到此,电源开关修复成功。将电源开关装入排插,电源开关插片连接改用冷压6.3插簧接插件连接,不再采用焊接连接,以免再次烫坏电源开关壳体。因底盖中间区域凸出,空间距离最短,且正对电源开关插片2,故在插片2上插入6.3插簧,发现插簧太长,无法合盖,见下各图:
改用6.3旗型插簧并套上绝缘护套,用以上同样的方法试装,底盖可以正常合盖。
请出旗型插簧专用压线钳HS-056FL,进行压线操作,见下各图:
用同样的方法压好其它6.3旗型冷压插簧端子。继续保留压敏电阻20D471K,因上次改进添加的T10A/250V保险丝为慢断型,用在此处是不恰当的,本次改为快断型φ6×30保险丝F10A/250V。保险丝、压敏电阻以及漏电断路器电源侧的接线仍然采用焊接。见下图:
根据实际电气连接,绘制的排插电路原理图如下:
图中F10表示F10A/250V保险丝,RV10表示20D471K压敏电阻,QR10表示DZL18B-32漏电断路器,XS11×3表示3个并联的L--N二孔插座,XS12×3表示3个并联的带接地的L—N--PE三孔插座。
四、漏电断路器拆解:
漏电断路器也称为漏电保护器、漏电开关,其正规名称为剩余电流动作保护器(RCD:Residual Current Device),其作用是在路始终监测负荷侧相线与中性线中的剩余电流(电流差或漏电流),一旦剩余电流≥30mA(人体触电电流的安全阈值),即可在标注的0.1秒内迅速触发脱扣器(扳手开关)动作,切断供电,从而避免人身触电事故或供电线路火灾等重大故障。
漏电断路器外形见下各图:
卸去二颗装配螺丝,即可分离上下盖,看到其内部结构和电路,主要由零序电流互感器TA20、控制电路、继电器KA20、试验按钮PB20、脱扣器、2P触点QF20、电源侧和负荷侧接线端子等组成,见下图:
取出控制电路板,可看到电路板上的直插电子元件,见下各图:
控制电路板反面见下图:
试验按钮小电路板见下图:
零序电流互感器以及绕组见下各图:
从拆解图示可以看出:若主回路红线连接相线,则绿线连接中性线,反之亦然,即主回路红线连接中性线,则绿线连接相线。但电源侧和负荷侧(进、出侧)不能倒置接线,即不能将电源进线连接到负荷侧的端子上。
留存一组脱扣器的各向放大图,以方便拆解后各零件的回装。
以下拆解脱扣器和继电器:剥去背面绝缘粘贴薄板,露出标签和二颗固定螺丝,其中一颗用于固定脱扣器,另一颗用于固定继电器。从模糊的标签上看到这是2009年8月份的产品,见下图:
将扳手开关置于“OFF”位置,释放其弹簧拉力,以免拆解取出脱扣器和继电器时,零部件飞溅而难于寻找。取出电源侧2P端子,用擦银棒抛光2P静触点,见下图:
卸去背面二颗固定螺丝,可取出脱扣器和继电器,见下图:
同样用擦银棒抛光2P动触点。所有零部件的电气连接见下图:
漏电断路器拆解“全家福”见下图:
五、相关元件参数测量:
因零序电流互感器的漏电检测线圈与R22并联,在断电条件下,断开控制电路板上的一根零序电流互感器漏电检测线圈的引线,直接测得漏电检测线圈的电阻为30.5Ω,见下图:
测得R21阻值为3.25KΩ,色环读数为3.3KΩ,见下图:
测得R22阻值为8.18KΩ,色环读数为8.2KΩ,见下图:
测得R23阻值为118.8Ω,色环读数为120Ω,见下图:
测得R24阻值为1.1Ω,色环读数为1Ω,减去0.1Ω底数,与色环读数吻合,见下图:
测量继电器的脱扣线圈电阻为48.3Ω,见下图:
拆焊电解电容C23,用多功能测试仪TC-1测得其容量为251.1nF(0.2511uF),标称值为0.22uF/50V,见下图:
焊接好拆除的零序电流互感器漏电检测线圈的一根引线,用间接法测量瓷片电容C21、C22两端的阻值,可快速判断其是否(局部)短路,以避免拆、装C21、C22的麻烦,这里仅是提供一种测量判断方法,当然拆焊C21、C22直接测量最佳。测量C21两端电阻为30.4Ω,这也是测量可控硅的G、K极之间的电阻,故应反向测量,相当于后级断开,特别是用指针万用表测量时应注意。因为漏电检测线圈、R22和C21并联,其并联电阻的计算值为(30.5×8180)/(30.5+8180)=30.39Ω,与测得的并联电阻30.4Ω几乎一致,由此判断C21未(局部)短路,见下图:
