剩余电流动作保护电器的工作原理优化：

剩余电流保护电器是指能同时完成检测剩余电流，将剩余电流与基准值相比较，以及当剩余电流超过基准值时，断开被保护电器或输出机械触头开闭信号或发出报警信号的装置。剩余电流保护电器一般由检测元件（剩余电流互感器）、判别元件（剩余电流脱扣器）、执行元件（机械开关电器或报警装置）、试验装置和电子信号放大器（仅电子式剩余电流保护电器有）等部分组成。检测元件用来检测线路中的剩余电流，判别元件（剩余电流脱扣器）把检测到的剩余电流与预定值相比较，当剩余电流达到或超过预定值时，发出一个脱扣信号，使执行元件断开电路或驱动报警装置发出报警信号。

1.基本工作原理

剩余电流保护电器的工作原理如图12-5所示。

剩余电流是通过剩余电流保护电器主回路的电流瞬时值矢量和的有效值，一般采用剩余电流互感器来检测电路中的剩余电流。主回路的带电导体穿过剩余电流互感器，构成互感器的一次回路导体，二次回路绕组的导体缠绕在互感器的铁心上。

图12-5 剩余电流保护电器的工作原理

A—判别元件（剩余电流脱扣器） B—执行元件（开关装置） CT—检测元件（剩余电流互感器） E—电子信号放大器 R_A—负载保护接地电阻 R_B—电源接地电阻 T—试验装置

注：电磁式剩余电流保护电器没有电子信号放大器（E）

在正常情况下，剩余电流保护电器所控制的电路中没有发生触电、漏电或接地故障时，此时通过电流互感器一次回路的电流相量和等于零，即

则电流、、和在电流互感器铁心中产生的磁通的相量和也为零，即

这样在电流互感器的二次绕组中没有感应电压输出，因此剩余电流保护电器保持正常供电。

当电路中发生设备漏电、有人触电等接地故障时，通过设备接地电阻R_A有一个接地电流I₀流过，则通过互感器电流的相量和不等于零，为

剩余电流互感器铁心中产生的磁通相量和也不等于零，即：

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这样互感器二次回路就有一个感应电压输出，此电压直接或通过一个电子信号放大器施加在剩余电流脱扣器的脱扣线圈上产生一个工作电流。二次回路的感应电压输出随着故障电流的增大而增大，当接地故障电流达到额定值时，脱扣线圈中的电流足以推动脱扣机构动作，使主开关断开电路或使报警装置发出报警信号。

2.电子式和电磁式剩余电流保护电器的工作原理

剩余电流保护电器根据其动作方式可以分为电子式和电磁式两种。

当被保护电气线路发生接地故障时，剩余电流互感器二次回路会输出一个感应信号，该输出信号的功率比较小，一般小于1mVA。如要将该信号直接推动剩余电流脱扣器动作，需要脱扣器具有很高的动作灵敏度。一般可以采用释放式脱扣器，其动作灵敏度可达微伏安级。但这种剩余电流脱扣器结构复杂，工艺要求较高，成本也较高。互感器二次回路的输出信号也可以通过一个电子放大器放大后施加到脱扣器上，这种情况下，对脱扣器的灵敏度要求较低，可采用拍合式或螺线管式电磁铁，结构简单，工艺要求较低，成本也较低。前者在执行剩余电流保护功能时不需要工作电源，称为动作功能与电源电压无关的剩余电流保护电器（也称为电磁式剩余电流保护电器），后者称为动作功能与电源电压有关的剩余电流保护电器（也称电子式剩余电流保护电器）。电磁式与电子式剩余电流保护电器的原理电路如图12-6所示。

3.带接地故障保护断路器的检测原理

近几年在市场上出现了具有接地故障保护功能的断路器，这实际上也是一种剩余电流保护电器。接地故障电流在理论上也是剩余电流，即也是通过主回路的电流瞬时值的相量和。因为接地故障电流在检测方式、动作电流值和使用场合与12.2.1.1节所述的剩余电流保护电器不一样，因此习惯上将前者称为接地故障电流，后者称为剩余电流。12.2.1.1节所述的剩余电流保护电器的剩余动作电流一般小于等于30A，本节所述的带接地故障保护断路器的接地故障动作电流一般大于30A，大容量的塑料外壳式断路器或万能式断路器的接地故障动作电流可达几百安或上千安。

随着电子技术的发展，采用电子脱扣器的断路器（以下称为电子式断路器）已逐渐普及。电子式断路器一般均可派生为带接地故障保护的断路器。电子式断路器不是采用剩余电流互感器检测，而是直接采用电流互感器检测每相的电流信号，然后采用软件通过微处理器来进行相量运算，从而计算电路中的接地故障电流。图12-7为电子式断路器的原理框图，CT₁、CT₂和CT₃是每相的电流信号检测互感器，CT₁、CT₂和CT₃检测的电流信号经整流和放大后送入微处理器保护控制单元进行矢量运算，如计算结果存在接地故障电流并且等于或大于动作设定值，则通过脱扣执行元件使断路器脱扣。

图12-6 电磁式与电子式剩余电流保护电器的原理电路

a）电磁式剩余电流保护电器 b）电子式剩余电流保护电器

1—检测装置 2—脱扣器 3—分断弹簧 4—主开关 5—电子放大器 6—电子放大器输入 7—电子放大器输出 8—电子放大器电源输入

图12-7 电子式断路器原理框图电路

电子式断路器的电流互感器主要用来检测主电路的过载电流和短路电流，检测电流的范围从几十安至几万安，其铁心材料通常采用带气隙的硅钢片，以增加测量范围的线性度，或采用空心互感器来测量（例如万能式断路器的电流检测互感器）。因此，相比剩余电流互感器，断路器的电流互感器的检测灵敏度较低。此外，由于制造工艺和材料的限制，各相电流互感器不可能完全对称，并有一定的测量误差，导致互感器的测量信号在微处理器中合成相量有较大的误差，根据断路器额定电流的大小，该误差可达几安至几十安，因此检测灵敏度要求较高的剩余电流保护电器不能采用这种方式检测。电子式断路器的接地故障动作电流的整定值为断路器额定电流的20%～100%，约为几十安至几千安，对上述的误差可忽略不计。

由于直接采用各相的电流互感器检测，并由微处理器计算接地故障电流，电子式断路器几乎不需增加任何硬件即可派生成带接地故障保护的断路器，大大降低了成本，因此新一代电子式断路器一般均具有接地保护功能。