全自动电热水器的漏电保护电路分析

全自动电热水器的漏电保护电路分析

杨俊托

东莞市拓诚实业有限公司 广东东莞 523000

摘要：本次研究中设计的全自动热水器漏电保护插头实现了集成化，漏电保护电路由单片机系统、漏电信号检测电路、自检电路、驱动电路组成。插头使用80c51漏电保护单片机作为控制中心。当发生漏电时，单片机控制互感器生成漏电信号，漏电信号传回单片机，再由自检电路对传回的漏电信号进行检测，经检测确定为需要保护的漏电信号后，在驱动电路作用下启动三极管J3Y S8050和18脚复合晶体管uln2803，控制继电器EN61810-3切断热水器电源，使热水器进入断电状态，防止漏电事故发生。

关键词：全自动热水器；漏电保护；插头；电路

引言：

家用全自动热水器属于典型的大功率用电器，而有些全自动热水器有时会发生漏电，给人们的用电安全造成威胁。为避免热水器漏电造成的用电安全事故，本次研究中对全自动电热水器的漏电保护电路进行分析，当发生漏电时插头会自动识别漏电信号并及时断电，防止漏电对人体造成的伤害。

1漏电及保护机理

1.1漏电电流产生的原因

在未漏电的情况下I0=0，当漏电发生时TA单侧I0≠0。倘若R01=4Ω、Rr=1000Ω、Up=220V，当设备未接地线时经过人体的漏电电流Ir=Up/（R01+Rr）=220/（4+1000）=0.22A，经过人体的漏电电压Ur=IrRr=219V。若设备接地线、电阻不变的情况下，通过人体的漏电电流=0.11A，=110V。经过数值对比可知，在漏电情况下用电器在接地状态下最安全，但是110V电压已然超出了人体可承受36V的电压范围，因此在接地状态下出现漏电，依然会造成用电安全事故。图1所示为漏电保护接地示意图。

I0-零序电流 TA-互感器  R01-接地电阻  Rr-人体电阻 Up-电源相电压

Ir-流经人体电流 Ur-流经人体电压  -不接地时流经人体电流  -不接地时流经人体电压

图1 漏电保护接地示意图

1.2漏电保护原理

用电器在未出现漏电的情况下I0=0，此时漏电保护不作用且线路正常供电。若用电器出现漏电，此时la、lb、lc三相四线数值均不为零，导致I0≠0。感应电流i0信号被互感器CT的二次绕组放大。直至零度电流数值达到漏电保护值时，二次绕组产生的电流会作用继电器，断路器脱扣会立即切断电源，达到漏电保护的效果。图2所示为漏电保护原理。

图2 漏电保护原理

负责进行漏电检测的元件为电流互感器，电流互感器拥有封闭环形铁芯与一次、二次绕组，当漏电电流经过一次绕组时，漏电电流会被转换为可以被二次绕组接收的信号，再由二次绕组对漏电信号进一步处理，处理环节包括信号变换、信号放大、信号对比[1]。不同的漏电保护装置使用的断电执行机构不同，但是当发现漏电信号后最终都会将电源切断，使用电器处于断电状态。

2.全自动电热水器的漏电保护插头电路分析

漏电保护具有一定的复杂性与针对性，因此需要最大限度上避免漏电保护受到外界影响因素的干扰，同时要避免漏电电流的出现，使漏电保护插头始终处于正常工作状态[2]。本次研究中对漏电保护插头的使用效果进行检测，确保其能够正常使用并符合相关的安全标准要求。图3所示为本次设计的全自动电热水器的漏电保护插头。

图3 全自动电热水器的漏电保护插头

2.1初始化

单片机设定的电压信息数据采集周期为100ms，当电流进入插头后单片机每间隔100ms就会对电源数据进行一次采集，而每完成一次数据采集单片机的定时器就会自动初始化。完成初始化的单片机定时器所有的工作模式恢复到设定状态，当漏电信号流经单片机时，定时器所记录的数值将与平时发生差异，此时单片机将识别这一异常信号。定时器再次初始化，获得的数值依然与平时存在差异，此时单片机会对异常信号与漏电保护值进行对比，经对比发现超出漏电保护值则判定为漏电信号。鉴于此，本次设计的漏电保护插头在自检电路的基础上，由单片机对实现定时断电、外部断电，通过自检电路后才允许电流进入插头为热水器通电。若自检电路未运行，此时插头将禁止电源输入，并发出停机报警信号。

