電子式剩余電流斷路器與電磁式剩余電流斷路器對比分析簡版

1、電磁式剩余電流斷路器與電子式剩余電流斷路器對比分析1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)：跟據(jù)IEC61008或IEC61009標(biāo)準(zhǔn)將剩余電流斷路器分為脫扣與電源電壓無關(guān)的剩余電流斷路器和脫扣與電源電壓有關(guān)的剩余電流斷路器，前者為電磁式，后者為電子式。1.1 電磁式剩余電流斷路器:脫扣與電源電壓無關(guān)的電磁式剩余電流斷路器基本原理如圖1所示,圖1電磁式剩余電流斷路器基本原理對于電磁式剩余電流斷路器的脫扣器A是“永磁平衡式電磁脫扣器”，脫扣器的工作原理如圖示，當(dāng)零序互感器二次線圈沒有檢測出剩余故障電流時，磁場力矩與彈簧力矩相等，脫扣器處于靜a:無剩余故障電流b:存在剩余故障電流圖2永磁平衡式電磁脫扣器的工作原理止?fàn)顟B(tài)（圖2

2、a）;當(dāng)零序互感器二次線圈檢測岀剩余故障電流時，電流產(chǎn)生的電磁力矩抵消原磁場力矩，彈簧力矩大于磁場力矩使脫扣器動作，繼而驅(qū)動開關(guān)機(jī)構(gòu)分?jǐn)嚯娐罚▓D2b）。由于脫扣器與電源之間不存在電的連接，所以電磁式剩余電流斷路器保護(hù)動作與電源電壓無關(guān)，其動作能量直 接來自零序互感器的二次感應(yīng)電流和斷路器閉合時儲存的機(jī)械能。1.2 電子式剩余電流斷路器:脫扣器與電源電壓有關(guān)的電子式剩余電流斷路器基本原理和相應(yīng)電子線路原理如圖3、圖4所示。pI1111I- M - - - 胎換骨圖3電子式剩余電流斷路器基本原理圖4.電子線路原理圖電子式剩余電流斷路器的脫扣器為“電壓分勵脫扣器”，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生接地故障時，零序互感器檢

3、岀的剩余電流經(jīng)電子放大器放大后驅(qū)動電壓分勵脫扣器動作，并推動開關(guān)機(jī)構(gòu)分?jǐn)嚯娐?。圖5所示了電磁式剩余電流斷路器和電子式剩余電流斷路器兩類產(chǎn)品工作原理的區(qū)別，從中可以看岀：電 子式剩余電流斷路器與前者最大的差異是電子放大器和分勵脫扣器工作及驅(qū)動均需用系統(tǒng)電源支暢w i swu Ii m械抗構(gòu)rh磁式 D |411十丨T |十- I M II電干式匚匚卜衛(wèi)1 1 1 '電對申狐圖5.電磁式與電子式剩余電流斷路器工作原理區(qū)別電子式剩余電流斷路器由于電子放大器的作用，使內(nèi)部的零序互感器二次感應(yīng)電流僅可為一電壓或電流信號，對其能量并無特殊要求，同時也使脫扣器的設(shè)計大為簡單，在今天的微電子時代，此類

4、產(chǎn)品的材料成本和生產(chǎn)成本均較低，這也是在我國得以大量使用的主要原因。2 兩類剩余電流斷路器產(chǎn)品的可靠性分析2.1 當(dāng)電源系統(tǒng)異常時電磁式與電子式剩余電流斷路器保護(hù)功能的可靠性由于電磁式與電子式剩余電流路器最大的差異是保護(hù)動作是否需要系統(tǒng)電源支持，這就決定 了不需要系統(tǒng)電源支持的電磁式剩余電流斷路器在下述常見的電源系統(tǒng)異常時，仍可以對接地故障 提供可靠保護(hù)；電子式剩余電流斷路器此時則因缺少有效的工作電壓不能可靠地對接地故障進(jìn)行保 護(hù)。2.1.1 系統(tǒng)電源發(fā)生局部N線斷裂故障常用的單相或四極電子式剩余電流斷路器的電子放大器和分勵脫扣器的電源通常取自系統(tǒng)某一相 線和N線，這就會造成系統(tǒng)岀現(xiàn)上述故障時

