浪涌電流沖擊試驗故障分析解決方案

為避免剩余電流保護器（以下簡稱RCD）在配電線路中的誤動作，RCD需要經過EMC試驗，其中EMC試驗條款里包含3000A浪涌電流對RCD沖擊的性能試驗。標準GB16917.1-2014條款9.19.2要求的3000A浪涌電流沖擊試驗項目，其浪涌電流波形要求：①峰值電流3000A（1+10%）；②前沿時間8（1±20%）us；③至半值時間20（1±20%）us。8/20us浪涌電流發生器對RCD任選一極施加10次浪涌電流，每施加兩次變換浪涌電流極性，每間隔30s施加一次浪涌電流。

針對一般型RCD，標準規定3000A浪涌電流沖擊試驗中可以脫扣，在任何一次脫扣以后應重新合閘試品RCD；浪涌電流試驗后，試品RCD突加I△n剩余電流時應能脫扣，且動作時間符合標準要求。目前各地監督局抽檢市場上N極直通的RCD產品進行浪涌電流沖擊試驗時，若試品RCD脫扣，此時試品RCD內部會發出類似機構碰撞的噪音且伴隨著冒煙的現象。拆開試品RCD則發現，其內部脫扣器線圈燒壞或可控硅炸開。這一現象并不能直接說明試品RCD自身存在質量問題，也可能由試驗設備或試驗電路與設備不匹配引起的故障，本文針對3000A浪涌電流沖擊試驗中試品RCD發生故障開展分析并提出改進措施。

1、故障原因分析

1.1RCD保護原理

市場上電子式1P+N剩余電流保護器的線路板有分立元器件搭建信號處理電路及專用漏電芯片兩種形式，如圖1所示其組成原理是類似的，總體上由基于零序電流互感器的信號檢測電路、基于可控硅的信號比較電路以及基于脫扣器線圈的執行電路三個模塊構成。

                                    圖11P+N型RCD保護原理

低壓配電網相線與零線穿過零序電流互感器，以檢測被保護線路負載電流產生的磁場相量和。理想正常情況各相電流處于平衡狀態，由基爾霍夫電流定理可知，

此時被保護線路在零序電流互感器中產生的磁場相量和為零，即

零序電流互感器的二次側繞組無感應電壓輸出，RCD負載端電壓經過全橋整流之后加載在可控硅陽，由于此時可控硅未被觸發保持截止狀態，因此流過脫扣器線圈TR的電流很小，產生的電磁吸力幾乎忽略不計，RCD保持合閘狀態。當被保護線路存在接地故障或有人觸電時，由于剩余電流的存在，使得通過零序電流互感器一次側的各相電流矢量和不再為零，此時二次繞組有感應電壓輸出，且該感應電壓正比于剩余電流值。當剩余電流值達到RCD動作閾值時，漏電流判別電路輸出高電平觸發可控硅，此時流過脫扣器線圈TR的電流產生的電磁吸力帶動鐵芯沖擊鎖扣，使得自由脫扣機構QF跳閘以切斷電源，起到漏電保護作用。

1.2浪涌電流沖擊試驗接線

由圖1所示為RCD做3000A浪涌電流沖擊試驗的接線原理圖，試驗接線圖如圖1所示。其中電網電壓經過濾波器接到試品RCD上，試驗站或公司檢測中心一般用隔離變壓器隔離RCD電源與沖擊電流發生器電源。1P+N型電子式剩余電流保護器RCD處于分閘狀態，用萬用表測量試品RCD負載端L極與N極之間的電壓為0V；沖擊電流發生器接入試驗電路，RCD處于分閘狀態，閉合電源開關，用萬用表測量試品RCD負載端L極與N極之間存在220V交流電壓；沖擊電流發生器不接入試驗電路，閉合電源開關，用萬用表測量試品RCD負載端L極與N極之間的電壓為0V。由此可以確定試品RCD斷開時負載端存在220V交流電壓，是由沖擊電流發生器的串接引起的。

                                  圖2浪涌電流沖擊試驗接線圖

1.3浪涌電流沖擊試驗故障原因

由圖1所示1P+N型RCD保護原理可知，RCD動作時其線路板等效原理圖如圖3所示，電流回路由帶鐵芯脫扣器線圈、整流橋及可控硅SCR組成，此時的可控硅處于導通狀態。

