电子式剩余电流保护电器电路设计

12.7.4.1 信号处理电路的设计

1.AC型电子式RCD信号处理电路设计

图12-40 释放式脱扣器衔铁上各作用力之间的关系

目前市场上电子式剩余电流保护电器的信号放大处理电路主要有三种型式：分立元件的信号放大电路、采用漏电专用集成块的模拟处理电路和采用微处理器的数字处理电路。分立元件的信号放大电路由于存在动作特性不稳定、抗电磁干扰性能差、可靠性差等问题，已较少使用。微处理器的数字处理电路，动作可靠稳定，而且可以方便地进行功能扩展，例如故障电流测量、数据存储、通信和显示等功能，但在一般的剩余电流保护电器中使用，成本相对偏高。因而，到目前为止，漏电专用模拟电路仍是电子式剩余电流保护电器最普遍使用的信号处理电路。典型的漏电专用模拟电路有三菱公司的M54123L、复旦VG54123和朗威LW54123等，由于其集成度高，可靠性好，经过二十几年的市场推广和运用达到了可靠稳定的性能，并主导了市场中的电子式剩余电流保护电器产品。图12-41为M54123（VG54123）的典型运用电路。U₁表示M54123L（VG54123）专用集成电路，其外围电路主要包括电源供电电路、信号采样电路和驱动输出电路三大部分。

（1）电源供电回路设计 电源回路主要对脱扣线圈L和模拟集成电路U₁供电，包括压敏电阻YM、整流桥VD₁-VD₄、限流电阻R₃和R₄、降压电阻R₆和滤波电容C₇等。交流电压输入通过限流电阻、脱扣线圈、整流桥和晶闸管（SCR）对脱扣线圈供电。限流电阻（R₃和R₄）限制了通过脱扣线圈电流和压敏电阻的泄放电流，一般选用几十欧姆及以下，过大会影响脱扣器线圈的正常工作。交流电压通过整流桥后，另一路经R₆降压后，对集成电路的8脚供电。M54123的最小工作电压在12V左右，供电电流最大在0.5mA左右，因此为确保交流电源电压在50～220V之间，集成电路均能工作，降压电阻选择不能大于120kΩ，C₇起滤波和稳压的功能，一般应选用大于等于1μF的电容器。压敏电阻主要是防止雷电感应过电压和操作过电压对电子器件的影响，其压敏电压一般可按下式估算：

U_p=K×1.1×1.41U_n （12-14）

式中 U_p——压敏电阻的压敏电压，单位：V；

K——安全系数，一般可取1.2-1.3；

U_n——交流电源额定电压，单位：V。

根据式（12-14）估算，交流电源电压为220V时，压敏电阻的压敏电压可取470V。如预期在电源电压波动较大的地区使用，压敏电压可适当增大，但压敏电压增大会降低保护的效果，因此应综合考虑。压敏电阻的通流容量不能小于3kA，因而压敏电阻的标称直径一般不能小于10mm。

图12-41 M54123L（VG54123）典型运用电路

（2）信号采样电路 信号采样电路如图12-42所示，由互感器二次回路，限压二极管VD_Z1、VD_Z2，电阻R₁、R₂，电容器C₁、C₂和C₃组成。当主电路剩余电流流过时，互感器的二次绕组侧就会产生感应电流，经过采样电阻R₁转换成电压信号，输入至M54123（U₁）的脚1和脚2。根据集成电路的特性不同，集成电路输入端的动作电压约为8～12mV，所以可通过调节R₁的阻值来调节R₁上的电压，从而调节剩余电流保护电器的动作电流。采样电阻R₁的计算方法可参阅12.7.4.2节。

VD_Z1和VD_Z2是用来抑制一次回路大的接地故障电流在二次回路中产生的冲击电压，防止过高的电压损坏集成电路，VD_Z1和VD_Z2可采用一般的硅二极管，其耐受电压大于二次回路可能产生的最大电压即可。R₂为保护电阻，限制进入集成电路的电流，电阻值一般为100Ω左右。C₁、C₂和C₃为滤波电容。C₁、C₂用来滤除信号中高频噪声，可采用100～200pF的电容。C₃为低频噪声滤流电容，可选用0.047μF的电容。