5、產(chǎn)品不能正常進(jìn)行接故障保護(hù)。由于此時電源相線對 地電壓仍為危險電壓，所以剩余電流斷路器所保護(hù)的區(qū)域仍有發(fā)生直接或間接觸電故障、接地故障 引起的火災(zāi)的隱患。2.1.2 系統(tǒng)電源發(fā)生局部斷相故障對于安裝在三相配電系統(tǒng)的多級電子式剩余電流斷路器，如果斷相故障發(fā)自剩余電流斷路器的供 電相線，其接地保護(hù)功能也將失效，此時來自其它兩相的接地故障不能由剩余電流斷路器進(jìn)行保護(hù) 性分?jǐn)?.1.3 由于供電相線發(fā)生接地故障，使相線對N 線電壓低于剩余電流斷路器工作電壓當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生上述故障時，電子式剩余電流斷路器不能進(jìn)行保護(hù)性分?jǐn)?，雖然根據(jù)我國標(biāo)準(zhǔn)要求此時相線對N線的電壓已低于 50V，但如果安裝在同相中其它保護(hù)設(shè)備

6、不能及時分?jǐn)喙收想娐穼?成后續(xù)兩個危險隱患：局部 PE 線電位升高，增加沒有進(jìn)行等電位聯(lián)接的地方發(fā)生觸電故障的危 險；由于接地故障電流的持續(xù)作用造成火災(zāi)。2.2 電磁式與電子式剩余電流斷路器自身工作的可靠性電磁式與電子式剩余電流斷路器自身工作的可靠性主要應(yīng)從以下幾方面加以分析：2.2.1 工作溫度對可靠性的影響剩余電流斷路器使用的工作溫度主要來自環(huán)境溫度、工作中流過導(dǎo)線的負(fù)荷電流產(chǎn)生的溫度和 內(nèi)部元件工作發(fā)熱產(chǎn)生的溫度三部分。電磁式剩余電流斷路器使用的永磁平衡式電磁脫扣器極限工作溫度通常在1200C 左右，且自身在沒有剩余電流作用時不發(fā)熱。因?qū)嶋H使用中環(huán)境溫度和工作中流過導(dǎo)線的負(fù)荷電流產(chǎn)生

7、的溫度， 使電磁脫扣器的工作溫度一般不會高于85°C，所以電磁脫扣器不會岀現(xiàn)退磁拒動等影響工作可靠性的故障。電子式剩余電流斷路器中的電子放大器，在系統(tǒng)電源接通后，電子元件一直處于工作狀態(tài)，因此對于電子式剩余電流斷路器電子元件的工作溫度，與電磁式剩余電流斷路器相比，除環(huán)境溫度和工作中流過導(dǎo)線的負(fù)荷電流產(chǎn)生的溫度外，還有內(nèi)部電子元件工作發(fā)熱產(chǎn)生的溫度，其工作條件更 要嚴(yán)酷。有資料顯示：集成電路器芯片、可控硅等電子元件在850C 環(huán)境下工作時，老化失效率要比在40°C的環(huán)境下高岀5-6倍，由于電子放大器中的多種電子元件同時工作，因此同在850C內(nèi)部工作溫度下，電子式剩余電流斷路器

8、的失效率是電磁式剩余電流斷路器的160倍。2.2.2 工頻過電壓與暫態(tài)過電壓對可靠性的影響：因為多種因素，特別是供電條件較差的地區(qū)，配電系統(tǒng)的電源電壓常岀現(xiàn)較大波動或產(chǎn)生工頻過電壓，使剩余電流斷路器的工作電壓高于標(biāo)準(zhǔn)的工作電壓范圍。對于電磁式產(chǎn)品，因與電網(wǎng)電壓 無關(guān)，所以工頻過電壓不會影響其工作的可靠性；但對于電子式產(chǎn)品，工頻過電壓會使電子元件的工作電壓升高加速老化或一些壓敏元件損壞，降低 其運行可靠性。大氣過電壓和系統(tǒng)的操作過電壓等暫態(tài)過電壓，對于剩余電流斷路器運行可靠性的影響可從兩 個方面分析：相線對 PE 線的電涌電流作用于剩余電流斷路器電涌電流通過零序互感器形成暫態(tài)剩余電流，由于持續(xù)時

9、間短，能量較小對于電磁式產(chǎn)品的運 行可靠性影響不大；但對于電子式產(chǎn)品有可能使集成芯片發(fā)生觸發(fā)翻轉(zhuǎn)進(jìn)行功能性動作，從而降 低運行的可靠性。直接通過電源作用于剩余電流斷路器：由于電磁式剩余電流斷路器與電源系統(tǒng)沒有直接聯(lián)系，因此不會影響其運行可靠性；對于電子 式剩余電流斷路器可能通過電子放大器工作電源端進(jìn)入電子放大器，造成壓敏元件或其它元件損 環(huán)。同時有可能直接觸發(fā)可控硅等執(zhí)行元件，使分勵脫扣器動作分?jǐn)嘞到y(tǒng)，影響運行可靠性。2.2.3 系統(tǒng)諧波及電磁干擾對可靠性的影響：眾所周知，對于電子產(chǎn)品防止由于諧波和電磁干擾引起的高頻振蕩是較為困難的，對于電子式剩 余電流斷路器系統(tǒng)諧波及電磁干擾可導(dǎo)致產(chǎn)品誤動作

