电子式剩余电流断路器与电磁式剩余电流断路器对比分析简版

1、电磁式剩余电流断路器与电子式剩余电流断路器对比分析1 产品结构:跟据IEC61008或IEC61009标准,将剩余电流断路器分为脱扣与电源电压无关的剩余电流断路器和脱扣与电源电压有关的剩余电流断路器,前者为电磁式,后者为电子式。1.1 电磁式剩余电流断路器:脱扣与电源电压无关的电磁式剩余电流断路器基本原理如图1所示, 图1 电磁式剩余电流断路器基本原理对于电磁式剩余电流断路器的脱扣器A 是“永磁平衡式电磁脱扣器”,脱扣器的工作原理如图2所示,当零序互感器二次线圈没有检测出剩余故障电流时,磁场力矩与弹簧力矩相等,脱扣器处于静止状态(图2a ;当零序互感器二次线圈检测出剩余故障电流时,电流产生的电

2、磁力矩抵消原磁场力矩,弹簧力矩大于磁场力矩使脱扣器动作,继而驱动开关机构分断电路(图2b 。由于脱扣器与电源之间不存在电的连接,所以电磁式剩余电流断路器保护动作与电源电压无关,其动作能量直接来自零序互感器的二次感应电流和断路器闭合时储存的机械能。A 0286 a: 无剩余故障电流 b :存在剩余故障电流 图2 永磁平衡式电磁脱扣器的工作原理A 02861.2 电子式剩余电流断路器:脱扣器与电源电压有关的电子式剩余电流断路器基本原理和相应电子线路原理如图3、图4所示。胎换骨 图3 电子式剩余电流断路器基本原理 图4.电子线路原理图电子式剩余电流断路器的脱扣器为“电压分励脱扣器”,当系统发生接地故

3、障时,零序互感器检出的剩余电流经电子放大器放大后驱动电压分励脱扣器动作,并推动开关机构分断电路。图5所示了电磁式剩余电流断路器和电子式剩余电流断路器两类产品工作原理的区别,从中可以看出:电子式剩余电流断路器与前者最大的差异是电子放大器和分励脱扣器工作及驱动均需用系统电源支 持。图5.电磁式与电子式剩余电流断路器工作原理区别电子式剩余电流断路器由于电子放大器的作用,使内部的零序互感器二次感应电流仅可为一电压或电流信号,对其能量并无特殊要求,同时也使脱扣器的设计大为简单,在今天的微电子时代,此类产品的材料成本和生产成本均较低,这也是在我国得以大量使用的主要原因。2两类剩余电流断路器产品的可靠性分析

4、2.1当电源系统异常时电磁式与电子式剩余电流断路器保护功能的可靠性由于电磁式与电子式剩余电流路器最大的差异是保护动作是否需要系统电源支持,这就决定了不需要系统电源支持的电磁式剩余电流断路器在下述常见的电源系统异常时,仍可以对接地故障提供可靠保护;电子式剩余电流断路器此时则因缺少有效的工作电压不能可靠地对接地故障进行保护。2.1.1系统电源发生局部N线断裂故障常用的单相或四极电子式剩余电流断路器的电子放大器和分励脱扣器的电源通常取自系统某一相线和N线,这就会造成系统出现上述故障时产品不能正常进行接故障保护。由于此时电源相线对地电压仍为危险电压,所以剩余电流断路器所保护的区域仍有发生直接或间接触电

5、故障、接地故障引起的火灾的隐患。2.1.2系统电源发生局部断相故障对于安装在三相配电系统的多级电子式剩余电流断路器,如果断相故障发自剩余电流断路器的供电相线,其接地保护功能也将失效,此时来自其它两相的接地故障不能由剩余电流断路器进行保护性分断。2.1.3由于供电相线发生接地故障,使相线对N线电压低于剩余电流断路器工作电压当系统发生上述故障时,电子式剩余电流断路器不能进行保护性分断,虽然根据我国标准要求此时相线对N线的电压已低于50V,但如果安装在同相中其它保护设备不能及时分断故障电路将会造成后续两个危险隐患:局部PE线电位升高,增加没有进行等电位联接的地方发生触电故障的危险;由于接地故障电流的

6、持续作用造成火灾。2.2电磁式与电子式剩余电流断路器自身工作的可靠性电磁式与电子式剩余电流断路器自身工作的可靠性主要应从以下几方面加以分析:2.2.1工作温度对可靠性的影响剩余电流断路器使用的工作温度主要来自环境温度、工作中流过导线的负荷电流产生的温度和内部元件工作发热产生的温度三部分。电磁式剩余电流断路器使用的永磁平衡式电磁脱扣器极限工作温度通常在1200C左右,且自身在没有剩余电流作用时不发热。因实际使用中环境温度和工作中流过导线的负荷电流产生的温度,使电磁脱扣器的工作温度一般不会高于850C,所以电磁脱扣器不会出现退磁拒动等影响工作可靠性的故障。电子式剩余电流断路器中的电子放大器,在系统