图12-42 信号采样电路

（3）驱动输出电路 驱动输出电路由交流电源，脱扣线圈L，晶闸管VT，浪涌电压吸收回路R₇、C₈，集成电路输出脚7和滤波电容C₆组成。集成电路的输入端脚1和脚2的输入电压达到规定值后，脚7输出一个高电平，使晶闸管VT导通，从而产生大电流驱动脱扣线圈带动铁心动作，使断路器分断实现剩余电流保护。VT的选择应考虑电路的额定工作电压和脱扣线圈的工作电流，一般对220V的工作电压，可选用VT的耐受电压为600V，额定电压为0.3～1A的晶闸管。滤波电容C₆应小于1μF，例如可选用0.47μF的电容，C₆过大会影响剩余电流保护电器的动作时间。浪涌吸收回路可防止VT免受浪涌电压的影响，同时可避免电路接通时，过高的dμ/dt引起晶闸管误动作，R₇的阻值一般为100Ω左右，C₈可选择用0.022μF电容。

2.A型电子式RCD信号处理电路设计

A型剩余电流不仅包含了交流AC剩余电流，还包含了脉动直流剩余电流。由于脉动直流剩余电流分为正负极性，一般在检测时会采用正负电源对采样信号进行处理。图12-43是在单极性电源条件下设计的A型剩余电流检测电路，通过运算放大器的放大、比较等电路完成了信号的处理。

（1）信号采样电路 图12-44为检测电路的信号采样部分，J1为零序电流互感器的信号输出端，通过连接采样电路和滤波电路后，接入运算放大器电路，将输入的正极性信号跟随，保持等比例不变，负极性的信号则翻转为正极性，大小仍保持等比例不变。这样即可实现在单极性电源下，A型漏电正负极性信号的检测与处理。

图12-43 A型剩余电流检测电路

图12-44 信号采样电路

（2）信号处理电路 图12-45为信号处理电路，主要还是由运算放大器电路搭建而成的，先将采样信号经过正向放大电路放大，而后通过比较电路与2.5V基准电压进行比较，当放大信号超过基准值时，比较电路会输出高电平，再经过后端RC电路，通过对电容充电时间的控制来完成输出的延时。其中R₀₁₂是放电电阻，若没有此电阻，则会使充满电荷的电容没有泄放回路，而导致再次上电时的误驱动。

（3）分档选择电路 图12-46是分档选择电路，其中JP1、JP2分别为动作电流及延时时间的分档调节，其中通过对采样电阻大小的变化，实现不同的动作电流设定，并通过对驱动信号的充电电容的变化来完成延时时间的分档选择。当动作电流设定为30mA，运算放大器AR1A正端的电平为R₉、R₁₀的分压，且小于负端的2.5V基准电平，此时运算放大器输出为低电平，而晶体管V₂处于截止状态，导致JP2的分档调节电容均处于悬空状态，不起作用，即实现了触电保护时延时自关断的功能。

（4）试验电路设计 图12-47是试验电路，主要由AR1D搭建的波形发生电路构成，通过在试验线圈内输入一个用以模拟故障电流的方波信号，来检验整个检测电路的正常工作状态。而试验电路的触发由S1来完成，当按下按钮时，引脚6接地，波形发生电路工作，形成电流信号输出至试验线圈，而同时引脚4断开，即JP1分档调节电阻接地线被断开，使得JP1调节电阻悬空，不起作用。即在按下试验按钮时，动作电流选择在30mA挡位，延时不起作用，即使延时设定较长，也不需长时间接通试验按钮来驱动脱扣，提高了电路的可靠性。

