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(jiǎn)稱(chēng)RCD）在配電線(xiàn)路中的誤動(dòng)作，RCD需要經(jīng)過(guò)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(shí)間8（1±20%）us；③至半值時(shí)間20（1±20%）us。8/20us浪涌電流發(fā)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(shí)應能脫扣，且動(dòng)作時(shí)間符合標準要求。目前各地監督局抽檢市場(chǎng)上N極直通的RCD產(chǎn)品進(jìn)行浪涌電流沖擊試驗時(shí)，若試品RCD脫扣，此時(shí)試品RCD內部會(huì )發(fā)出類(lèi)似機構碰撞的噪音且伴隨著(zhù)冒煙的現象。拆開(kāi)試品RCD則發(fā)現，其內部脫扣器線(xiàn)圈燒壞或可控硅炸開(kāi)。這一現象并不能直接說(shuō)明試品RCD自身存在質(zhì)量問(wèn)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(fā)生故障開(kāi)展分析并提出改進(jìn)措施。

1、故障原因分析

1.1RCD保護原理

市場(chǎng)上電子式1P+N剩余電流保護器的線(xiàn)路板有分立元器件搭建信號處理電路及專(zhuān)用漏電芯片兩種形式，如圖1所示其組成原理是類(lèi)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(xiàn)圈的執行電路三個(gè)模塊構成。

                                    圖11P+N型RCD保護原理

低壓配電網(wǎng)相線(xiàn)與零線(xiàn)穿過(guò)零序電流互感器，以檢測被保護線(xiàn)路負載電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)相量和。理想正常情況各相電流處于平衡狀態(tài)，由基爾霍夫電流定理可知，

此時(shí)被保護線(xiàn)路在零序電流互感器中產(chǎn)生的磁場(chǎng)相量和為零，即

零序電流互感器的二次側繞組無(wú)感應電壓輸出，RCD負載端電壓經(jīng)過(guò)全橋整流之后加載在可控硅陽(yáng)，由于此時(shí)可控硅未被觸發(fā)保持截止狀態(tài)，因此流過(guò)脫扣器線(xiàn)圈TR的電流很小，產(chǎn)生的電磁吸力幾乎忽略不計，RCD保持合閘狀態(tài)。當被保護線(xiàn)路存在接地故障或有人觸電時(shí)，由于剩余電流的存在，使得通過(guò)零序電流互感器一次側的各相電流矢量和不再為零，此時(shí)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(dòng)作閾值時(shí)，漏電流判別電路輸出高電平觸發(fā)可控硅，此時(shí)流過(guò)脫扣器線(xiàn)圈TR的電流產(chǎn)生的電磁吸力帶動(dòng)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(xiàn)

由圖1所示為RCD做3000A浪涌電流沖擊試驗的接線(xiàn)原理圖，試驗接線(xiàn)圖如圖1所示。其中電網(wǎng)電壓經(jīng)過(guò)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(fā)生器電源。1P+N型電子式剩余電流保護器RCD處于分閘狀態(tài)，用萬(wàn)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(fā)生器接入試驗電路，RCD處于分閘狀態(tài)，閉合電源開(kāi)關(guān)，用萬(wàn)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(fā)生器不接入試驗電路，閉合電源開(kāi)關(guān)，用萬(wàn)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(kāi)時(shí)負載端存在220V交流電壓，是由沖擊電流發(fā)生器的串接引起的。

                                  圖2浪涌電流沖擊試驗接線(xiàn)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(dòng)作時(shí)其線(xiàn)路板等效原理圖如圖3所示，電流回路由帶鐵芯脫扣器線(xiàn)圈、整流橋及可控硅SCR組成，此時(shí)的可控硅處于導通狀態(tài)。

                                       圖3RCD動(dòng)作等效原理圖

可控硅是剩余電流保護器線(xiàn)路板中的關(guān)鍵元器件，其主要參數包含斷態(tài)可重復峰值電壓及焦耳積分值I2t，當RCD正常合閘時(shí)斷態(tài)可重復峰值電壓參數對可控硅的可靠性起關(guān)鍵作用；當RCD動(dòng)作瞬間焦耳積分值I2t對可控硅的可靠性起關(guān)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(xiàn)圈阻值通常在40~80Ω之間，考慮到電網(wǎng)電壓的波動(dòng)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(guò)可控硅SCR的電流平均值約為5A，若RCD瞬時(shí)分閘且分閘之后負載端沒(méi)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(fā)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(guò)，一旦焦耳積分值大于表1參數要求，則可控硅SCR將會(huì )炸裂失效。不僅如此，脫扣器線(xiàn)圈同樣一直有5A電流流過(guò)，由于RCD中的脫扣器線(xiàn)圈屬于短時(shí)工作制，通過(guò)5A電流的時(shí)間稍長(cháng)，根據焦耳定律線(xiàn)圈產(chǎn)生的發(fā)熱量就會(huì )燒毀線(xiàn)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(shí)同樣存在上述現象。

實(shí)際使用環(huán)境下，若由于浪涌電流的沖擊導致RCD脫扣后，其負載端不會(huì )存在電源電壓，也就不會(huì )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(guò)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(shí)際應用情況。

2、浪涌電流沖擊試驗改進(jìn)

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(chǎn)品會(huì )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(guò)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(xiàn)圈或可控硅燒毀來(lái)判定試品質(zhì)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(shí)若試品RCD脫扣，應立即斷開(kāi)試品的電源電壓，再次試驗時(shí)恢復試品電源電壓即可，目前某些試驗站已經(jīng)采用這種方案。該方案簡(jiǎn)單經(jīng)濟，但由于切斷電源電壓是人工操作，不能保證操作時(shí)間的一致性，而且存在人工不及時(shí)操作對試品RCD的累計損傷，可能會(huì )對試品RCD的質(zhì)量產(chǎn)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(shí)由氣動(dòng)裝置切斷電源試品RCD的電源；間隔一定時(shí)間后合閘試品RCD后再次接通電源。

2）改進(jìn)浪涌電流發(fā)生器，使得該設備產(chǎn)生8/20us浪涌電流后，在30ms～40ms范圍內斷開(kāi)浪涌電流發(fā)生器串接在試品RCD上的線(xiàn)路，避免電源經(jīng)過(guò)設備線(xiàn)路而連通到試品RCD的負載端，一定時(shí)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(guò)可控硅SCR的電流平均值約為5A，大于一般RCD的剩余電流動(dòng)作整定值，利用該特點(diǎn)來(lái)改進(jìn)浪涌電流發(fā)生器的試驗電路。改進(jìn)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(xiàn)路上串聯(lián)一臺2P電磁式額定剩余動(dòng)作電流為30mA的RCD。在浪涌電流沖擊試驗時(shí)，若試品RCD脫扣，則N極上流過(guò)的5A電流對于2P電磁式RCD來(lái)說(shuō)相當于剩余電流，且該剩余電流遠大于其30mA動(dòng)作電流整定值，此時(shí)2P電磁式RCD脫扣，從而斷開(kāi)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(wèn)題。