淺析剩余電流動作斷路器工作原理及選型原則

浙江正泰電器股份有限公司 司鶯歌 翟華吉 曹 倩

1 引言

隨著人們安全意識、生活質量水平的不斷提升，對用電安全保護提出更高的要求，配置剩余電流動作斷路器保護越來越重要，怎樣做到安裝后的剩余電流動作斷路器能夠實現漏電動作保護，盡量避免出現拒動或者誤動作現象，有效保證供電系統正常、安全、可靠運行是一個值得關注的問題。

2 剩余電流動作斷路器的主要分類

剩余電流動作斷路器（簡稱RCD）是可以檢測剩余電流，把剩余電流值與預先設定值進行對比，當剩余電流值超過預先設定值時斷開電源的機械式開關電器。產品主要有以下分類方式。

一是根據使用場合和操作人員的不同剩余電流動作斷路器可以分為配電裝置用和家庭中或相似場所用。配電裝置上用剩余電流動作斷路器一般額定電流都是非常大，使用在配電裝置中主線路或分支線的線路保護，如果出現故障時，造成的影響區域比較廣，對產品穩定性和適用性要求比較高，要求由具有專業人員安裝、使用和維護，產品符合國家標準：GB/T14048.2中（附錄 B：具有剩余電流保護的斷路器）。家用和類似用途的剩余電流動作斷路器（或者稱非專職人員使用的剩余電流動作斷路器）主要應用于商業辦公樓、民用住宅及一般工業用途的終端配電線路中，作為線路設施的觸電、漏電等接到故障保護。額定電流一般不大于125A，作為終端電氣線路的漏電保護電器，適用于非專職人員使用。產品的符合國家標準：不帶過電流保護的家用剩余電流斷路器GB/T16916.1標準和帶過電流保護的家用剩余電流斷路器GB/T16917.1標準。

二是按照剩余電流中是否有直流分量時動作特性可分為AC、A、F、B 型四種。AC 型：對突然施加或緩慢上升的剩余正弦交流電流可以實現保護。A 型：對突然施加或緩慢上升的剩余正弦交流電流、剩余脈動直流電流、剩余脈動直流電流疊加6mA 的平滑直流電流時可以實現保護。F 型：除了可以起到A 型產品保護外，對單相電源供電的控制設備產生的多種頻率符合的剩余電流、剩余脈動直流電流疊加10mA 的平滑直流電流也可以實現保護。B 型：除了可以起到F 型產品保護外，還對1000Hz 及以下的剩余正弦交流電流、剩余交流電流疊加0.4倍Irn 的平滑直流電流、剩余脈動直流電流疊加0.4倍Irn 或10mA 的平滑直流電流、兩相橋式整流電路或三相橋式和星形聯結整流電路產生的直流電流、平滑直流電流均能夠起到保護作用。脈動直流電流有相位控制，與極性無關[1]。

三是按照極數和電流回路分為：單極兩回路（中性線不可斷開）、兩極、兩極三回路（中性線不可斷開）、三極、三極四回路（中性線不可斷開）、四極。

四是按照（出現有剩余電流時）延時分為沒有延時型（一般用途型）和有延時型。一般型（無延時）無人為有意延時的剩余電流保護裝置，用于單個分支線路和終端線路的保護。延時型剩余電流保護裝置，是針對某一剩余動作電流值，能實現一個預先設定的極限不驅動時間的剩余電流保護。延時型產品只適用于Iρn 大于30mA 的重點用于主線路或分開支線保護，或者與最終用戶端線路的保護電器協同，達到選擇性保護的要求[2]。

3 剩余電流動作斷路器的工作原理

剩余電流動作斷路器的結構原理如圖1所示。一般由斷路器、檢測元件（零序電流互感器）、電子放大和觸發電路、脫扣器、機構組件、測試按鈕等部分組成；實現過電流、短路、剩余電流動作保護功能，主要的技術指標如額定電壓Ua、額定電流In、額定剩余動作電流IΔn、額定短路能力Icn 等。

圖1 剩余電流動作斷路器結構

信號檢測：主要由電流互感器實現。被保護的火線、零線穿過互感器，組成了互感器的一次繞組原邊線，繞制在互感器外殼內芯上的線圈構成了互感器的二次副邊線，假如沒有發生剩余電流時，這時流過火線、零線的電流矢量代數和為零，在副邊線上也沒有產生相應的感應電動勢E。假如發生剩余電流時，火線、零線中的電流矢量代數和不為零，在副邊線上產生感應電動勢E，這個信號就被送到下一級電子放大和觸發電路進行處理。

