防止浪涌误跳闸剩余电流动作断路器的分析与探讨

邵江华, 李罗斌, 朱 俊

(浙江正泰电器股份有限公司,浙江 温州 325000)

0 引 言

浪涌是一种突发性瞬态电压或者电流脉冲,在供配电系统中产生的浪涌主要分为外部和内部,外部指雷电引起的浪涌,内部指电气设备启停或电气故障引起的浪涌。雷电引起的浪涌是指云层和地之间的雷击放电,由一次或者若干次单独的闪电组成,每次闪电都携带若干幅值很高、持续时间很短的电流。一个典型的雷电放电将包括二次或者三次闪电,每次闪电之间大约相隔1/20秒的时间,大多数闪电电流高达数十甚至数百千安的电流,从而引起巨大的电磁效应、机械效应和热效应。供配电内部引起的浪涌是指电源接通、断开瞬间,电气设备故障引起的浪涌,此类电压或者电流的脉冲宽度甚至可以短到纳秒数量级[1]。比如当电源上电瞬间,由于加在滤波电容上的瞬态电压很大,将引起很大的浪涌电流,这些滤波电容(包括外部电容和寄生电容)的作用相当于一根短路线,产生上升很快的瞬时浪涌电流,浪涌电流的尖峰可能比稳态电流大几十或者几百倍[2]。当浪涌电流流过RCBO时可能会导致跳闸停电,极端情况下可能会使RCBO损坏影响用电安全,GB/T 16917.1《2014家用和类似用途的带过电流保护的剩余电流动作断路器(RCBO)第1部分:一般规则》仅规定3 000 A浪涌电流下RCBO的性能,当3 000 A浪涌电流施加在普通非延时型RCBO上允许跳闸,试后仅验证IΔn下的性能,延时型RCBO规定3 000 A浪涌电流下不允许跳闸。随着社会的发展,新型电力系统中大量的用电设备中有电子元器件接入,一些用电场合3 000 A浪涌要求已不能满足用户用电需求,为提升用户用电体验及用电安全,防浪涌误脱扣RCBO具有广阔的市场前景。当系统中产生浪涌电流时,通过电涌保护器(SPD)模块将浪涌电流吸收或者引入大地。

1 电力系统中浪涌电流产生的原因

图1 同电源电路中负载发生变化浪涌等效模型及波形

图2 电路中电源发生变化浪涌等效模型及波形

图3 容性负载接通时浪涌等效模型及波形

目前电力系统内部产生浪涌电流的主要原因是,随着人们生活水平的提高,大功率电器、电源设备、充电桩等接入供配电系统,还有在一些通信基站,使用了大量的电子设备,其中的用电设备都采用开关电源。开关电源为满足抗电磁干扰(EMI)要求,设计的滤波电路中使用了大容量的滤波电容,这些容性器件是产生浪涌电流的主要原因。滤波电容一般为电解电容,其等效电阻很小,所以会导致在上电瞬间产生很大的充电瞬时脉冲电流,持续时间主要受电容大小的影响。待电容充电完成后,电流才会逐渐减小并趋于稳定。

浪涌产生的外部原因多为雷电对线路的影响,例如雷击与雷电电荷感应等,雷击引起的浪涌往往是微秒量级的。雷击主要分为直接雷击与间接雷击,在具有RCBO的电力系统主要是指间接雷击。在间接雷击中,RCBO感应的浪涌有时能达几千安培或者十几千安培。在一些特殊电力系统中,比如基站、医院等不能因浪涌电流导致停电,另外在新能源充电系统中以及一些机房,也极易产生大的浪涌电流,为保障系统的电力稳定及用户的用电体验,防浪涌误跳闸RCBO具有很大的市场前景。

2 剩余电流动作断路器防浪涌应用

在传统的剩余电流动作断路器产品中,主要的防浪涌器件有串联电阻、串联压敏电阻及并联ESD器件。ESD器件主要分为瞬态二极管(TVS)、ESD MOS管以及可控硅整流器(SCR)。

在RCBO电子组件板前端串联电阻,采用此方案可增大电子组件板输入端的串联阻抗,从而减小上电瞬间产生的电容充电电流,防止浪涌电流的升高导致RCBO误脱扣,但该方案的问题在于串联电阻一直接入用电回路,影响电子组件板正常工作时的功率损耗,这种功耗会一直存在。

