剩余电流保护器类型及故障分析

浙江省高低压电器产品质量检验中心 林 敏 陈 彬 秦湘湘

随着社会经济的快速发展，各类不同负载性质的用电设备大量使用，剩余电流保护器（RCD）承担着保护电气线路及人身安全的重要作用，因此对RCD 保护类型适用性及常见功能故障问题分析具有重要的意义。

1 剩余电流保护器（RCD）工作原理

RCD 的工作原理是监测电路中带电导体的电流矢量和（既有大小又有方向），如果监测的各电流矢量由于对地泄漏电流而产生不平衡且矢量和超过设定的额定剩余动作电流，RCD 将保护脱扣以切断回路的电源[1]。虽然RCD 有一个额定动作电流（IΔn），但RCD 可能会在额定动作值以下跳闸（出厂设置的动作值一般为额定剩余动作电流的75%～85%）[2]。非故障情况下，回路中所有带电导体电流的矢量和应为零，当回路出现故障产生对地泄漏电流时，就会产生不平衡并使RCD 脱扣。

2 剩余电流保护器（RCD）的类型

RCD 的适用类型取决于其在不同直流分量和频率下的功能表现，因此应从不同负载可能出现泄漏电流的性质来选择适当的RCD。

2.1 AC 型RCD

对于突然施加或平滑增加的剩余正弦交流电流能脱扣的RCD。国内市场最普遍的AC 型RCD 应用于负载电流不包含直流分量的场景[3]。

2.2 A 型RCD

对于突然施加或平滑增加的剩余正弦交流电流和剩余脉动直流电流能脱扣的RCD。对于叠加在不大于6mA 的平滑直流电流上的剩余脉动直流电流可以实现保护脱扣。

2.3 F 型RCD

保护脱扣方式与A 型相同，此外还包括：第一，对于突然施加或缓慢上升的相线和中性线供电的回路（单相回路）的复合剩余电流；第二， 对于叠加在不大于10mA 平滑直流电流上的剩余脉动直流电流。

2.4 B 型RCD

B 型RCD 的脱扣方式与F 型相同，此外还包括：第一，对于频率高达1kHz 的剩余正弦交流电流；第二，对于叠加在平滑直流电流上的剩余交流电流；第三，对于叠加在平滑直流电流上的剩余脉动直流电流；第四，对于两相或多相的剩余脉动整流直流电流；第五，对于突然施加或缓慢增加的与极性无关的剩余平滑直流电流极性。

3 国内应用市场现状

在目前的电气配电装置安装生产中，用户配电箱的电气回路往往安装有RCD，而这些RCD 可能是AC 型RCD，AC 型RCD 近年来广泛应用，现代电器正变得越来越先进，大量采用微处理器的电力电子技术、节能技术与措施，这些负载在运行中，会产生直流剩余故障电流，这种情况下会导致AC型RCD 的保护失效。许多配电装置的生产安装人员对AC 型RCD 应用的误解，认为AC 型RCD 适用于所有的负载[4]，存在安全隐患。

4 常见剩余电流检测与保护功能模块故障分析

4.1 剩余电流检测模块（线路板）结构简述

以CM1漏电断路器AC 型RCD 线路板为例，剩余电流检测执行模块由以下3部分组成：芯片主板部分、电源部分、零序互感器（磁环）[5]。如图1所示。

图1 电流检测执行模块构成

芯片主板核心元件是剩余电流专用芯片QX54123S 及半导体开关MOS 管，负责处理来自磁环的剩余电流所产生的感应电压信号，当该信号幅值超过设定的阈值，芯片输出触发信号驱动MOS管导通，脱扣器线圈得电，脱扣器动作，切断电路。电源部分采用三相全波整流，整流输出分为二个支路，一路经过降压滤波后提供给芯片作为工作电源，另一路经过脱扣器线圈与半导体MOS 管构成脱扣保护电路，为保证电源部分工作的可靠性，在三相接入端增加了限流电阻及压敏电阻。零序互感器（磁环）为玻莫合金磁芯，在磁芯上绕有2组线圈，一组为剩余电流感应线圈，另一组为功能试验线圈，用于模拟产生电路中出现故障剩余电流。

4.2 剩余电流检测模块（线路板）故障现象与分析

4.2.1 剩余电流动作值超差

原因分析：剩余电流动作值超差是磁环离散性误差和配置取样电阻的误差合成所致。例如，CM1塑壳漏电断路器常规剩余电流挡位规格为100mA/300mA/500mA，配置第一系列取样电阻30R/10R/5.9R，当需要50mA/200mA/300mA 参数时，需要配置取样电阻60R/15R/10R，但是，第一系列电阻是没有60R，只有56R 或者62R，因此就会出现偏差。电阻精度有1%和5%，在用于取样电阻必须用1%精度。

每个磁环的误差也有离散性，该离散性误差与取样电阻误差二者合成后就可能出现超出允许值。目前的内控指标是：实际动作电流按挡位规格电流的75%～85%。改进措施：第一，备用元件规格，没有精确匹配值的情况，提供备用配置或使用可调元件，使其更适合特定应用；第二，产品标准化，将配置元件值与市场上常用的元件值相匹配，以降低误差的概率。

4.2.2 漏电关闭功能失效

漏电关闭有两种方式：一是关闭芯片输出的触发信号，二是关闭切断脱扣器线圈电路。

关闭芯片输出触发信号方案的优点是可以有“2档延时+1档漏电关闭”选择档；缺点是当可控硅被击穿失效时，会出现上电跳闸，断路器无法正常合闸送电，影响工程现场施工送电。

