浪涌电流冲击试验故障原因分析及改进

为避免剩余电流保护器（以下简称RCD）在配电线路中的误动作，RCD需要经过EMC试验，其中EMC试验条款里包含3000A浪涌电流对RCD冲击的性能试验。标准GB16917.1-2014条款9.19.2要求的3000A浪涌电流冲击试验项目，其浪涌电流波形要求：①峰值电流3000A（1+10%）；②前沿时间8（1±20%）us；③至半值时间20（1±20%）us。8/20us浪涌电流发生器对RCD任选一极施加10次浪涌电流，每施加两次变换浪涌电流极性，每间隔30s施加一次浪涌电流。

针对一般型RCD，标准规定3000A浪涌电流冲击试验中可以脱扣，在任何一次脱扣以后应重新合闸试品RCD；浪涌电流试验后，试品RCD突加I△n剩余电流时应能脱扣，且动作时间符合标准要求。目前各地监督局抽检市场上N极直通的RCD产品进行浪涌电流冲击试验时，若试品RCD脱扣，此时试品RCD内部会发出类似机构碰撞的噪音且伴随着冒烟的现象。拆开试品RCD则发现，其内部脱扣器线圈烧坏或可控硅炸开。这一现象并不能直接说明试品RCD自身存在质量问题，也可能由试验设备或试验电路与设备不匹配引起的故障，本文针对3000A浪涌电流冲击试验中试品RCD发生故障开展分析并提出改进措施。

1、故障原因分析

1.1RCD保护原理

市场上电子式1P+N剩余电流保护器的线路板有分立元器件搭建信号处理电路及专用漏电芯片两种形式，如图1所示其组成原理是类似的，总体上由基于零序电流互感器的信号检测电路、基于可控硅的信号比较电路以及基于脱扣器线圈的执行电路三个模块构成。

图11P+N型RCD保护原理

低压配电网相线与零线穿过零序电流互感器，以检测被保护线路负载电流产生的磁场相量和。理想正常情况各相电流处于平衡状态，由基尔霍夫电流定理可知，

此时被保护线路在零序电流互感器中产生的磁场相量和为零，即

零序电流互感器的二次侧绕组无感应电压输出，RCD负载端电压经过全桥整流之后加载在可控硅阳极端，由于此时可控硅未被触发保持截止状态，因此流过脱扣器线圈TR的电流很小，产生的电磁吸力几乎忽略不计，RCD保持合闸状态。当被保护线路存在接地故障或有人触电时，由于剩余电流的存在，使得通过零序电流互感器一次侧的各相电流矢量和不再为零，此时二次绕组有感应电压输出，且该感应电压正比于剩余电流值。当剩余电流值达到RCD动作阈值时，漏电流判别电路输出高电平触发可控硅，此时流过脱扣器线圈TR的电流产生的电磁吸力带动铁芯冲击锁扣，使得自由脱扣机构QF跳闸以切断电源，起到漏电保护作用。

1.2浪涌电流冲击试验接线

由图1所示为RCD做3000A浪涌电流冲击试验的接线原理图，试验接线图如图1所示。其中电网电压经过滤波器接到试品RCD上，试验站或公司检测中心一般用隔离变压器隔离RCD电源与冲击电流发生器电源。1P+N型电子式剩余电流保护器RCD处于分闸状态，用万用表测量试品RCD负载端L极与N极之间的电压为0V；冲击电流发生器接入试验电路，RCD处于分闸状态，闭合电源开关，用万用表测量试品RCD负载端L极与N极之间存在220V交流电压；冲击电流发生器不接入试验电路，闭合电源开关，用万用表测量试品RCD负载端L极与N极之间的电压为0V。由此可以确定试品RCD断开时负载端存在220V交流电压，是由冲击电流发生器的串接引起的。

图2浪涌电流冲击试验接线图

1.3浪涌电流冲击试验故障原因

由图1所示1P+N型RCD保护原理可知，RCD动作时其线路板等效原理图如图3所示，电流回路由带铁芯脱扣器线圈、整流桥及可控硅SCR组成，此时的可控硅处于导通状态。

