剩余電流保護(hù)器類型及故障分析

浙江省高低壓電器產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)中心 林 敏 陳 彬 秦湘湘

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，各類不同負(fù)載性質(zhì)的用電設(shè)備大量使用，剩余電流保護(hù)器（RCD）承擔(dān)著保護(hù)電氣線路及人身安全的重要作用，因此對(duì)RCD 保護(hù)類型適用性及常見功能故障問(wèn)題分析具有重要的意義。

1 剩余電流保護(hù)器（RCD）工作原理

RCD 的工作原理是監(jiān)測(cè)電路中帶電導(dǎo)體的電流矢量和（既有大小又有方向），如果監(jiān)測(cè)的各電流矢量由于對(duì)地泄漏電流而產(chǎn)生不平衡且矢量和超過(guò)設(shè)定的額定剩余動(dòng)作電流，RCD 將保護(hù)脫扣以切斷回路的電源[1]。雖然RCD 有一個(gè)額定動(dòng)作電流（IΔn），但RCD 可能會(huì)在額定動(dòng)作值以下跳閘（出廠設(shè)置的動(dòng)作值一般為額定剩余動(dòng)作電流的75%～85%）[2]。非故障情況下，回路中所有帶電導(dǎo)體電流的矢量和應(yīng)為零，當(dāng)回路出現(xiàn)故障產(chǎn)生對(duì)地泄漏電流時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生不平衡并使RCD 脫扣。

2 剩余電流保護(hù)器（RCD）的類型

RCD 的適用類型取決于其在不同直流分量和頻率下的功能表現(xiàn)，因此應(yīng)從不同負(fù)載可能出現(xiàn)泄漏電流的性質(zhì)來(lái)選擇適當(dāng)?shù)腞CD。

2.1 AC 型RCD

對(duì)于突然施加或平滑增加的剩余正弦交流電流能脫扣的RCD。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)最普遍的AC 型RCD 應(yīng)用于負(fù)載電流不包含直流分量的場(chǎng)景[3]。

2.2 A 型RCD

對(duì)于突然施加或平滑增加的剩余正弦交流電流和剩余脈動(dòng)直流電流能脫扣的RCD。對(duì)于疊加在不大于6mA 的平滑直流電流上的剩余脈動(dòng)直流電流可以實(shí)現(xiàn)保護(hù)脫扣。

2.3 F 型RCD

保護(hù)脫扣方式與A 型相同，此外還包括：第一，對(duì)于突然施加或緩慢上升的相線和中性線供電的回路（單相回路）的復(fù)合剩余電流；第二， 對(duì)于疊加在不大于10mA 平滑直流電流上的剩余脈動(dòng)直流電流。

2.4 B 型RCD

B 型RCD 的脫扣方式與F 型相同，此外還包括：第一，對(duì)于頻率高達(dá)1kHz 的剩余正弦交流電流；第二，對(duì)于疊加在平滑直流電流上的剩余交流電流；第三，對(duì)于疊加在平滑直流電流上的剩余脈動(dòng)直流電流；第四，對(duì)于兩相或多相的剩余脈動(dòng)整流直流電流；第五，對(duì)于突然施加或緩慢增加的與極性無(wú)關(guān)的剩余平滑直流電流極性。

3 國(guó)內(nèi)應(yīng)用市場(chǎng)現(xiàn)狀

在目前的電氣配電裝置安裝生產(chǎn)中，用戶配電箱的電氣回路往往安裝有RCD，而這些RCD 可能是AC 型RCD，AC 型RCD 近年來(lái)廣泛應(yīng)用，現(xiàn)代電器正變得越來(lái)越先進(jìn)，大量采用微處理器的電力電子技術(shù)、節(jié)能技術(shù)與措施，這些負(fù)載在運(yùn)行中，會(huì)產(chǎn)生直流剩余故障電流，這種情況下會(huì)導(dǎo)致AC型RCD 的保護(hù)失效。許多配電裝置的生產(chǎn)安裝人員對(duì)AC 型RCD 應(yīng)用的誤解，認(rèn)為AC 型RCD 適用于所有的負(fù)載[4]，存在安全隱患。