关闭切断脱扣器电路方案优点是可以可靠关闭脱扣器，不影响断路器送电，缺点是“1档延时+1档漏电关闭”选择档。推荐采用“关闭切断脱扣器电路方案”，电路简单可靠性更高。

关闭芯片输出触发信号方案中漏电关闭功能失效原因：一是专用芯片QX54123S 的PIN5脚与GND 之间焊接一个低阻值电阻，由于焊接问题，可能导致漏电关闭功能不可靠；二是当可控硅（或MOS 管）击穿失效时，就会导致该剩余电流断路器不能合闸。改进措施：一是改进焊接可靠性；二是选用高耐压半导体开关。

4.2.3 剩余电流断路器上电过程中，取样电阻R0A闪络击穿

在剩余电流规格档位选择的拨码开关焊脚与安装在PCB 下面的脱扣器线圈端子距离太近或碰到，上电过程有感应高电压，就会导致击穿该电阻。改进措施：将拨码开关的焊脚剪短，并喷涂三防漆加强绝缘，增大与脱扣器线圈端子之间的距离，增强线圈端子之间的电气绝缘，降低击穿风险。

4.2.4 剩余电流断路器合闸上电就跳闸故障

假设在空载情况还存在剩余电流断路器合闸上电就跳闸现象，其原因可能有以下两种：一是试验按钮是否顶死在“试验”位置；二是可控硅或MOS开关管是否被击穿。

造成MOS 管击穿的主要原因：一是瞬时过电压；二是长期的高湿度环境会导致MOS 管源极-漏极之间爬电短路（等同于MOS 管一直处于导通状态）。

改进措施：第一，选用高耐压的可控硅或MOS开关管；第二，在MOS 管源（S）极与漏（D）极之间的PCB 板上锣槽加强物理隔离。

快速判断MOS 管是否正常的方法如图2所示。

图2 快速判断MOS 管是否正常的方法

用数字万用表二极管档反向测量MOS 管2N80的D-S 两极（红色笔接S，黑色笔接D），万用表显示的读数为一个硅二极管的正向压降，读数约0.6V；若MOS 场效应管内部D-S 两极之间的寄生二极管击穿损坏，用二极管档测量时，万用表显示的读数接近于零。

用数字万用表二极管档正向测量MOS 管2N80的D-S 两极（红色笔接D，黑色笔接S），万用表量程开关调至二极管档，将2N80的G 极悬空，若是完好的管子，万用表显示为“OL”，即溢出；若管子有损坏，万用表显示有读数。

4.2.5 剩余电流脱扣器不动作或者脱扣力不足

脱扣器的脱扣力不足原因分析：第一，芯片输出给可控硅或MOS 管的触发电压会影响到半导体开关的开启角度，影响到脱扣驱动电流的大小从而影响脱扣力；第二，脱扣器的脱扣力与脱扣器线圈磁感应强度有关，磁感应强度大小由线圈的安匝数决定。因此，解决方案是将脱扣器线圈匝数增多或者增大线圈漆包线直径，降低线圈内阻，相应提高脱扣电流，达到增大安匝数的目的。

4.2.6 试验按钮模拟出现剩余故障电流测试不动作

试验按钮电路不动作的原因主要有以下两点：第一，试验按钮动作值与试验电流与磁环试验线圈匝数正相关，比如试验按钮电路总阻抗73kΩ，理论上在220V 时产生3mA 电流，在磁环试验线圈匝数为300匝时，模拟能达到900mA 的试验漏电流，假设磁环的试验圈数为200匝，模拟产生600mA 的漏电流值，因此这个是磁环试验线圈绕组匝数与线路板动作阈值的匹配问题。第二，电源PCB 板上的试验线圈接线端子焊接短路，导致没有试验电流经过试验线圈。

4.2.7 电源板出现炸（烧）元件

该故障说明线路板存在“短路”的严重问题。原因分析如下：第一，MOS 管损坏，一直处于导通状态，同时没有脱扣切断主电路，导致烧限流电阻；第二，电源板整流二极管耐压击穿或过电流损坏，引起整流电路短路，导致烧限流电阻；第三，PCB线路走线之间绝缘击穿或者线路板PCB 插件之间存在短路；第四，压敏电阻击穿后造成的压敏电阻内部短路点，导致烧限流电阻。

改进措施：一是加强PCB 绝缘防短路设计与生产工艺，以防止MOS 管或整流二极管的击穿或过电流损坏；二是选择正规名牌厂家的元器件。

综上所述，RCD 的适用类型选择取决于其在不同直流分量和频率下的功能表现，应从不同负载可能出现漏电流的性质来选择适当的RCD。

常见剩余电流检测与保护模块出现故障主要有以下原因：第一，出现剩余电流动作值超差的原因主要包括配置取样电阻的误差和零序互感器（磁环）的离散性误差。第二，漏电关闭功能失效可能由焊接问题或可控硅（MOS 管）损坏导致。第三，断路器合闸上电就跳闸的情况与试验按钮位置、可控硅或MOS 开关管的击穿有关。第四，剩余电流脱扣器不动作或力不足可能源自信号线路问题、芯片的工作电源不稳定或可控硅（MOS 管）触发导通角问题。第五，试验按钮模拟出现剩余故障电流测试不动作可能是试验电流与磁环试验线圈匝数不匹配，或电源板上的试验线圈接线短路。第六，电源板炸（烧）元件的原因可能涉及MOS 管损坏、整流二极管击穿、线路绝缘问题或压敏电阻内部短路。

通过本文的分析与改进措施，能提高剩余电流保护器的产品性能，保障生产、生活中的用电安全，具有重要的经济效益和社会效益。