浅析剩余电流动作断路器试验回路设计.pdf

研究与探讨朱俊（），男，高级工程师，从事低压电器设计工作。刘淼（），男，高级工程师，从事低压电器应用研究。司莺歌（），男，高级工程师，从事低压电器设计及研究。浅析剩余电流动作断路器试验回路设计朱俊，刘淼，司莺歌（浙江正泰电器股份有限公司，浙江 温州 ）摘要：围绕 标准试验装置条款，探讨剩余电流动作断路器在应用端使用过程中测试按钮操作潜在的安全风险。分析了常规试验回路的安匝数设计及电阻选型，提出了试验回路双断点结构、触发式试验回路及自检式试验回路的设计方案，从而提高用电安全性。关键词：；试验回路；双断点结构；触发式电路；自检式电路中图分类号：文献标志码：文章编号：（）：引言随着人们安全意识的提升，在新一代低压配电系统中，防止人身触电及预防漏电火灾均需要配置剩余电流保护器，其保护动作的可靠性日益受到大家的关注。剩余电流保护功能关系生命财产安全，为能实现用户端对剩余电流保护功能进行实时检测、判断，国家标准要求剩余电流动作断路器自带试验装置。在试验装置中设计试验回路，通过人为控制回路通断产生模拟检测的剩余电流，因此试验也可称为剩余电流模拟检测回路，用来判断剩余电流保护功能是否正常，用户可在产品正面按下试验按钮进行检测。试验回路的模拟剩余电流检测功能需要尽可能地接近断路器的实际剩余电流保护功能，这样才能具备更好的提示作用，因此试验回路的设计应符合标准，并尽可能留有裕量。同时在操作试验按钮的过程中应避免出现触电等安全隐患。标准解读 家用和类似用途的不带过电流保护的剩余电流动作断路器（）第 部分：一般规则、家用和类似用途的带过电流保护的剩余电流动作断路器（）第 部分：一般规则 等国家标准规定：应具有 个试验装置模拟剩余电流通过检测装置，以便具有定期地检验剩余电流装置的动作能力 。不同的市场对“定期”有不同的理解，大多数理解为“每月 次”，但近几年国外市场也有反馈操作太频繁，于是出现了“”，甚至有些厂家直接标识“”，将定期检测的频率由终端用户自行决定，但不管如何标识，建议应定期开展检测，频率可以是一季度、半年或者一年。国家标准对“动作能力”也进行了规定，要求操作 试验装置产生的安匝数不应超过在 的一极流过等于 的剩余电流时产生的安匝数的 倍。国家标准等同采用的是 的要求，相比 ：家用及类似用途带集成过电流保护的残余电流驱动的断路器（）第 部分：一般规则 的要求较低，对于灵敏度为 的 ，研究与探讨 家用和类似用途的无完整过电流保护的剩余电流断路器（）第 部分：通用规则要求操作 的试验装置产生的安匝数不应超过在 的一极流过等于 的剩余电流时产生的安匝数的 倍。标准规定的试验回路的动作能力更接近于 主回路的保护能力，对 的剩余电流保护功能的模拟检测更接近真实能力。该要求主要为避免剩余电流动作断路器因零序互感器、脱扣器等出现异常情况时剩余电流保护功能失常，而试验回路如果具备更高的剩余电流驱动能力，此时操作试验按钮，试验装置仍能脱扣，给用户造成误导。当然，试验装置的剩余电流驱动能力不应低于断路器的剩余电流保护能力，避免剩余电流保护功能正常但试验装置不能脱扣，也会给用户造成误导。所以试验装置的剩余电流驱动能力需要进行合理的设计。国家标准要求“处于断开位置并按正常接线时，操作试验装置应不可能对负载侧的电路供电”。该要求主要为解决在断路器断开、试验按钮被异常按下情况下的负载端出现带电风险。该情况出现的概率较小，但也是存在的，比如配电箱盖子出现变形、破损等会让按钮处于按下状态。常规试验装置的设计目前市场上主流的试验回路设计采用 的设计思路，即在主回路取工作电压 ，在试验回路中串接 个电阻 ，通过在检测磁环 上绕制一定的副边匝数 ，在结构上设计触发回路通、断的按钮 。试验回路示意图如图 所示 。