3.B型RCD信号处理电路设计

B型RCD也称为全电流敏感型RCD，包含了对于AC型以及A型剩余电流检测和平滑直流电流检测，平滑直流电流检测是难点。常用的非接触式测量方法有：基于霍尔传感器、磁控电阻器的互感器以及应用磁通门效应的铁心互感器。由于霍尔传感器及磁控电阻器容易受外部磁场干扰，且对于小电流的检测存在准确度差、稳定性弱等不足，故在剩余电流保护电器中很少应用。基于磁通门效应的检测方法则利用铁磁材料的非线性磁化曲线，通过交变的电磁激励，使得互感器输出信号中反映出环境磁场的大小，从而检测出直流分量。

图12-45 信号处理电路

图12-46 分挡选择电路

图12-47 试验电路

磁通门效应是一种普遍存在的电磁感应现象，当铁心磁导率随着励磁磁场强度变换时，二次绕组的感应电动势中就会出现随着环境磁场强度变化的偶次谐波分量，而且当铁心处于周期性饱和工作状态时，偶次谐波分量会显著增大。对于环境磁场，铁心的周期性过饱和状态就像是一道门，通过这道门，磁通量被调制，能检测出环境磁场，继而可以应用在我们平滑直流漏电的检测电路中。

（1）整体电路的设计 全电流敏感检测电路，不仅要实现各种故障电流的检测，同时还要完成不同检测电路间的集成，而这不同的检测电路主要分为平滑直流检测电路和A型剩余电流检测电路，若都采用电子式的设计方案能使两块不同原理的检测电路实现电源系统的一致性，对整个电路设计带来了便利，但A型检测与电源电压有关。本设计作为举例，采用A型检测与电源电压无关（即电磁式），而B型检测采用与电源电压有关的型式。电磁式A型剩余电流特性的检测方法已趋成熟，因此本节重点则是解决平滑直流剩余电流检测与两种电路系统的集成上，整体设计原理图如图12-48所示。

图12-48 整体设计(www.xing528.com)

（2）平滑直流检测电路 磁性元器件的磁化曲线的线性范围对检测准确度的影响是相当大的，为了增强检测准确度，需要对磁化曲线的线性进行补偿，利用互感器磁化曲线线性度的相关特点，比如直流传感器的小数值直流电流测量等，在结合了磁通门效应的理论模型，搭建由集成运算放大器构成的RL多谐振荡器，如图12-49所示。

稳压管VD₁、VD₂的作用是稳定运算放大器的输出高低电平；电阻R₄是用来限制VD₁、VD₂的电流；反馈回路的电感即零序电流互感器，其铁心的磁化曲线直接影响了运算放大器的输出方波特性。当铁心处于线性工作区域，即不饱和状态时，运算放大器的输出方波不能感应出环境磁场，而当铁心处于饱和工作区域时，通过剩余电流互感器电感量影响的反馈信号对于静磁场敏感，并将影响量体现在波形中，继而体现在运算放大器输出的方波波形上。

在RL多谐振荡电路模型上，通过对零序电流互感器一次侧中施加平滑直流进行试验，图12-50是运算放大器的方波输出对比波形，图中将不同环境磁场的输出波形进行了处理对比，其中方波波形1是没有施加静磁场时的运算放大器输出波形，而方波波形2是施加了静磁场时（约100mA直流时产生的直流磁场）的运放放大器输出波形。通过对比，我们可以明显地看出，方波2与方波1的占空比出现了变化，而这个变化量也正是受到了静磁场分量的影响。由于一次侧施加的平滑直流较小，图中的占空比变化不是很大，但随着互感器一次侧平滑直流输入量的增大，方波的占空比变化量也会变大，因此可以实现对于平滑直流即静磁场信号的采样。

图12-49 RL多谐振荡电路

图12-50 方波输出对比波形

解调电路的目的就是将方波的变化量提取出来进行后续的处理，主要由高阶低通滤波器构成，这与方波频率有着密切的关系。由不同的电流互感器电感量可对应输出不同频率的方波，用对应设计的低通滤波器进行解调，可将方波的占空比变化量转换成一个可供放大比较的电平信号。

