防止浪涌误跳闸剩余电流动作断路器的分析与探讨

防止浪涌误跳闸剩余电流动作断路器的分析与探讨

唐丰田

上海正泰智能科技有限公司（上海） 201600

摘要：在电力系统的运行中，常常会遭遇由内外因素诱发的电压突变，即浪涌，这些浪涌对电力系统的稳定性及用户的电力使用感受构成威胁。为了解决浪涌导致的不必要断电问题，本文详细阐述了一种剩余电流动作断路器的工作机制和实施策略，它能有效地阻止因浪涌造成的意外断电情况，显著提升了用户的电力使用满意度。

关键词：浪涌；误跳闸；剩余电流动作断路器；电磁式RCBO

在电力体系的运作中，浪涌的成因可概括为两大类别：内部因素和外部因素。浪涌的内部诱因复杂多样，包括但不限于电源波动、负载的接通或断开，以及负载故障，这些都可能在电力系统内引发浪涌现象。具体来说，当电力系统中的负载瞬间下降或者一个负载无预警地断开，由于电源线中存在的固有电感，电流无法立即减小，这会导致电源总线电压急剧上升，从而产生浪涌。另一方面，外部因素主要是雷电活动对线路的干扰，如直击雷或雷电感应，这类由雷电引发的浪涌通常发生在微秒的时间尺度上。为了确保电力系统的稳定性以及用户的电力使用质量，防浪涌误跳闸的RCBO设备在市场上具有广阔的应用前景。

1剩余电流动作保护器的工作原理

在双极单线供电环境中，常规装置的金属外壳一般连接到火线、零线以及地线。火线与零线作为一对，它们的电流在同步操作下，大小相等但方向相反，从而形成相互抵消的磁场，导致总的电流流量为零。然而，当设备发生漏电或接地故障时，部分火线电流会经由地线泄露，经过零线的电流相应减少，两者之间的差值即为剩余电流。同样，三相四线制系统中的情况有所不同：A、B、C三相电流各自独立，而中性线In的电流则保持平衡。在正常运行状态下，三相电流矢量和与N线的电流相等且方向相反，彼此抵消，因此无剩余电流或磁场存在。然而，一旦设备发生对地短路，部分电流会通过大地回流，使得In减小，此时A、B、C三相电流之和减去中性线电流，即Ia+Ib+Ic-In的值将大于零，这在电路中会导致剩余电流的产生。

剩余电流动作保护装置主要包括三个组成部分：检测模块、信号增强模块和执行模块。当前，高灵敏度的穿心式电流互感器广泛应用于该保护器的检测部分，其主要任务是监测配电线路中的微小异常电流ΔI（通常以毫安计）。一旦检测到的剩余电流超过保护器设定的额定剩余动作电流ΔIn，信号增强模块将对此进行放大并触发判断。如果ΔI超过ΔIn，执行模块则会切断电源。反之，若ΔI小于或等于ΔIn，则执行模块不会采取断开电源的行动。

2浪涌的定义及产生原因

瞬态电压或电流冲击，通常称为浪涌，是供电系统中常见的现象，它们可分为外部和内部两类。外部浪涌源于雷电活动，即云层与地面间的闪电放电，由单次或多次高强度、短时间的电流冲击构成。一次典型的雷电过程可能包含两次或三次闪电，间隔约五分之一秒，其电流可高达数千乃至数十千安培，造成显著的电磁、机械和热效应。另一方面，内部浪涌则源自电器设备的启动、停止或故障，这类脉冲的宽度可能短至纳秒级别。例如，电源开启时，滤波电容器上瞬时电压的增加会触发大浪涌电流，这些电容器（包括外部和寄生电容）犹如短路，引发快速上升的浪涌电流，峰值可能远超稳态电流的几十到几百倍。当此类电流通过RCBO（剩余电流动作断路器）时，可能导致断路器跳闸，严重时甚至损坏RCBO，威胁用电安全。GB/T16917．1《2014家用和类似用途的带过电流保护的剩余电流动作断路器(RCBO)第1部分:一般规则》仅规定了3000A浪涌电流下RCBO的行为，允许非延迟型RCBO在3000A浪涌下跳闸，而延迟型则禁止跳闸。随着社会进步，新型电力系统中大量电子元件的使用，3000A的浪涌标准已无法满足所有用户需求，因此，防止浪涌误触发断路器的RCBO有巨大的市场潜力。在出现浪涌电流时，电涌保护器(SPD)模块能有效吸收或导走浪涌电流，以保障系统的稳定运行。

