìn)一塊具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的漏電保護(hù)專用芯片中。實(shí)測結(jié)果證實(shí)，此芯片具有進(jìn)口芯片及其國產(chǎn)仿制芯片所不具有的優(yōu)良抗干擾能力。
關(guān)鍵詞： 漏電保護(hù)器；抗干擾；延時(shí)保護(hù)；專用集成電路芯片
漏電保護(hù)器(RCCB)已被廣泛地用于防止人體觸電傷亡。然而，由于低壓電網(wǎng)上存在著許多干擾信號(hào)，這些干擾信號(hào)會(huì)意外地觸發(fā)漏電保護(hù)器，因而會(huì)發(fā)生“誤動(dòng)作”現(xiàn)象。現(xiàn)有漏電保護(hù)器均采用進(jìn)口芯片(例如M54123)或國內(nèi)仿制進(jìn)口的芯片，該類芯片未考慮抗干擾設(shè)計(jì)，所以誤動(dòng)作頻繁，嚴(yán)重降低了漏電保護(hù)器的實(shí)際安裝投運(yùn)率。也由此產(chǎn)生了增加漏電保護(hù)器抗干擾能力的強(qiáng)烈需求。本文首先分析了電網(wǎng)中若干種干擾信號(hào)中的雷電干擾信號(hào)，然后指出漏電保護(hù)器有關(guān)現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)中的不足。在此基礎(chǔ)上，提出了一種能夠躲避雷電干擾的新方法。最后將這種新方法設(shè)計(jì)在一款具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的漏電保護(hù)專用芯片中，并在0.6 ?滋m CMOS工藝上制作成功。
1 雷擊干擾信號(hào)分析
電網(wǎng)上充斥著各種各樣的干擾信號(hào)，其中一種是由雷擊引起的，這種干擾信號(hào)最有可能導(dǎo)致漏電保護(hù)器的誤動(dòng)作。
在低壓配電網(wǎng)絡(luò)中，普遍都安裝了避雷器以避免雷擊感應(yīng)電壓對(duì)電網(wǎng)的損害。當(dāng)雷電擊中配電線一定距離外的地面時(shí)，會(huì)在配電線中感應(yīng)出一個(gè)幅值為幾千伏甚至幾十千伏，持續(xù)時(shí)間約為幾十微秒的浪涌電壓[1]，這個(gè)電壓會(huì)使避雷器動(dòng)作，形成從相線通過避雷器到地的電流泄放通路(如圖1所示)。該通路將雷電感應(yīng)出的浪涌電壓的能量轉(zhuǎn)移到大地。避雷器一旦開啟，避雷器通路即為低阻狀態(tài)，而相線上是幅度為220 V的工頻電壓，因此相線也會(huì)通過避雷器通路泄放電流，這種現(xiàn)象稱為工頻續(xù)流。只有當(dāng)工頻電壓的相位過零時(shí)，避雷器中的電弧才會(huì)斷開，避雷器恢復(fù)高阻狀態(tài)，整個(gè)避雷器的泄放過程宣告結(jié)束。在配電線路中，從相線直接到地的電流被定義為漏電流（剩余電流）。因此，上述避雷器的泄放過程亦即為漏電流的產(chǎn)生過程，此漏電流信號(hào)的幅度較大，并且持續(xù)時(shí)間最長為半個(gè)工頻周期，即10 ms，故稱此類干擾信號(hào)為“10 ms半波漏電干擾信號(hào)”。
2 現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)的不足
國家標(biāo)準(zhǔn)的制定規(guī)范了漏電保護(hù)器的產(chǎn)品市場。我國的漏電保護(hù)器國家標(biāo)準(zhǔn)GB16916.1等同于IEC61008.1(家用和類似用途的不帶過電流保護(hù)的漏電保護(hù)器(RCCB)第1部分：一般規(guī)則)。GB16916將家用及類似用途的剩余電流斷路器也分成了兩種類型：一種稱為一般型，用作直接接觸保護(hù)；另一種稱為S型，用作間接接觸保護(hù)。漏電流與保護(hù)器分?jǐn)鄷r(shí)間的關(guān)系如表1所示[2]。
在表1中，一般型和S型保護(hù)都有最大分?jǐn)鄷r(shí)間，但是只有S型保護(hù)才有最小不驅(qū)動(dòng)時(shí)間。所以，在目前直接接觸式漏電保護(hù)器市場中，大量使用的漏電保護(hù)器芯片是M54123。當(dāng)剩余電流到達(dá)IΔn，它在0.006 s后斷開電路，在這塊芯片中不存在不驅(qū)動(dòng)時(shí)間。然而，正是由于這個(gè)過于靈敏的反應(yīng)機(jī)制，使得當(dāng)電網(wǎng)中出現(xiàn)諸如前面一節(jié)分析的雷電和其他各種干擾信號(hào)時(shí)，使用M54123芯片的漏電保護(hù)器就會(huì)因誤判而發(fā)生誤動(dòng)作，頻繁跳閘以致被稱為“搗蛋器”，影響了其在國內(nèi)市場的實(shí)際應(yīng)用。