4 常見剩余電流檢測(cè)與保護(hù)功能模塊故障分析

4.1 剩余電流檢測(cè)模塊（線路板）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)述

以CM1漏電斷路器AC 型RCD 線路板為例，剩余電流檢測(cè)執(zhí)行模塊由以下3部分組成：芯片主板部分、電源部分、零序互感器（磁環(huán)）[5]。如圖1所示。

圖1 電流檢測(cè)執(zhí)行模塊構(gòu)成

芯片主板核心元件是剩余電流專用芯片QX54123S 及半導(dǎo)體開關(guān)MOS 管，負(fù)責(zé)處理來(lái)自磁環(huán)的剩余電流所產(chǎn)生的感應(yīng)電壓信號(hào)，當(dāng)該信號(hào)幅值超過(guò)設(shè)定的閾值，芯片輸出觸發(fā)信號(hào)驅(qū)動(dòng)MOS管導(dǎo)通，脫扣器線圈得電，脫扣器動(dòng)作，切斷電路。電源部分采用三相全波整流，整流輸出分為二個(gè)支路，一路經(jīng)過(guò)降壓濾波后提供給芯片作為工作電源，另一路經(jīng)過(guò)脫扣器線圈與半導(dǎo)體MOS 管構(gòu)成脫扣保護(hù)電路，為保證電源部分工作的可靠性，在三相接入端增加了限流電阻及壓敏電阻。零序互感器（磁環(huán)）為玻莫合金磁芯，在磁芯上繞有2組線圈，一組為剩余電流感應(yīng)線圈，另一組為功能試驗(yàn)線圈，用于模擬產(chǎn)生電路中出現(xiàn)故障剩余電流。

4.2 剩余電流檢測(cè)模塊（線路板）故障現(xiàn)象與分析

4.2.1 剩余電流動(dòng)作值超差

原因分析：剩余電流動(dòng)作值超差是磁環(huán)離散性誤差和配置取樣電阻的誤差合成所致。例如，CM1塑殼漏電斷路器常規(guī)剩余電流擋位規(guī)格為100mA/300mA/500mA，配置第一系列取樣電阻30R/10R/5.9R，當(dāng)需要50mA/200mA/300mA 參數(shù)時(shí)，需要配置取樣電阻60R/15R/10R，但是，第一系列電阻是沒有60R，只有56R 或者62R，因此就會(huì)出現(xiàn)偏差。電阻精度有1%和5%，在用于取樣電阻必須用1%精度。

每個(gè)磁環(huán)的誤差也有離散性，該離散性誤差與取樣電阻誤差二者合成后就可能出現(xiàn)超出允許值。目前的內(nèi)控指標(biāo)是：實(shí)際動(dòng)作電流按擋位規(guī)格電流的75%～85%。改進(jìn)措施：第一，備用元件規(guī)格，沒有精確匹配值的情況，提供備用配置或使用可調(diào)元件，使其更適合特定應(yīng)用；第二，產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化，將配置元件值與市場(chǎng)上常用的元件值相匹配，以降低誤差的概率。

4.2.2 漏電關(guān)閉功能失效

漏電關(guān)閉有兩種方式：一是關(guān)閉芯片輸出的觸發(fā)信號(hào)，二是關(guān)閉切斷脫扣器線圈電路。

關(guān)閉芯片輸出觸發(fā)信號(hào)方案的優(yōu)點(diǎn)是可以有“2檔延時(shí)+1檔漏電關(guān)閉”選擇檔；缺點(diǎn)是當(dāng)可控硅被擊穿失效時(shí)，會(huì)出現(xiàn)上電跳閘，斷路器無(wú)法正常合閘送電，影響工程現(xiàn)場(chǎng)施工送電。

關(guān)閉切斷脫扣器電路方案優(yōu)點(diǎn)是可以可靠關(guān)閉脫扣器，不影響斷路器送電，缺點(diǎn)是“1檔延時(shí)+1檔漏電關(guān)閉”選擇檔。推薦采用“關(guān)閉切斷脫扣器電路方案”，電路簡(jiǎn)單可靠性更高。