2.2安全化

本次设计的插头严格根据GB14536.1-2008相关要求进行设计，可以保证插头具有可靠的安全性，有效避免插头内单片机故障失去漏电保护作用。为进一步保证安全性，插头出厂时需要运用代码单片机进行自检，若在自检过程中发现单片机异常，此单片机将被列为残次品[3]。当发现漏电信号时，插头指示灯会不断闪烁，此时插头已经阻止向热水器供电，同时说明零序电压I0≠0，电压已经超过人体可承受范围，若出现这一现象则需要远离热水器，直至指示灯不再闪烁才可进行维修工作。

2.3控制化

本次设计的漏电保护插头，经测试得知漏电动作响应时间<100ms。结合实际使用情况，单片机采用外部中断的方式接收漏电信号，当发生漏电时设置的通电中断时间为55ms。漏电信号检测电路发现漏电信号后，此时外部中断进入计数、计时状态，若持续50ms依然检测为漏电信号，此时将电信号向自检电路传送，自检电路将在4ms内判断为漏电信号，并将信号传回单片机，在1ms内关闭电源输入，热水器停止加热并发出漏电警报。

3.全自动电热水器的漏电保护插头电路设计

3.1设计思路

漏电插头保护系统的初始化由主程序完成，初始化覆盖率整合漏电保护系统。当驱动电路判断为漏电信号的同时也完成了对漏电信号的最终分析。为了实现对漏电信号的精准判断，驱动电路需要实现对实时电压、实时电流的采集，并与漏电保护值进行对比分析。

热水器在通电状态下与电网相接，因此插头电流会受到电网谐波与瞬时干扰的影响，而这种影响通常源于不可抗力，如果使用硬件滤波装置作为判断漏电的装置，显然无法有效规避不可抗力对谐波的影响，即会导致漏电判断出现相对较大的失误。鉴于此，本次研究中使用单片机代替数字滤波，实现对漏电信号的精准判断，并在此基础上设计漏电信号检测电路、自检电路、驱动电路，实现对漏电信号的阶梯式检测，并及时断电避免漏电事故的发生。

3.2漏电信号检测电路

漏电信号检测电路运用霍尔磁性原理，该电路由互感器、分压电路、比较器共用构成。为热水器通电的电源会首先经过互感器磁环，若电源存在漏电嫌疑，此时互感器会在电流的刺激下产生感应电流，由电阻R4对感应电流进行处理后出现感应电压。电阻R1、R2、R8共同形成的分压值确定最终的漏电保护值，同时双电压比较集成电路LM393会对感应电压与分压值进行比对，若感应电压数值大于分压值，此时比较集成电路会通过单片机输出高电平。当确定漏电电流超出漏电保护值时，此时单片机会接收脉冲电压进入阻止电流输出。图4所示为漏电信号检测电路和自检电路。

图4 漏电信号检测电路和自检电路

3.3自检电路

自检电路与漏电信号检测电路形成闭合电路，作用是避免上一环节出现漏电检测失误。自检电路控制光耦MC3023并打通可控硅Z0408MF，随后电阻RY1、RY2会对流经的电流进行限流，再由互感器对电流进行检测。检测结束后，单片机处于高电平将电流回路关闭。

3.4驱动电路

驱动电路决定热水器最终的通电状态，本次研究中使用平行控制电路避免电源输出异常。单片机控制继电器控制电源L、N输入电流穿越互感器，再由J1和J3、J2和J4分别将电流传回L、N。倘若热水器漏电值超出保护值，此时电流将无法形成循环，热水器无法正常通电，达到漏电保护的效果。

结束语

本次研究从用电的基本原理出发，综合运用单片机、互感器设计了由漏电信号检测电路、自检电路、驱动电路共同构成的全自动热水器插头漏电保护电路。该插头可以在短时间内实现对漏电的识别，具有更高的准确率、更低的失误率。全自动热水器使用本次设计的漏电保护插头，可以有效避免漏电造成的用电安全事故，最大限度上保障了居民用电安全。

参考文献

[1]赵继晨,栾红,耿彦彩.LAUL428漏电测试电路简析及故障修复[J].物探装备,2023,33(01):38-40.

[2]苏金州.一种电子式漏电保护插头使用风险的警情评估探究[J].电子质量,2022(06):65-68.

[3]唐会成.基于HCNR201漏电保护电路的设计[J].机电产品开发与创新,2019,32(01):28-30.