全电流敏感型剩余电流动作保护器设计

杨 军, 徐君芳, 蒋莹婷

(杭申集团 杭州之江开关股份有限公司, 浙江 杭州 311234)

0 引 言

剩余电流动作保护器(Residual Current Operated Protective Device,RCD)主要通过对低压配电线路中各相(含中心线)电流矢量和不为零而产生的剩余电流检测和保护,以防止人身触电及电气火灾引起的人身伤害及电气设备损坏事故发生的一种保护装置。传统的RCD主要分为AC型和A型。AC型RCD对正弦交流剩余电流起保护,A型RCD能对额定频率正弦交流剩余电流、脉动直流剩余电流和可能产生的复合剩余电流提供保护。

随着智能电网的发展和用电设备的不断增多,用电设备类型呈现多样化,变频器、医疗设备和不间断电源(UPS)等电力电子设备的应用日益广泛,这些电力电子设备发生故障时所产生的剩余电流不再是单一的工频正弦电流,而是具有脉动直流分量、甚至是平滑直流分量,同时在某些场合下剩余电流信号的频率达到1 000 Hz,甚至更高。传统的AC型RCD和A型RCD无法准确地感应复杂波形剩余电流信号,无法有效地保护人员和电气设备。

根据GB/T 22794—2008《家用和类似用途的不带和带过电流保护的B型剩余电流动作断路器》[1]的要求,本文提出一种全电流敏感型RCD设计。

1 RCD动作特性

RCD根据检测剩余电流波形以及剩余电流中含有直流分量时的动作特性,可分为AC型、A型和B型3种型式。

AC型RCD能够对突然施加或缓慢上升的额定频率(50 Hz/60 Hz)正弦交流剩余电流进行保护动作。A型RCD能对额定频率(50 Hz/60 Hz)正弦交流剩余电流、脉动直流剩余电流或叠加6 mA平滑直流的脉动直流剩余电流进行保护动作。B型RCD包括A型剩余电流保护器的保护要求外,还能对1 000 Hz及以下的正弦交流剩余电流、两相或多相整流电路产生的脉动直流剩余电流、交流剩余电流或脉动直流剩余电流叠加10 mA平滑直流(或0.4IΔn平滑直流,取其大者)、一个以上明显正弦波频率组成的复合剩余电流以及平滑直流剩余电流进行保护动作。

2 全电流敏感型RCD的工作原理

全电流敏感型RCD能够对回路中突然施加或缓慢上升的1 000 Hz及以下的正弦交流剩余电流、交流剩余电流叠加平滑直流的剩余电流、脉动直流剩余电流叠加平滑直流的剩余电流、整流电路产生的脉动直流剩余电流、复合剩余电流及平滑直流剩余电流进行保护动作,有效保护人身和电气设备[2-3]。全电流敏感型RCD的组成如图1所示,按功能可分为剩余电流检测模块、剩余电流处理模块、供电电源电路、试验电流电路、隔离电路、脱扣执行电路、脱扣电源电路及脱扣执行机构。

图1 全电流敏感型RCD的组成

全电流敏感型RCD的动作原理如图2所示,剩余电流检测模块通过剩余电流互感器(RCT)检测到电气线路中的剩余电流,利用磁调制式交直流剩余电流检测技术,将剩余电流耦合到供电电源电路提供的激磁电流中,采用基于低通滤波的硬件解调方法进行信号解调,滤除激磁电流高频分量,得到其直流分量或低频分量,进而计算剩余电流有效值。通过对激磁电流的直流分量或低频分量的检测变化,判断是否达到脱扣阈值,脱扣执行电路和脱扣电源电路发出脱扣指令,使脱扣执行机构断开,S1跳闸,从而实现复杂剩余电流的检测和保护。

图2 全电流敏感型RCD的动作原理

3 全电流敏感型RCD的应用

在供电电路中,全电流敏感型RCD主要应用在电动汽车的充电装置、电动力交通系统、医疗器械设备(X光射线机、CT扫描机等)、不间断电源(UPS)系统、光伏系统、纺织工业、焊接工业以及一些变频器的电气设备中,连接在这些电气设备进线端,作为设备剩余电流保护以及人身保护。

电动汽车的充电装置如图3所示,描述了充电装置里的充电过程。

图3 电动汽车的充电装置

当出现故障时,故障电流可能出现平滑直流剩余电流以及三相整流电路产生的脉动直流剩余电流及高频剩余电流。现有的AC型RCD和A型RCD无法准确地感应出以上剩余电流信号,从而进行可靠保护。因此,这些供电电路中必须应用全电流敏感型RCD。

4 结 语

随着智能电网的发展和用电设备的不断增多,以及电动汽车充电装置的普及,在供电电路中含有直流剩余电流、高频剩余电流等的可能性越来越大,全电流敏感型剩余电流动作保护器的应用显得相当重要,将会得到广泛的应用。