關(guān)閉芯片輸出觸發(fā)信號(hào)方案中漏電關(guān)閉功能失效原因：一是專用芯片QX54123S 的PIN5腳與GND 之間焊接一個(gè)低阻值電阻，由于焊接問(wèn)題，可能導(dǎo)致漏電關(guān)閉功能不可靠；二是當(dāng)可控硅（或MOS 管）擊穿失效時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致該剩余電流斷路器不能合閘。改進(jìn)措施：一是改進(jìn)焊接可靠性；二是選用高耐壓半導(dǎo)體開關(guān)。

4.2.3 剩余電流斷路器上電過(guò)程中，取樣電阻R0A閃絡(luò)擊穿

在剩余電流規(guī)格檔位選擇的撥碼開關(guān)焊腳與安裝在PCB 下面的脫扣器線圈端子距離太近或碰到，上電過(guò)程有感應(yīng)高電壓，就會(huì)導(dǎo)致?lián)舸┰撾娮琛８倪M(jìn)措施：將撥碼開關(guān)的焊腳剪短，并噴涂三防漆加強(qiáng)絕緣，增大與脫扣器線圈端子之間的距離，增強(qiáng)線圈端子之間的電氣絕緣，降低擊穿風(fēng)險(xiǎn)。

4.2.4 剩余電流斷路器合閘上電就跳閘故障

假設(shè)在空載情況還存在剩余電流斷路器合閘上電就跳閘現(xiàn)象，其原因可能有以下兩種：一是試驗(yàn)按鈕是否頂死在“試驗(yàn)”位置；二是可控硅或MOS開關(guān)管是否被擊穿。

造成MOS 管擊穿的主要原因：一是瞬時(shí)過(guò)電壓；二是長(zhǎng)期的高濕度環(huán)境會(huì)導(dǎo)致MOS 管源極-漏極之間爬電短路（等同于MOS 管一直處于導(dǎo)通狀態(tài)）。

改進(jìn)措施：第一，選用高耐壓的可控硅或MOS開關(guān)管；第二，在MOS 管源（S）極與漏（D）極之間的PCB 板上鑼槽加強(qiáng)物理隔離。

快速判斷MOS 管是否正常的方法如圖2所示。

圖2 快速判斷MOS 管是否正常的方法

用數(shù)字萬(wàn)用表二極管檔反向測(cè)量MOS 管2N80的D-S 兩極（紅色筆接S，黑色筆接D），萬(wàn)用表顯示的讀數(shù)為一個(gè)硅二極管的正向壓降，讀數(shù)約0.6V；若MOS 場(chǎng)效應(yīng)管內(nèi)部D-S 兩極之間的寄生二極管擊穿損壞，用二極管檔測(cè)量時(shí)，萬(wàn)用表顯示的讀數(shù)接近于零。

用數(shù)字萬(wàn)用表二極管檔正向測(cè)量MOS 管2N80的D-S 兩極（紅色筆接D，黑色筆接S），萬(wàn)用表量程開關(guān)調(diào)至二極管檔，將2N80的G 極懸空，若是完好的管子，萬(wàn)用表顯示為“OL”，即溢出；若管子有損壞，萬(wàn)用表顯示有讀數(shù)。

4.2.5 剩余電流脫扣器不動(dòng)作或者脫扣力不足

脫扣器的脫扣力不足原因分析：第一，芯片輸出給可控硅或MOS 管的觸發(fā)電壓會(huì)影響到半導(dǎo)體開關(guān)的開啟角度，影響到脫扣驅(qū)動(dòng)電流的大小從而影響脫扣力；第二，脫扣器的脫扣力與脫扣器線圈磁感應(yīng)強(qiáng)度有關(guān)，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小由線圈的安匝數(shù)決定。因此，解決方案是將脫扣器線圈匝數(shù)增多或者增大線圈漆包線直徑，降低線圈內(nèi)阻，相應(yīng)提高脫扣電流，達(dá)到增大安匝數(shù)的目的。