试验回路中的电流可用欧姆定律 进行计算，此时试验回路的安匝数与主回路的安匝数应满足如下关系：（）式中：试验回路产生的电流；试验回路的穿心次数；标准规定的试验回路安匝数与主回路通入 得到安匝数的比值；的额定剩余动作电流；原边的穿心次数。图 试验回路示意图同时要保证试验回路的驱动能力，应满足：（）整理可得：（）整理可得试验回路电阻的取值范围为 （）（）（）如匝数相等的情况下，电阻的取值范围应满足下式：（）以满足 家用和类似用途的带 过 电 流 保 护 的 剩 余 电 流 动 作 断 路 器（）第 部分：一般规则（包括 年 勘误表）的 规格为例，试验回路工作电压为交流 ，试验回路取电方式如图 所示。按图 的布线方式，原边 次穿心，试验回路也为 次穿心，计算可得试验回路电阻 的取值范围为 ，常见的有 。图 试验回路取电方式研究与探讨在电阻功率的选择上，因为电阻每次工作的时间极短，一般在 以内，可以选择 的碳膜电阻或 的金属膜电阻 。为提升试验回路的可靠性，可以通过增大电阻阻值来减小试验回路的电流，那就需要增加试验回路 的绕制次数，这在一定程度上会增加生产的难度。在取电方式上存在以下两种常见的形式，即进、出线端异侧取电和两出线端同侧取电，同侧和异侧是以回路的机械断点为分界线。双断点试验回路如图 所示。从图 可以看出，进、出线端异侧取电即使在分闸状态下，按下试验按钮 时，负载端仍是带电位，如果此时触碰后端的带电体，存在触电的风险，这种方式不符合标准要求，已被行业淘汰。而同在机械断点后端的取电方式可以满足明确标识清楚负载侧和电源侧的场景，即 为进线端，此时负载端是不带电的，而在反向接线的情况下只要按下按钮，试验回路即处于接通状态，电阻存在烧毁的风险，特别是电子式类产品，会出现线路板持续触发，甚至可控硅烧毁的情况。这类取电方式不适用反向接线的情况。图 双断点试验回路 双断点试验回路为满足标准要求的“处于断开位置并按正常接线时，操作试验装置应不可能对负载侧的电路供电”，可以对试验回路的结构进行双断点结构设计。双断点试验回路如图 所示。图中除原有的试验按钮 下的断点，设计一断点 受操作机构控制，在操作机构合闸时，断点 接通；在操作机构断开时，断点 也断开，这样即可保证 处于断开位置时，试验回路存在双断点，即使按下按钮 时，负载端 是零电位。上面第一断点设计由试验按钮 控制，按下试验按钮时，其控制的扭力弹簧与装于外壳上的导电片一侧接触，形成第一断点，释放按钮时弹簧自动驱动按钮复位，第一断点断开。第一断点示意图如图 所示。图 第一断点示意图第二断点则设计于过电流极，通过触头支持的旋转运动来控制试验回路中的扭力弹簧所处的位置。第二断点示意图如图 所示。在分闸状态时触头支持驱动扭力弹簧顺时针形变，扭力弹簧与导电片另一侧脱离，形成第二断点；而在合闸时，触头支持顺时针运动，扭力弹簧则复位，与导电片接触。图 第二断点示意图第二断点的设计实现合闸状态时试验回路实际只有一个断开点，此时按下试验按钮即分闸；而在分闸状态下，由于产生第二断点，此时即使按下试验按钮，试验回路实际也处于断路状态。触发式试验回路主回路取电的方式可以通过在试验回路上设计双断点的结构，来解决特殊情况下负载端带电的问题。但对于一些布局空间极紧凑的 而言，不具备空间设计双断点，这时可以通过触发式的低压试验回路来实现。触发式试验回路工作流程图如图 所示。控制线路板 首先判断漏电检测按钮是否按下，当检测到按钮按下研究与探讨后驱动模拟漏电电路产生弱电模拟漏电信号，此时漏电检测电路与驱动电路导通工作，驱动漏电脱扣器动作，断路器跳闸。在一些应用场景中，需要显示断路器的工作状态是否由漏电流引起的跳闸，当控制线路板 判断到漏电驱动电路引起的断路器跳闸时，指示灯将显示漏电跳闸状态。图 触发式试验回路工作流程图触发式试验回路其电路原理如图 所示。