電子放大和觸發電路：是對來自零序電流互感器的感應信號處理，并與預定值比較，當線路中剩余電流不小于預定值時，輸出一個信號并輸出到下一級脫扣線圈、機構元件。

脫扣線圈、機構元件（執行機構）：是接收來自互感器副邊線感應的指令信號，當信號超過設定的動作值時，切斷故障端與電源之間的供電線路。

試驗按鈕：剩余電流動作斷路器是實現線路保護功能電氣設備，應具有不定期進行檢查保護功能是否正常的裝置。該試驗按鈕就是通過和分壓電阻進行連接，模擬剩余電流的電路回路，以檢查裝置功能是否正常。

兩極剩余電流動作斷路器工作原理如圖2所示。

圖2 兩極剩余電流動作斷路器工作原理

在常規情況下，剩余電流斷路器接在單相電路中沒有出現觸電、剩余電流或接地問題時，這種情況下電流互感線圈中流通的電流矢量和為0：

則電流I 和I′在電流互感器內芯中所產生的方向相反、大小一致磁通量，疊加矢量和也為0：

所以E+E′=0。

在電流互感器的副邊繞組中沒有感應電動勢E2=0，剩余電流動作斷路器處于正常閉合工作狀態。

當電路中發生用電設備由于絕緣性能下降等因素出現漏電、人為接觸到電源或出現與大地連接問題時，所產生剩余電流借助接地線PE 就會出現電流Ir 與大地聯通，負載接到故障如圖3所示。

圖3 負載接到故障

由于有一部分電流通過PE 線流向大地，出現流入線路中電流I 和流出線路中電流I′疊加矢量和不相等， I′+Ir=I 則電流I 和I′在電流互感器內芯中所產生的方向相反、大小不一致磁通量，疊加矢量和不等于零：

根據電磁感應定律所得感應電動勢E 是由變化的磁通量d ? 產生：

所以E+E′疊加矢量和不為0。

在電流互感器的副邊繞組中感應電動勢E2，E2的大小與Iρ 有如下正比例關系：

感應電壓E2通過電子放大后觸發后施加脫扣線圈上產生預脫扣電流，當此電流值達到機構動作值時，推動機構組件動作，起到切斷電路的過程。

從以上RCBO 工作原理明顯看出，必須產生電流矢量和的變化，產生感應電動勢，所以剩余電流動作是否起到漏電保護、出現拒動或者誤動作與供電系統接地方式、剩余電流動作斷路器選擇有直接關系。

4 剩余電流動作斷路器拒動作或誤動作的分析

一是剩余電流動作電流值選擇不合理。由于選用剩余電流動作斷路器的剩余動作電流值偏大，而實際線路中產生的漏電流值沒有達到規定動作值，這種情況下剩余電流動作斷路器出現拒動作，起到保護作用。二是在家用等用作照明和動力設備共用的三相四線制線路中，如果選用三極剩余電流動作斷路器，負載的中性線直接接在剩余電流動作斷路器的電源側沒有經過剩余電流動作斷路器，這種情況下就會出現剩余電流動作斷路器出現誤動作，產品無法閉合正常接通線路。三是剩余電流動作斷路器后方有中性線與其他線路的中性線連接或接地等情況，在接通負載時也會造成剩余電流動作斷路器脫扣出現誤動作現象。四是剩余電流動作斷路器是屬于信號觸發動作的保護電器，當外部強電磁干擾狀態下也會導致誤動作發生。五是當線路中其他開關電器進行閉合、斷開的情況下也會產生高頻脈沖信號，特別是多條分路剩余電流累加也會發生誤動作現象。六是其他如使用環境溫度、濕度、線路絕緣阻抗下降等情況，也會導致剩余電流動作斷路器拒動作或者誤動作。

5 剩余電流動作斷路器選型原則

正確選擇和安裝使用剩余電流動作斷路器產品，是有效提高電器使用的安全性和可靠性重要途徑，為盡量降低無故的人員傷亡和可能造成財產損失。選用剩余電流動作斷路器應考慮多方面的因素。

一是購買剩余電流動作斷路器時應選擇具有生產資質的廠家，產品具有權威認證標識。

二是根據保護類別不同、人身設備財產安全和環境適用性選擇剩余電流動作斷路器的工作電壓、額定電流、剩余動作電流范圍和脫扣動作時間等參數指標。如供電電網的電壓高于額定電壓會因絕緣、觸頭承受能力、電子線路等原因使剩余電流保護斷路器發生損壞。

三是最后級剩余電流動作斷路器的選擇：最后一級是以保護人身直接觸電為目的，需要選用剩余動作電流小瞬時型剩余電流動作斷路器。按規定，額定剩余動作電流值小于等于30mA，額定剩余動作時間小于等于0.1s；在出現觸電后容易造成一次以上事故的場景環境中，盡量選擇額定剩余動作電流6mA 的剩余電流動作斷路器。