4.2.6 試驗(yàn)按鈕模擬出現(xiàn)剩余故障電流測(cè)試不動(dòng)作

試驗(yàn)按鈕電路不動(dòng)作的原因主要有以下兩點(diǎn)：第一，試驗(yàn)按鈕動(dòng)作值與試驗(yàn)電流與磁環(huán)試驗(yàn)線圈匝數(shù)正相關(guān)，比如試驗(yàn)按鈕電路總阻抗73kΩ，理論上在220V 時(shí)產(chǎn)生3mA 電流，在磁環(huán)試驗(yàn)線圈匝數(shù)為300匝時(shí)，模擬能達(dá)到900mA 的試驗(yàn)漏電流，假設(shè)磁環(huán)的試驗(yàn)圈數(shù)為200匝，模擬產(chǎn)生600mA 的漏電流值，因此這個(gè)是磁環(huán)試驗(yàn)線圈繞組匝數(shù)與線路板動(dòng)作閾值的匹配問(wèn)題。第二，電源PCB 板上的試驗(yàn)線圈接線端子焊接短路，導(dǎo)致沒有試驗(yàn)電流經(jīng)過(guò)試驗(yàn)線圈。

4.2.7 電源板出現(xiàn)炸（燒）元件

該故障說(shuō)明線路板存在“短路”的嚴(yán)重問(wèn)題。原因分析如下：第一，MOS 管損壞，一直處于導(dǎo)通狀態(tài)，同時(shí)沒有脫扣切斷主電路，導(dǎo)致燒限流電阻；第二，電源板整流二極管耐壓擊穿或過(guò)電流損壞，引起整流電路短路，導(dǎo)致燒限流電阻；第三，PCB線路走線之間絕緣擊穿或者線路板PCB 插件之間存在短路；第四，壓敏電阻擊穿后造成的壓敏電阻內(nèi)部短路點(diǎn)，導(dǎo)致燒限流電阻。

改進(jìn)措施：一是加強(qiáng)PCB 絕緣防短路設(shè)計(jì)與生產(chǎn)工藝，以防止MOS 管或整流二極管的擊穿或過(guò)電流損壞；二是選擇正規(guī)名牌廠家的元器件。

綜上所述，RCD 的適用類型選擇取決于其在不同直流分量和頻率下的功能表現(xiàn)，應(yīng)從不同負(fù)載可能出現(xiàn)漏電流的性質(zhì)來(lái)選擇適當(dāng)?shù)腞CD。

常見剩余電流檢測(cè)與保護(hù)模塊出現(xiàn)故障主要有以下原因：第一，出現(xiàn)剩余電流動(dòng)作值超差的原因主要包括配置取樣電阻的誤差和零序互感器（磁環(huán)）的離散性誤差。第二，漏電關(guān)閉功能失效可能由焊接問(wèn)題或可控硅（MOS 管）損壞導(dǎo)致。第三，斷路器合閘上電就跳閘的情況與試驗(yàn)按鈕位置、可控硅或MOS 開關(guān)管的擊穿有關(guān)。第四，剩余電流脫扣器不動(dòng)作或力不足可能源自信號(hào)線路問(wèn)題、芯片的工作電源不穩(wěn)定或可控硅（MOS 管）觸發(fā)導(dǎo)通角問(wèn)題。第五，試驗(yàn)按鈕模擬出現(xiàn)剩余故障電流測(cè)試不動(dòng)作可能是試驗(yàn)電流與磁環(huán)試驗(yàn)線圈匝數(shù)不匹配，或電源板上的試驗(yàn)線圈接線短路。第六，電源板炸（燒）元件的原因可能涉及MOS 管損壞、整流二極管擊穿、線路絕緣問(wèn)題或壓敏電阻內(nèi)部短路。

通過(guò)本文的分析與改進(jìn)措施，能提高剩余電流保護(hù)器的產(chǎn)品性能，保障生產(chǎn)、生活中的用電安全，具有重要的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。