图中 为漏电测试开关，一般采用的是轻触开关，可贴片在电子组件板上，占用空间较小，通过断路器外部的按钮驱动 导通；当手动按下断路器漏电测试按钮，导通，端口向 输入控制信号，通过示波器观察为 的个方波，则相应输出 信号，使三极管 处于高电平导通状态，三极管 的放大电路连接的是磁环的副边感应绕组，此时感应绕组导通，漏电流检测电路将检测到漏电流，再由漏电脱扣电路驱动漏电脱扣器动作，断路器将跳闸。图 触发式试验回路原理图相较于传统 试验回路，触发式试验回路具备如下优势：（）试验回路集成于电子组件板与零序互感器中，占用空间更小，有利于实现断路器模块化与小型化。（）传统的 漏电试验回路普遍采用弹簧钢丝或者弹簧片取电，该试验回路通强电（额定工作电压），裸露于 内部，容易造成耐压击穿或者短路，不利于电气隔离。（）在触发式低压试验回路中，漏电脱扣器普遍采用低压直流脱扣器，相较于传统的 脱扣器（额定工作电压 驱动）而言，在动作时脱扣器线圈产生的热量更小，因此不易因线圈过热引起的烧损或者漏电功能失效，解决了传统试验回路的操作频率受脱扣器发热限制的技术痛点。但是相较于传统 试验回路，成本要稍高一些。自检式试验回路除了需要人为触发试验按钮进行剩余电流保护功能检测的方式外，目前市场上也推出了剩余电流保护功能可自检的试验回路。上设计的操作按钮虽然标识了“每月 次”或“定期测试”，实际应用上却很少有用户按要求操作的，因此实际剩余电流保护功能是否正常并未被有效识别，自检式试验回路可以较好地解决这个问题。若剩余电流保护功能失效，则强制性分断产品并限制合闸，这样便解决了传统的 试验按钮在实际应用中形同虚设的痛点。自检式试验回路原理图如图 所示。设计的自检控制电路可以按设定周期触发自检，提供信号至漏电信号采集控制电路，当脱扣功能正常时，可以通过警示电路以声、光的形式报警，也可设置通过脱扣电路实现 分闸脱扣，同时声、光辅助警示。设计中同时保留按钮测试电路，便于用户随时对剩余电流保护功能进行检测。文献 提供一种实现电路，自检式触发电路如图 所示。工作时，自检指令从单片机 研究与探讨图 自检式试验回路原理图口发出，触发晶闸管 使其处于导通状态，整流桥 、端也导通，、两端电压加在试验电阻上来产生模拟剩余电流。该开关可由 远程实现试验动作，指令从通信接口输入，单片机接收到远程试验指令后，触发电子试验按钮工作。自检时如触发 分闸断电，将影响用户正常用电，应对自检时触发分闸断电的周期进行设置，如“每月 次”或“每季度 次”等；也可对剩余电流驱动能力进行检测而不进行分闸断电，当试验回路驱动能力出现故障时以声、光等警示方式报警。采用警示的方式可以增大自检频率，每天自检 次或更高频率，也可以根据需求定制化。不管采用自检时触发断电的方式还是自检时不断电的方式，在试验回路的结构设计上仍应保留手动触发的方式。图 自检式触发电路 结语试验回路对 剩余电流保护功能的判断起着重要的作用，是 的重要组成部分，在设计过程中应充分考虑其保护功能的可靠性和安全性。本文阐述试验回路的基本设计要求、双断点试验回路、触发式试验回路及自检式试验回路，对 设计开发的可靠性及安全性具有一定的参考价值。中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局 家用和类似用途的带过电流保护的剩余电流动作断路器（）第 部分：一般规则：北京：中国标准出版社，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局 家用和类似用途的不带过电流保护的剩余电流动作断路器（）第 部分：一般规则：北京：中国标准出版社，朱俊，邵江华，任吉利 浅析电磁式剩余电流动作断路器保磁能力的影响因素 现代建筑电气，（）：王倩男，何文辉 金属膜电阻失效前后概率分布及可靠性分析 电子器件，（）：曹玉保，周兆庆，吴凯 金属氧化膜电阻的失效分析方法研究 中国集成电路，（）：赵策，郑元昌 自检自复电能表外置剩余电流动作断路器的设计 电器与能效管理技术，（）：收稿日期：，（，）：，：；