（3）A型剩余电流检测电路 A型剩余电流检测还是采用电磁式的方法，其设计的难点就是剩余电流脱扣器和剩余电流互感器的选用。其中对于剩余电流脱扣器的要求即脱扣所需的能量要小，同时保证动作的可靠性、抗干扰性等。剩余电流互感器的选用则应重点考虑其能量的输出和检测的准确度，准确度体现在绕组匝数上，能量的输出则要充分考虑铁心材料的选用和铁心截面的尺寸。

因此，在整体设计时采用了两组铁心：一组铁心用于平滑直流检测的绕组，另一组铁心用于电磁式A型剩余电流检测。A型剩余电流互感器输出只需简单的二极管与电容组合的充电电路即可完成能量的积累和输出控制，但这对剩余电流脱扣器的动作电压值有较严格的要求，即需在二极管导通压降内完成动作，否则上述电路将不足以驱动脱扣。

（4）脱扣整合电路设计 脱扣整合电路作为剩余电流脱扣器前端，是驱动集成的主要电路，其作用不言而喻，由于平滑直流检测电路和电磁式A型剩余电流检测电路处于不同的互感器系统，两者的相对地电平不统一，在电路的整合上要注意。

图12-51是驱动整合电路，下面那部分电路为电磁式剩余电流检测所使用的简易能量转换电路，与脱扣线圈对接，即当出现A型剩余电流故障时，这部分电路会将互感器产生的采样电流转换为脱扣线圈工作所需的能量。在未发生直流故障时，上端的晶体管处于关断状态，电磁式电路的工作状态不会影响该部分电路的正常工作；而在发生直流故障时，输出控制电流使晶体管导通，继而电源直接加载到脱扣线圈两端，使其动作。两部分控制电路的输出信号互不干扰，即实现了脱扣的可靠整合。

图12-51 驱动整合电路

通过磁通门效应的有效利用，搭建了运用RL多谐振荡电路的检测电路，实现了平滑直流信号的采样，再通过后续的滤波解调电路等，实现了对于静磁场的检测，同时也着重处理了电磁式驱动信号与平滑直流检测电路的整合，达到了全电流检测的目的。

12.7.4.2 动作特性调节电路设计要点

电子式剩余电流保护电器一般通过改变采样电阻阻值和延时电路的电容量的方式来调整动作特性。图12-52为常用的可调动作特性的电子线路，S1为调节动作电流的拨动开关，S2为调节动作时间的拨动开关。

1.额定剩余动作电流I_Δn的调节电路

图12-52中M54133集成电路输入端口13和15的采样电阻R₁、R₂和R₃与开关S1组成动作电流调节电路。改变输入端口的并联电阻阻值，可调节剩余电流保护电器的动作电流值。如果额定剩余动作电流I_Δn的调节值为0.03A、0.10A和0.30A三挡，采样电阻值确定方法如下：

1）确定集成电路输入端的门电压（触发电压），对M54133为15mV左右；

2）估算采样电阻上的电流I₂，根据式（12-7），如忽略I₀（相对I₁和I₂，I₀较小），则N₁I₁≈N₂I₂，可得I₂=N₁I₁/N₂；

3）采样电阻值：RI₂=0.015V，即R=0.015N₂/N₁I₁，例如，N₁=1，N₂=1200，I_Δn=0.03A，R=600Ω；I_Δn=0.10A，R=180Ω；I_Δn=0.30A，R=60Ω。

所选用采样电阻大小，与额定剩余动作电流及二次回路的绕组匝数有关，动作电流越大，电阻值越小。但电阻值太小会影响电流调整的准确度。因此当额定剩余动作电流较大时，应适当增加二次回路绕组匝数N₂，以提升采样电阻的阻值。一般来讲，I_Δn为0.30A及以下时，互感器二次回路绕组匝数N₂可取500～1000匝；I_Δn为0.50A及以上时，此时剩余电流保护电器主回路的额定电流也较大，铁心内外径尺寸也较大，N₂可取1000～1500匝。如果I_Δn为10A及以上时，N₂还应增加。