7、电源接通后,电子元件一直处于工作状态,因此对于电子式剩余电流断路器电子元件的工作温度,与电磁式剩余电流断路器相比,除环境温度和工作中流过导线的负荷电流产生的温度外,还有内部电子元件工作发热产生的温度,其工作条件更要严酷。有资料显示:集成电路器芯片、可控硅等电子元件在850C环境下工作时,老化失效率要比在400C的环境下高出5-6倍,由于电子放大器中的多种电子元件同时工作,因此同在850C内部工作温度下,电子式剩余电流断路器的失效率是电磁式剩余电流断路器的160倍。2.2.2工频过电压与暂态过电压对可靠性的影响:因为多种因素,特别是供电条件较差的地区,配电系统的电源电压常出现较大波动或产生工频过

8、电压,使剩余电流断路器的工作电压高于标准的工作电压范围。对于电磁式产品,因与电网电压无关,所以工频过电压不会影响其工作的可靠性;但对于电子式产品,工频过电压会使电子元件的工作电压升高加速老化或一些压敏元件损坏,降低其运行可靠性。大气过电压和系统的操作过电压等暂态过电压,对于剩余电流断路器运行可靠性的影响可从两个方面分析:相线对PE线的电涌电流作用于剩余电流断路器电涌电流通过零序互感器形成暂态剩余电流,由于持续时间短,能量较小对于电磁式产品的运行可靠性影响不大;但对于电子式产品有可能使集成芯片发生触发翻转进行功能性动作,从而降低运行的可靠性。直接通过电源作用于剩余电流断路器:由于电磁式剩余电流断

9、路器与电源系统没有直接联系,因此不会影响其运行可靠性;对于电子式剩余电流断路器可能通过电子放大器工作电源端进入电子放大器,造成压敏元件或其它元件损环。同时有可能直接触发可控硅等执行元件,使分励脱扣器动作分断系统,影响运行可靠性。2.2.3系统谐波及电磁干扰对可靠性的影响:众所周知,对于电子产品防止由于谐波和电磁干扰引起的高频振荡是较为困难的,对于电子式剩余电流断路器系统谐波及电磁干扰可导致产品误动作继而影响运行的可靠性,虽然根据IEC有关标准,电子式剩余电流断路器进行了各类防电磁干扰的电磁兼容设计,并通过相应的试验验证,但要彻底消除对其影响是很困难的,在这方面电磁式产品更有优势。2.3 产生过

10、程及工艺对可靠性的影响:2.3.1 电磁式剩余电流断路器生产工艺电磁式剩余电流断路器保护动作的能量仅来自剩余电流,其能量值仅80-350VA,所以电磁式剩余电流断路器对“永磁平衡式电磁脱扣器”及零序互感器对选材、设计和加工要求较高。以“永磁平衡式电磁脱扣器”生产为例:对于铁磁材料处理、动静铁芯极面加工、线圈绕制及接头焊接、脱扣器组装等环节均要求有较强的加工手段和工艺控制,所以ABB公司在以生产手表和精密仪表而著称的瑞士设有一家专业生产厂ABB CMC公司, ABB CMC公司从20世纪60年代初即开始生产“永磁平衡式电磁脱扣器”,经过40年的不断创新,目前脱扣器的动作能量仅需25VA,全部生产

11、过程均在超净车间内完成,脱扣器经自动生产线生产并经100%的检验测试。ABB公司各系列电磁式剩余电流保护装置中“永磁平衡式电磁脱扣器”均来自瑞士ABB CMC 专业产生厂。除上述部件生产精度要求外,剩余电流断路器的组装调试工艺也将影响产品的可靠性,目前ABB公司采用的是机械和电磁双调节的调试工艺,在专用调试设备进行在线通电调试,保证每台剩余电流断路器的保护特性符合标准要求。电磁式剩余电流断路器虽加工调试工艺复杂,但在上述环节得到有较控制后,可使产品在实际使用和保护功能的可靠性得到保证。2.3.2 电子式剩余电流断路器生产工艺电子式剩余电流断路器的生产调试工艺从原理上较电磁式剩余电流断路器简单,

12、但负责任的生产厂为提高电子型产品自身可靠性,从设计、选材、制造、老化筛选、储运等各环节进行了大量的工作和有效的质量控制。以ABB公司电子型剩余电流断路器生产为例,ABB公司为克服各类来自电源系统电污染对工作可靠性的影响,投资设计开发了专用芯片及相关电子线路设计。为减小由于元件老化失效对可靠性影响,在关键元件进厂时即采取了电冲击及高温除尘等控制工序,电子线路板在自动生产线上组装完成后,逐台进行性能测试和通电老化筛选。在剩余电流断路器完成组装后仍需对每产品进行性能测试,保证每台剩余电流断路器的保护特性符合标准要求。经过上述一系列的努力,电子式剩余电流断路器的可靠性得以大幅度的提高,但电子式剩余电流断路器的综合可靠性是无法与电磁式剩余电流断路器相比。3结论前面的分析可清楚地看出,电子式剩余电流断路器无论是从产品本身的可靠性,还是从产品与电源系统供电配合的可靠性等方面均不能达到令人满意的结果。正因如此,德国等国家在终端