四是剩余電流動作斷路器剩余動作電流動作值盡可能選擇范圍比較小點，脫扣動作時間盡可能短；額定剩余動作電流動作值必須大于線路中正常剩余電流的2倍以上。

剩余電流動作斷路器的電流動作值應滿足以下條件：

式中，IΔn-為剩余電流動作斷路器額定剩余動作電流。IΔn i 為末級保護的剩余電流動作斷路器額定剩余動作電流，A； Io 為電網漏電電流，A。

五是還應滿足Q/GDW 11020-2013《農村低壓電網剩余電流動作保護器配置導則》第7.1剩余電流動作保護器動作電流設置要求：一方面是剩余電流動作保護電器在動作電流設置上應有選擇性；另一方面是一級保護的額定剩余電流動作最大值為100mA、200mA、30 0mA；三是對線路及電氣設備上裝有剩余電流動作保護電器，要求線路泄漏電流不大于額定剩余動作電流值的30%，達不到要求時，必須及時排查情況，解決符合要求后再投入使用。

六是為避免在線路中安裝的剩余電流動作保斷路器出現越級動作或不定時脫扣斷電，影響線路供電的連續性，除了按照規定選擇一級剩余電流動作斷路器的動作電流值外，還要對剩余電流動作斷路器的分斷時間進行合理配置。特別是農村低壓配電系統普遍采用分級保護的方式，對上下級保護之間的動作時間配合是最重要的，假如匹配不合理，容易造成越級動作問題。當采用分級選擇性保護時，上下級剩余電流動作斷路器的脫扣動作時間相差大于2s。

七是有些特殊應用環境不允許出現斷電的用電設備，如商場的通道照明、應急照明、消防設施備的供電電源等應選擇報警式的剩余電流保護斷路器，具有接通聲、光報警信號，告知相關值班人員及時響應處理。

八是對操作人員在鐵架、基座等金屬物體上工作或在隧道等環境中工作，因為人體的大部分要和導電性物體相接觸，容易發生觸電事故。所以在這種條件下，使用手持式電動工具、照明燈等供電回路，即使工作電壓低，當電壓大于24V 時，也應合理選擇動作電流不大于10mA 的剩余電流動作斷路器安裝。

6 剩余電流動作斷路器的施工安裝注意事項

一是產品本體上有標識進線端和出線端字樣，接線時不能反接。接線必須正確，接線錯誤可能導致剩余電流動作斷路器誤動作或出現拒動作；特別會導致電子式剩余電流動作斷路器的脫扣繞組無法切斷供電回路，導致一直處于通電而燒毀。

二是在安裝使用剩余電流動作斷路器時，明確區別供電系統中的中性線和保護線。使用三相四線和四線剩余電流動作斷路器時，中性線必須經過剩余電流動作斷路器后接出。通過剩余電流動作斷路器的中性線不得再用作保護線使用。

三是作為線路中供電工作的零線不能在剩余電流動作斷路器出線端重復接地，否則該裝置不能正常工作。

四是如支路線路上安裝選用剩余電流動作斷路器的時候，本支路中工作零線只能作為本回路的零線使用，嚴禁和其他回路中工作零線連接使用，并且其他線路或設備也不允許借用已采用剩余電流動作斷路器后的線路或設備上的工作零線。

五是使用在容易燃燒、容易爆炸、環境潮濕或有腐蝕性氣體等惡劣條件下的產品，應根據有關標準選用特殊防護條件的剩余電流動作斷路器，或者采取相應的防護措施。六是剩余電流動作斷路器安裝完成后，在不通電的情況下先進行手柄操作2次或以上檢查產品是否能夠正常閉合斷開。在通電情況下按動試驗按鈕2次或以上，確認產品剩余動作功能正常后投入使用。

7 剩余電流動作斷路器的運行

剩余電流動作斷路器的安全可靠運行需要定期按照使用說明書中的要求進行檢查維護，即檢查接線端子導線是否出現松動，操作剩余電流動作斷路器的試驗按鈕，檢查其是否能正常脫扣斷開。在檢查時應注意安全，如需要接觸到帶電線路應先斷開線路總開關，采用試電筆確認線路斷電情況下檢查，操作試驗按鈕不要一直按住測試按鈕，以免燒毀產品導致功能失效，以點動操作，次數兩次為宜。

剩余電流動作斷路器在應用過程中如發生脫扣斷電情況時，不要馬上閉合產品通電，需要排查沒有發現產品動作原因時，可以嘗試送電一次，如果還是出現脫扣斷電，必須查明故障并排除后方可送電，不能連續強行送電，以免造成更大的損失。剩余電流動作斷路器如果出現不能正常工作使用時，應請專業電工進行檢查或更換，不能自己拆卸，更不能私自打開產品的內部結構或更換零部件。

剩余電流動作斷路器不管是用在保護人身、財產安全，還是防止電氣火災等不同應用場景中，剩余電流動作斷路器都發揮著重要的作用。然而要發揮正常的保護功能，最主要的還是要合理布置、正確選擇、安裝剩余電流動作斷路器。