3剩余电流动作断路器防浪涌应用

传统剩余电流保护器中的浪涌防护策略主要包括串联电阻、压敏电阻和ESD元件的应用。其中，ESD元件种类繁多，包括瞬态二极管(TVS)，ESDMOS管以及可控硅整流器(SCR)。一种常见的做法是在RCBO电路板的前端连接串联电阻，这种方法旨在提升输入端的阻抗，从而抑制上电初期电容的快速充电，防止因浪涌电流激增引发的断路器误触发。然而，这种方法的局限性在于，串联电阻始终连通在电路中，这不仅在电子组件板运行正常时造成不必要的功率损耗，而且这种损耗是持续存在的，对设备效率构成潜在威胁。

在RCBO电子模块的前端设计中，一种非线性电压响应的压敏电阻被串联应用。当其两端电压处于阈值电压以下时，压敏电阻表现出极高的阻抗，如同一个无穷大阻值的断路器，几乎阻断了电流流通；一旦电压超过阈值，其电阻急剧减小，就像一个瞬间接通的开关，允许浪涌电流通过自身的回路路径。这样，压敏电阻在功能上充当了一种电压钳位器，将输入电压稳定在一个预设范围，从而减轻对后续电路的冲击，避免RCBO意外脱扣。然而，压敏电阻的选择通常受限于尺寸和成本因素。由于小型剩余电流保护断路器在空间上的限制，常见的型号如10k471或10k561，它们的电压抑制能力相对较弱。尽管如此，采用这种方式的优势在于其经济实惠。总的来说，压敏电阻的选择和应用需要在性能和成本之间做出权衡。

在RCBO电子组件板的设计中，前沿部分采用了TVS作为关键防护元件。TVS的工作原理类似于稳压二极管，但在反向偏置条件下运作，其能承受的反向电流远大于常规二极管。它的主要功能是充当一个应急电流路径，有效吸收突发的大电流并限制电压冲击。在常态下，TVS呈现出高阻抗特性，其静态能耗可以忽略不计。当电路遭遇较大电压浪涌时，TVS会从高阻态切换到低阻态，自动将电压钳制在接近其击穿电压的水平，从而保护后端电路免受损害。UB标记了TVS开始导通的反向电压阈值，IT代表开启电流，而UC则代表TVS的最大钳位电压，而IPP则是TVS在钳位状态下能承受的最大反向电流。在浪涌电流于0时刻突现时，TVS会在电压上升至UB后迅速导通。随着浪涌强度的增加，TVS两端电压会达到UC，此时电压不再继续攀升，但电流还在上升。当浪涌达到峰值后，会逐渐衰退，这时TVS两端电压会慢慢回落到UB以下。在国内，已有众多基于电磁效应的RCBO产品广泛应用了TVS作为抑制浪涌的关键组件。

4防止浪涌误跳闸RCBO原理

RCBO的防浪涌误跳闸策略主要依赖于零序互感器，它负责捕捉主回路中的电流偏差信号。在零序互感器的二次绕组中，串联有专门的浪涌管理组件，通常包括电阻和瞬态二极管，以过滤和削弱潜在的冲击电流。这部分设计的关键在于，通过多倍压整流技术增强漏电信号，以便于后续处理。接着，限流或续流电路被接入，旨在进一步提升设备对浪涌的抵御力，从而强化RCBO的浪涌防护性能。驱动电路随后跟进，可能采用比较放大电路或控制可控硅的开关机制，其核心作用是确保脱扣器——通常为电磁型漏电保护装置——准确响应。设计了一款基于上述原理的电磁式RCBO，其中采用了瞬态二极管作为浪涌抑制元件。结果显示，这款RCBO的各项操作特性均符合GB/T16917.1-2014《家用和类似用途过电流保护剩余电流动作断路器（RCBO）第一部分：通用规则》的要求，显著提升了防浪涌误跳闸的能力，甚至能在高达17kA的冲击电流下保持稳定，不触发跳闸。

总之，随着社会的发展，大量的电子设备接入电力系统，防止浪涌误跳闸剩余电流动作断路器将有广阔的应用前景。

参考文献

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