                                       圖3RCD動作等效原理圖

可控硅是剩余電流保護器線路板中的關鍵元器件，其主要參數包含斷態可重復峰值電壓及焦耳積分值I2t，當RCD正常合閘時斷態可重復峰值電壓參數對可控硅的可靠性起關鍵作用；當RCD動作瞬間焦耳積分值I2t對可控硅的可靠性起關鍵作用，常用的可控硅型號焦耳積分值I2t參數如表1所示。輕松理解漏電斷路器中的可控硅

對于1P+N型RCD，其脫扣器線圈阻值通常在40~80Ω之間，考慮到電網電壓的波動范圍其電壓值通常在220V~250V之間，由歐姆定律可以估算出流過可控硅SCR的電流平均值約為5A，若RCD瞬時分閘且分閘之后負載端沒有電壓，那么10ms內的焦耳積分值為0.25，符合表1所列可控硅型號的參數要求。但是對于圖2所示的浪涌電流發生器串接在RCD的L極上，即使RCD分閘之后其負載端仍存在220V交流電壓，使得可控硅SCR一直有5A電流流過，一旦焦耳積分值大于表1參數要求，則可控硅SCR將會炸裂失效。不僅如此，脫扣器線圈同樣一直有5A電流流過，由于RCD中的脫扣器線圈屬于短時工作制，通過5A電流的時間稍長，根據焦耳定律線圈產生的發熱量就會燒毀線圈自身。同樣的，對于3P+N型電子式剩余電流保護器，做浪涌電流沖擊試驗時同樣存在上述現象。

實際使用環境下，若由于浪涌電流的沖擊導致RCD脫扣后，其負載端不會存在電源電壓，也就不會出現本文所述的失效現象。因此即使在浪涌電流沖擊試驗過程中，電子式RCD試品功能失效，也不能判定試品不合格，因為浪涌測試的試驗方法并不符合實際應用情況。

2、浪涌電流沖擊試驗改進

綜上所述，在3000A浪涌電流沖擊試驗中，N直通型電子式RCD如1P+N或者3P+N產品會出現脫扣后燒壞的現象，由于標準GB16917.1-2014相應條款允許試品RCD在浪涌電流沖擊試驗過程中脫扣，而對于N直通型RCD脫扣之后負載端仍然存在電壓，若以此造成的脫扣器線圈或可控硅燒毀來判定試品質量不合格并不合適。因此需要采取一定的措施，既能驗證試品RCD抗浪涌電流沖擊的能力，又能避免試品RCD的損壞，可采取下述三種方法：

1）試驗時若試品RCD脫扣，應立即斷開試品的電源電壓，再次試驗時恢復試品電源電壓即可，目前某些試驗站已經采用這種方案。該方案簡單經濟，但由于切斷電源電壓是人工操作，不能保證操作時間的一致性，而且存在人工不及時操作對試品RCD的累計損傷，可能會對試品RCD的質量產生不利影響。在此基礎上理想的方法是單獨設計一種針對N直通型RCD的浪涌電流沖擊試驗裝置，當試品RCD脫扣時由氣動裝置切斷電源試品RCD的電源；間隔一定時間后合閘試品RCD后再次接通電源。

2）改進浪涌電流發生器，使得該設備產生8/20us浪涌電流后，在30ms～40ms范圍內斷開浪涌電流發生器串接在試品RCD上的線路，避免電源經過設備線路而連通到試品RCD的負載端，一定時間如1s后恢復供電即可。

3）由1P+N型RCD保護原理可知，脫扣瞬間流過可控硅SCR的電流平均值約為5A，大于一般RCD的剩余電流動作整定值，利用該特點來改進浪涌電流發生器的試驗電路。改進后的浪涌電流沖擊試驗電路原理如圖4所示，試品RCD的電源端N極線路上串聯一臺2P電磁式額定剩余動作電流為30mA的RCD。在浪涌電流沖擊試驗時，若試品RCD脫扣，則N極上流過的5A電流對于2P電磁式RCD來說相當于剩余電流，且該剩余電流遠大于其30mA動作電流整定值，此時2P電磁式RCD脫扣，從而斷開電源端的N極，使得試品RCD負載端不存在電源電壓，解決了試品RCD脫扣后燒壞的問題。