在RCBO电子组件板前端电路中并联非线性伏安特性的压敏电阻。压敏电阻防浪涌原理图如图4所示。当加在压敏电阻两端的电压低于其阈值电压时,流过它的电流极小,此时压敏电阻相当于1个阻值无穷大的电阻,等效于1个断开的开关;当加在压敏电阻两端的电压高于其阈值电压时,流过它的电流激增,此时压敏电阻相当于1个无穷小的电阻,等效于1个闭合的开关,浪涌电流流过压敏电阻回路。因此压敏电阻可以将电子组件板的输入电压钳位在一个相对固定的电压值,从而减小浪涌电流对后级电路的损害,防止RCBO误脱扣。一般情况下,压敏电阻的体积随其阈值电压的提高而增大,价格也相应增加,在小型剩余电流动作断路器中因产品体积空间限制,所使用的压敏电阻型号一般为10k471或者10k561,故其电压抑制能力有限。采用该方式的其他优点就是经济便宜。

图4 压敏电阻防浪涌原理图

在RCBO电子组件板前端并联TVS。TVS管防浪涌原理图如图5所示。TVS器件特性与稳压二极管类似,工作于反向偏置状态,不同的是TVS允许通过的反向电流较高。该方案将TVS并联于电路中,用以提供一个电流的额外通路,能够吸收瞬间大电流并钳位电压。电路正常工作状态下TVS为高阻态,静态功耗可忽略不计。当电路中出现幅度较大的浪涌电压时,TVS管反向导通,二极管由高阻态变为低阻态,将电压钳位在击穿电压附近以达到保护后端电路的效果。TVS管I-V特性曲线图如图6所示。UB为TVS管反向导通的开启电压,IT为开启电流,UC为TVS管的最大钳位电压,IPP为钳位时的最大反向电流。TVS管V-T、I-T特性曲线图如图7所示。在0时刻有浪涌电流时,TVS管两端电位上升至UB后导通,随着浪涌的持续,TVS管两端电位达到UC,此时电压不再上升,但电流仍在上升。当浪涌达到峰值后,逐渐消退,TVS管两端电压逐渐降至UB以下。目前国内许多电磁式RCBO已大量运用TVS管作为浪涌抑制元器件。

图5 TVS管防浪涌原理图

图6 TVS管I-V特性曲线图

图7 TVS管V-T、I-T特性曲线图

3 防止浪涌误跳闸RCBO原理

防止浪涌误跳闸RCBO原理框图如图8所示。通过零序互感器采集主回路中的漏电信号,在零序互感器二次回路输出端连接电压抑制电路,浪涌抑制元器件一般采用电阻、瞬态二极管,再连接采样电路。对漏电信号的采集而言,对采样的漏电电压信号进行整流,此处整流电路一般采用多倍压整流电路,目的是放大漏电信号。多倍压整流电路整流前后信号对比如图9所示。整流电路后端再连接限流电路/续流电路,此处还可以增加浪涌抑制器件用于浪涌的抑制,目的是进一步提高RCBO浪涌的能力,后端再连接驱动电路,驱动电路可以是比较放大电路,或者可控硅导通电路,脱扣器作为RCBO的执行单元,一般采用的是电磁式漏电脱扣器。

图8 防止浪涌误跳闸RCBO原理框图

图9 多倍压整流电路整流前后信号对比

基于防浪涌RCBO原理设计了一种电磁式RCBO,浪涌抑制元器件采用的是瞬态二极管。防浪涌误跳闸剩余电流动作断路器测试参数测量结果如表1所示。测试结果表明,该RCBO各项动作特征指标符合GB/T 16917.1《2014家用和类似用途的带过电流保护的剩余电流动作断路器(RCBO)第1部分:一般规则》标准要求,并大大提高了防浪涌误跳闸能力,最高可以达到17 kA不跳闸。

表1 防浪涌误跳闸剩余电流动作断路器测试参数测量结果

4 结 语

本文主要分析了浪涌电流产生的原因,介绍了在剩余电流动作断路器中防浪涌误跳闸的应用,以及防浪涌误跳闸的原理;并基于该原理设计了一种防止浪涌误跳闸的电磁式剩余电流动作断路器,在防浪涌能力方面具有出色的表现。随着社会的发展,大量的电子设备接入电力系统,防止浪涌误跳闸剩余电流动作断路器将具有广阔的应用前景。