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低压配电系统中漏电保护分析

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现代社会电与人们的生活息息相关,我们的电视机、空调、手机、电灯等各种各样的电器都需要电来工作。电在给我们带来极大便利的同时,也要注意它可能存在的安全隐患,比如漏电。

当漏电发生时,泄露的电流在流入大地的过程中,如果遇到电阻较大的部位时,会产生局部高温,导致附近的可燃物着火,引起火灾,此外在漏电处产生漏电火花,同样也会引起火灾。如果泄露的电流经过人体,就会对人体造成伤害。人触电时,受伤害的程度与通过人身的电流大小、时间、频率等因素有关。试验证明:人触电时,引起心室颤动不仅与通过人体的电流有关,还与电流的持续时间有关,若电击能量超过50mA*s,人就有生命危险。意味着50mA的电流通过人体只要持续1秒钟的时间就可能导致人的死亡。

因而为了防止漏电对生命财产造成危害,在低压配电系统中必须加装漏电保护装置。那么该如何选择漏电保护装置呢?

漏电保护装置又被称为剩余电流保护器,我国剩余电流保护器(RCD)指导性标准GB/Z 6829《剩余电流动作保护器的一般要求》从产品的基本结构、剩余电流类型和脱扣方式等方面做了分类,为各类剩余电流保护产品标准的制定提供了依据。GB 22794-2008《家用和类似用途的不带和带过电流保护的B/F型剩余电流动作短路器》补充了交流配电系统中高频剩余电流和平滑直流剩余电流的产品概念和试验方法。根据剩余电流类型分为AC、A、B型等不同剩余电流动作保护器,对应的检测波形如下图所示。

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AC型能够检测交流剩余电流并动作,目前国内普遍采用这种类型的剩余电流保护器;A型在AC型的基础上增加了脉动直流剩余电流的检测;B型在A型的基础上又增加了对直流剩余电流的检测。

表面上看,现代社会采用交流供电系统,似乎AC型剩余电流保护器已经足够,但事实并非如此。下面我们来分析几个住宅和公共建筑中常见的用电设备电路原理图,看看会产生哪些类型的剩余电流。

目前普遍比较认同的节能灯(如图2所示),其电源工作原理是把交流220V电压经过整流滤波,得到300V左右的直流电压,然后通过一个简单的DC升压电路,转换成灯管所需要的较高电压。

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在家电中空调、冰箱、洗衣机,为了节能环保,提高效率,大多采用变频控制,有的甚至采用直流无刷电机。变频控制基本原理如下图所示。

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可以看到,这些电子设备可能会产生的剩余电流类型非常复杂,不仅包括工频交流,也有可能存在电动机频率和变频器的斩波时钟频率的剩余电流,在电路整流部分,也会产生脉动直流剩余电流和平滑直流剩余电流。然而现有的漏电保护器无法对这些类型的漏电流进行可靠保护。以A型剩余电流保护器为例,如下图5所示为一种以VG54123为核心的A型剩余电流保护器控制原理图。

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当受保护的电路出现漏电流时,在互感器的二次绕组中产生感应电流,转换成电压信号后输入芯片放大,送至闩锁电路。当漏电流大于动作电流时,放大后的信号大,闩锁电路输出高电平,触发晶闸管导通,使整流桥上下联通,220V交流电压加的线圈两端,产生电磁吸合力,完成分断。检测漏电流的互感器使用零序互感器,磁芯一般采用坡莫合金,能够在二次侧产生脉动直流故障电流引起的感应电流。

显然,剩余电流保护器正常分断的关键在于互感器的二次绕组产生相应的感应电流。我们都知道,互感器是基于法拉第电磁感应定律,磁通量变化在导体上产生电动势,而对于平滑直流剩余电流,其产生的磁通量是恒定的,普通互感器并不能在二次侧产生连续的感应电流。而且当交流剩余电流叠加平滑直流时,平滑直流会导致磁芯预先磁化,使脱扣值增大,在主回路上的剩余电流达到阈值时,保护器不会动作,带来重大安全隐患!

综上所述,在各种电子调谐、变频、电子照明、光伏等技术走进人们生活的大背景下A型和AC型剩余电流保护器显然不能满足对人们生命财产的保护需求,根据GB 22794-2008《家用和类似用途的不带和带过电流保护的B/F型剩余电流动作短路器》中的要求,B型剩余电流装置,如A型那样确保脱扣,此外,还能在下列电流下确保脱扣:1000Hz及以下的正弦交流剩余电流;交流剩余电流叠加平滑直流剩余电流;脉动直流剩余电流叠加平滑直流剩余电流;两相或多相整流电路产生的脉动直流剩余电流;平滑直流剩余电流。显然,B型剩余电流保护器最符合目前的保护需求。

由此可见,剩余电流保护器产品向B型的更新换代工作已经摆在工程设计人员面前。

Magtron基于iFluxgate技术的SoC芯片整体方案,为B型漏电保护进行了数字化集成,为RCCB从传统的AC型/A型向B型的技术升级,提供了一套高性价比的B型漏电解决方案,为家庭人身财产安全提供了更好的保障。

Magtron是All Programamble PGA Sensor、磁电传感SoC的全球领先企业,致力于实现新一代更智能的、高功率密度和差异化的磁电传感系统方案。在整个行业向工业物联网和传感智能化的大趋势推动下,Magtron的创新技术Quadcore,RCMU,iShunt等创新技术使得磁电传感,特别是电流传感器应用既高度集成易用,同时实现高功率密度化,也首次实现传感器高速软件化。

如果您想获取更多关于Magtron的电流传感器、漏电流传感器系列产品信息。

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【参考文献】

[1] GB 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(B型RCCB和B型RCBO).

[2] 胡宏宇.剩余电流保护器产品选用分析.建筑电气,2016年第七期.

[3] 蔡明雄.家庭住宅采用直流供电的分析报告.广东水利电力职业技术学报,2017年12月.

[4] 李勇献,冯平,张保同.基于VG54123的正泰NL18型漏电断路器电路分析及调整.电工技术,2009第9期.

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