4）采样电阻开路时，集成电路输入端口13和15没有输入，会导致装置不能动作。因此在设计时，调节开关不应采用切换电阻的方式，而是采用并联电阻的方式来改变采样电阻阻值，确保采样电路不会因开关接触不好而开路。如图12-52所示，最高灵敏度的采样电阻R₁（例如，上述的I_Δn=0.03A，R=600Ω），是固定连接的，然后通过调节开关S1关联R₂或R₃来改变采样电阻阻值，调节动作电流。即使调节开关S1开路，剩余电流保护电器仍能以最高灵敏度的动作电流脱扣。

图12-52 常用的可调动作特性的电子线路

2.动作时间的调节电路

图12-52中，M54133集成电路端口7的电阻R₁₃，电容C₄、C₁₈、C₁₉、C₂₀和拨动开关S₂组成动作时间调节电路。M54133是专门设计的具有内置延时电路的集成电路，通过调节端口7的电容值，可以调节延时时间。图中实例采用的C₄为0.01μF，C₁₈、C₁₉为0.68μF，C₂₀为3.3μF，R₁₃为360Ω，开关S₂在三个位置对应的延时时间分别为0.15s、0.3s、1.0s。同样，对M54133集成电路，端口7不能开路，因此调节开关也不能采用切换电容，而采用在C₄上增加并联电容的方式来改变电容值，以防止开关故障造成装置失效。

如采用其它电子电路时，调节电路的设计基本与上述相同。

12.7.4.3 电磁兼容设计

电磁兼容设计对电子式剩余电流保护电器至关重要，是确保电子式剩余电流保护电器在其电磁环境中能正常工作，并不对该环境中的任何事物构成不能承受的电磁骚扰能力的重要基础，剩余电流保护电器的产品标准要求其应能承受下列电磁兼容试验：

（1）电快速瞬变/脉冲群抗扰度试验（共模） 4kV或2kV（SRCD和PRCD，或对信号端口）；

（2）浪涌抗扰度试验 4～5kV（共模），4kV（差模）或2kV（差模，或对SRCD和PRCD）；

（3）射频电磁场辐射抗扰度试验 配电装置用剩余电流保护电器频率范围：80～1000MHz、1400～2000MHz，试验电平：10V/m；家用剩余电流保护电器频率范围：80～1000MHz，试验电平：3V/m；

（4）射频电磁场感应的传导骚扰抗扰度试验 频率范围：0.15～80MHz，试验电平：10V（对配电装置用剩余电流保护电器）、3V（对I_Δn≥30mA的家用剩余电流保护电器）或1V（对I_Δn＜30mA的家用剩余电流保护电器）；

（5）静电放电抗扰度试验 试验电平：8kV（空气放电和接触放电）或6kV（家用剩余电流保护电器的接触放电）；

（6）低于150kHz频率范围内的共模传导骚扰 试验等级2（I_Δn＜30mA）：2～20mA；试验等级3（I_Δn≥30mA）：6.6～66mA（本试验仅适用于家用剩余电流保护电器）；

（7）射频发射验证 应符合GB 4824—2004《工业、科学和医疗（ISM）射频设备电磁骚扰特性 限值和测量方法》中环境A（主要与低压非公用电网或工业电网场所/建筑有关，它包括有较高的骚扰源）和环境B（主要与低压公用电网有关，例如：民用、商用、轻工业场所/建筑和/或相应的使用环境，它不包括有较高骚扰源的场合，例如：弧焊机）规定的限值。对家用剩余电流保护电器应符合GB 4343.1—2003《电磁兼容 家用电器、电动工具和类似器具的要求 第1部分：发射》标准。

要达到上述要求，剩余电流保护电器在设计时必须进行电磁兼容设计。例如，采取相应的干扰抑制措施，印制电路板的电磁兼容设计，合适的布线、屏蔽与接地，电源滤波和静电防护等方式来提高剩余电流保护电器的抗干扰能力，减少产品本身的发射。电磁兼容设计是一个比较复杂而且随机性较强的问题，需要有相当的经验积累。具体可参考有关电磁兼容设计的专著对影响产品的干扰源、干扰传播途径及传播方式进行分析，并采取相应的措施及必要的试验验证，才能达到较好的设计效果。