10、繼而影響運行的可靠性，雖然根據(jù) IEC 有關(guān)標(biāo) 準(zhǔn)，電子式剩余電流斷路器進(jìn)行了各類防電磁干擾的電磁兼容設(shè)計，并通過相應(yīng)的試驗驗證，但要 徹底消除對其影響是很困難的，在這方面電磁式產(chǎn)品更有優(yōu)勢。2.3 產(chǎn)生過程及工藝對可靠性的影響：2.3.1 電磁式剩余電流斷路器生產(chǎn)工藝電磁式剩余電流斷路器保護(hù)動作的能量僅來自剩余電流，其能量值僅80-350 jVA，所以電磁式剩余電流斷路器對“永磁平衡式電磁脫扣器”及零序互感器對選材、設(shè)計和加工要求較高。以“永磁 平衡式電磁脫扣器”生產(chǎn)為例：對于鐵磁材料處理、動靜鐵芯極面加工、線圈繞制及接頭焊接、脫 扣器組裝等環(huán)節(jié)均要求有較強的加工手段和工藝控制，所以ABB

11、公司在以生產(chǎn)手表和精密儀表而著稱的瑞士設(shè)有一家專業(yè)生產(chǎn)廠 ABB CMC 公司， ABB CMC 公司從 20 世紀(jì) 60年代初即開始生產(chǎn)“永磁平衡式電磁脫扣器”，經(jīng)過 40年的不斷創(chuàng)新，目前脫扣器的動作能量僅需25 RA，全部生產(chǎn)過程均在超凈車間內(nèi)完成，脫扣器經(jīng)自動生產(chǎn)線生產(chǎn)并經(jīng)100%的檢驗測試。 ABB 公司各系列電磁式剩余電流保護(hù)裝置中“永磁平衡式電磁脫扣器”均來自瑞士ABB CMC 專業(yè)產(chǎn)生廠。除上述部件生產(chǎn)精度要求外，剩余電流斷路器的組裝調(diào)試工藝也將影響產(chǎn)品的可靠性，目前ABB 公司采用的是機(jī)械和電磁雙調(diào)節(jié)的調(diào)試工藝，在專用調(diào)試設(shè)備進(jìn)行在線通電調(diào)試，保證每臺剩 余電流斷路器的保護(hù)特

12、性符合標(biāo)準(zhǔn)要求。電磁式剩余電流斷路器雖加工調(diào)試工藝復(fù)雜，但在上述環(huán)節(jié)得到有較控制后，可使產(chǎn)品在實 際使用和保護(hù)功能的可靠性得到保證。2.3.2 電子式剩余電流斷路器生產(chǎn)工藝電子式剩余電流斷路器的生產(chǎn)調(diào)試工藝從原理上較電磁式剩余電流斷路器簡單，但負(fù)責(zé)任的生產(chǎn) 廠為提高電子型產(chǎn)品自身可靠性，從設(shè)計、選材、制造、老化篩選、儲運等各環(huán)節(jié)進(jìn)行了大量的工 作和有效的質(zhì)量控制。以 ABB 公司電子型剩余電流斷路器生產(chǎn)為例， ABB 公司為克服各類來自電 源系統(tǒng)電污染對工作可靠性的影響，投資設(shè)計開發(fā)了專用芯片及相關(guān)電子線路設(shè)計。為減小由于元 件老化失效對可靠性影響，在關(guān)鍵元件進(jìn)廠時即采取了電沖擊及高溫除塵等控制工序，電子線路板 在自動生產(chǎn)線上組裝完成后，逐臺進(jìn)行性能測試和通電老化篩選。在剩余電流斷路器完成組裝后仍 需對每產(chǎn)品進(jìn)行性能測試，保證每臺剩余電流斷路器的保護(hù)特性符合標(biāo)準(zhǔn)要求。經(jīng)過上述一系列的努力，電子式剩余電流斷路器的可靠性得以大幅度的提高，但電子式剩余電流 斷路器的綜合可靠性是無法與電磁式剩余電流斷路器相比。3 結(jié)論前面的分析可清楚地看出，電子式剩余電流斷路器無論是從產(chǎn)品本身的可靠性，還是從產(chǎn)品與電 源系統(tǒng)供電配合的可靠性等方面均不能達(dá)到令人滿意的結(jié)果。正因如此，德國等國家在終端配電系 統(tǒng)中只允許使用保護(hù)動作與電壓無關(guān)的電磁式剩余電流斷路器。我國一