图3RCD动作等效原理图

可控硅是剩余电流保护器线路板中的关键元器件，其主要参数包含断态可重复峰值电压及焦耳积分值I2t，当RCD正常合闸时断态可重复峰值电压参数对可控硅的可靠性起关键作用；当RCD动作瞬间焦耳积分值I2t对可控硅的可靠性起关键作用，常用的可控硅型号焦耳积分值I2t参数如表1所示。轻松理解漏电断路器中的可控硅

对于1P+N型RCD，其脱扣器线圈阻值通常在40~80Ω之间，考虑到电网电压的波动范围其电压值通常在220V~250V之间，由欧姆定律可以估算出流过可控硅SCR的电流平均值约为5A，若RCD瞬时分闸且分闸之后负载端没有电压，那么10ms内的焦耳积分值为0.25，符合表1所列可控硅型号的参数要求。但是对于图2所示的浪涌电流发生器串接在RCD的L极上，即使RCD分闸之后其负载端仍存在220V交流电压，使得可控硅SCR一直有5A电流流过，一旦焦耳积分值大于表1参数要求，则可控硅SCR将会炸裂失效。不仅如此，脱扣器线圈同样一直有5A电流流过，由于RCD中的脱扣器线圈属于短时工作制，通过5A电流的时间稍长，根据焦耳定律线圈产生的发热量就会烧毁线圈自身。同样的，对于3P+N型电子式剩余电流保护器，做浪涌电流冲击试验时同样存在上述现象。

实际使用环境下，若由于浪涌电流的冲击导致RCD脱扣后，其负载端不会存在电源电压，也就不会出现本文所述的失效现象。因此即使在浪涌电流冲击试验过程中，电子式RCD试品功能失效，也不能判定试品不合格，因为浪涌测试的试验方法并不符合实际应用情况。

2、浪涌电流冲击试验改进

综上所述，在3000A浪涌电流冲击试验中，N直通型电子式RCD如1P+N或者3P+N产品会出现脱扣后烧坏的现象，由于标准GB16917.1-2014相应条款允许试品RCD在浪涌电流冲击试验过程中脱扣，而对于N直通型RCD脱扣之后负载端仍然存在电压，若以此造成的脱扣器线圈或可控硅烧毁来判定试品质量不合格并不合适。因此需要采取一定的措施，既能验证试品RCD抗浪涌电流冲击的能力，又能避免试品RCD的损坏，可采取下述三种方法：

1）试验时若试品RCD脱扣，应立即断开试品的电源电压，再次试验时恢复试品电源电压即可，目前某些试验站已经采用这种方案。该方案简单经济，但由于切断电源电压是人工操作，不能保证操作时间的一致性，而且存在人工不及时操作对试品RCD的累计损伤，可能会对试品RCD的质量产生不利影响。在此基础上理想的方法是单独设计一种针对N直通型RCD的浪涌电流冲击试验装置，当试品RCD脱扣时由气动装置切断电源试品RCD的电源；间隔一定时间后合闸试品RCD后再次接通电源。

2）改进浪涌电流发生器，使得该设备产生8/20us浪涌电流后，在30ms～40ms范围内断开浪涌电流发生器串接在试品RCD上的线路，避免电源经过设备线路而连通到试品RCD的负载端，一定时间如1s后恢复供电即可。

3）由1P+N型RCD保护原理可知，脱扣瞬间流过可控硅SCR的电流平均值约为5A，大于一般RCD的剩余电流动作整定值，利用该特点来改进浪涌电流发生器的试验电路。改进后的浪涌电流冲击试验电路原理如图4所示，试品RCD的电源端N极线路上串联一台2P电磁式额定剩余动作电流为30mA的RCD。在浪涌电流冲击试验时，若试品RCD脱扣，则N极上流过的5A电流对于2P电磁式RCD来说相当于剩余电流，且该剩余电流远大于其30mA动作电流整定值，此时2P电磁式RCD脱扣，从而断开电源端的N极，使得试品RCD负载端不存在电源电压，解决了试品RCD脱扣后烧坏的问题。

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