為此本文為國提出一種改進(jìn)方案，這就是在直接接觸漏電保護(hù)器中加入至少10 ms(0.01 s)的不驅(qū)動(dòng)時(shí)間。這個(gè)方案將會(huì)大大減少誤動(dòng)作頻度，提高RCCB的實(shí)際投運(yùn)率，在關(guān)鍵時(shí)刻不會(huì)因RCCB的實(shí)際缺位而發(fā)生人身傷亡事故。
這種新的漏電保護(hù)器芯片分?jǐn)鄷r(shí)間和不驅(qū)動(dòng)時(shí)間如表2所示。
表2中的最大分?jǐn)鄷r(shí)間只定義了漏電保護(hù)器芯片的跳閘時(shí)間，由于機(jī)械延時(shí)，總的跳閘時(shí)間比表2中的長0.02 s 左右。
3 芯片的設(shè)計(jì)
這款新型的漏電保護(hù)器芯片包括兩個(gè)主要的功能部分：剩余電流保護(hù)和過壓保護(hù)，其模塊框圖如圖2所示。
由圖2可知，此芯片是一個(gè)典型的混合信號(hào)系統(tǒng)，它包括數(shù)字部分和模擬部分。模擬部分的主要功能是為整塊芯片提供穩(wěn)定的工作環(huán)境并且對(duì)剩余電流信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理。數(shù)字部分的主要功能是通過一些數(shù)字處理方法智能化地去除剩余電流信號(hào)中的干擾信號(hào)。
當(dāng)一個(gè)剩余電流信號(hào)輸入時(shí)，它首先被送進(jìn)低通濾波器去除高頻干擾，然后這個(gè)剩余電流信號(hào)被放大并與一些內(nèi)部參考電壓進(jìn)行比較，比較輸出信號(hào)被送到數(shù)字電路部分。在數(shù)字電路部分，通過對(duì)信號(hào)連續(xù)性的判斷和對(duì)信號(hào)脈寬的判斷來甄別輸入信號(hào)是否是一個(gè)其他性質(zhì)的干擾信號(hào)（即非雷電感應(yīng)的干擾信號(hào)），以避免產(chǎn)生誤動(dòng)作[5][6]。電流驅(qū)動(dòng)模塊保證足夠的電流來觸發(fā)外部的SCR以切斷電源。電路的Cadence仿真結(jié)果如圖3所示。
專門針對(duì)感應(yīng)雷干擾信號(hào)的10 ms不驅(qū)動(dòng)時(shí)間實(shí)現(xiàn)的原理如下：當(dāng)剩余電流超過5IΔn(工頻續(xù)流電流值一般會(huì)較大)，芯片開啟10 ms定時(shí)器，當(dāng)10 ms定時(shí)器倒計(jì)時(shí)到0時(shí)，如果漏電保護(hù)器芯片沒再感應(yīng)到剩余電流信號(hào)的存在，就意味著此漏電保護(hù)器感應(yīng)到的剩余電流信號(hào)是一個(gè)持續(xù)時(shí)間不超過10 ms的干擾信號(hào)。如果當(dāng)10 ms定時(shí)器倒計(jì)時(shí)到0時(shí)，漏電保護(hù)器仍然感應(yīng)到存在剩余電流信號(hào)，就意味著這個(gè)信號(hào)確實(shí)是一個(gè)剩余電流，此時(shí)芯片將立即反應(yīng)，切斷電源。10 ms不驅(qū)動(dòng)電路的仿真結(jié)果如圖4所示。
4 芯片測試結(jié)果
本芯片采用0.6 μm CMOS工藝流片。包括輸入輸出PAD和內(nèi)核，總的芯片面積是2.4 mm2，芯片總電流是400 μA，由于電源電壓是5 V，因此功耗是2 mW。
剩余電流保護(hù)的功能測試結(jié)果如圖5所示，曲線1是漏電保護(hù)器感知的剩余電流信號(hào)，曲線2是觸發(fā)SCR的輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，曲線1與曲線2的間隔是延時(shí)時(shí)間T=0.3 s，此芯片工作在S型。
圖6是10 ms不驅(qū)動(dòng)時(shí)間功能的測試結(jié)果，曲線2是超過5IΔn的剩余電流信號(hào)，如果此信號(hào)只持續(xù)一個(gè)半波周期，則輸出信號(hào)保持低電平。如果剩余電流信號(hào)持續(xù)時(shí)間較長，在檢測到第二個(gè)半波剩余電流信號(hào)后，輸出跳閘信號(hào)。
本文討論的漏電保護(hù)器芯片運(yùn)用了多種技術(shù)來減少誤動(dòng)作的發(fā)生。這些技術(shù)都是基于對(duì)電網(wǎng)尤其是中國電網(wǎng)干擾信號(hào)較嚴(yán)重狀況的分析，利用數(shù)字電路技術(shù)，將智能判斷和精確延時(shí)功能引入漏電保護(hù)器專用芯片中實(shí)現(xiàn)的。此芯片具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。測試結(jié)果表明，此漏電保護(hù)器芯片能夠很好地躲避干擾信號(hào)，有效地降低誤動(dòng)作率，并且符合國家標(biāo)準(zhǔn)，推廣之后將具有重大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。
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