同理测得C22两端的阻值为149.2Ω,因漏电检测线圈与R22并联后又与R23串联,其并、串联电阻的计算值为30.39+118.8=149.2Ω,与实测阻值一致,由此判断C22未(局部)短路,见下图:
测量压敏电阻RV20两端的阻值为无穷大,由此判断其正常,见下图:
测量单向可控硅(晶闸管)BT169D:由数据手册知,它的主要电参数和引脚定义见下图。更为详细的单向可控硅信息见附件《BT169D单向可控硅(晶闸管)数据手册.PDF》。
可控硅(SiliconControlled Rectifier, SCR)是通过控制门极(G)输入触发信号来控制阳极(A)与阴极(C或K)之间的导通状态。其触发机制:当阳极与阴极之间施加正向电压时,可控硅处于截止状态,此时,仅需在门极施加微弱电流或电压触发信号(通常为微安级),即可使可控硅导通。奇妙的是可控硅一旦导通后,即使移除门极G的触发信号,可控硅仍可保持导通状态,直至阳极电流降至维持电流以下或门极施加反向触发信号才可关断。
拆焊可控硅,将指针万用表置于×1K档位,正、反向测量A、K之间的电阻,测得均为无穷大,正常,见下各图:
将指针万用表置于×100档位,测量G、K之间的正、反向电阻,测得正向电阻约为640Ω,反向电阻为无穷大,正常,见下各图:
仍将指针万用表置于×100档位,黑、红表笔分别连接可控硅的A、K极,此时测得阻值为无穷大(以上已测),用金属镊子短接A、G极,万用表指针立刻右偏并停留在约700Ω位置,撤去金属镊子,G极悬空,万用表指针仍然巍然不动,停留在原先的约700Ω位置,表明可控硅已成功触发,并维持导通,由此判定可控硅正常。见下各图:
六、漏电断路器工作原理分析:
6-1、绘制电路原理图:
根据以上漏电断路器拆解的实际电路和连接,绘制的电路原理图如下:
图中零序电流互感器TA20的环形铁芯(磁环)上缠绕有三组绕组,即主回路相线(L)绕组、主回路中性线(N)绕组和漏电流检测绕组,其中主回路相线(L)绕组和中性线(N)绕组均穿过环形铁芯并缠绕一圈(有些仅穿过而不缠绕),缠绕圈数和方向均一致,构成一次绕组;漏电流检测绕组则缠绕多圈,缠绕方向任意,构成二次绕组。
漏电检测线圈感应出的电动势则相当于一个交流小电源,其波形(频率、相位)同主回路,均为正弦波交流电,仅幅值较主回路小许多。经并联电阻R22分流、串联电阻R23、R24分压,向可控硅SCR20(BT169D)门极G提供合适的触发电流和电压,并可通过改变这些电阻的阻值,将漏电断路器的漏电流标定到动作跳闸漏电流。可控硅数据手册显示:门极G的触发电流Igt为10—140uA,触发电压Vgt最大值为0.8V,典型值为0.65V,属于高灵敏度触发的可控硅。
瓷片电容C21、C22分二级旁路(过滤)高频信号,避免监测过程中高频信号串入可控硅SCR20门极G,导致可控硅SCR20误触发。
电解电容C24并联在可控硅SCR20的G、K极之间,稳定触发电压。
四个二极管D21—D24构成桥式整流器,向单向可控硅提供脉动直流电。
试验按钮PB20、电阻R21串接于AC220V主回路,构成试验跳闸电路。
压敏电阻RV20并接于AC220V主回路两端,起到过电压保护作用。
6-2、有关漏电知识:
6-2-1、漏电含义:
凡是不经过零序电流互感器的分流电流称为漏电,从而使得零序电流互感器中存在剩余电流(电流差),漏电的本质是零序电流互感器中多出一部分电流或损失一部分电流。
6-2-2、漏电形式:
L或N单线漏电:在同一漏电断路器的负荷侧,相线或中性线电流直接流向地(PE)或间接通过用电器金属外壳、人体等流向地(PE)。
L、N双线漏电:在同一漏电断路器的负荷侧,相线和中性线电流同时直接流向地(PE)或间接通过用电器金属外壳、人体等流向地(PE)。
L漏向N:在同一漏电断路器的负荷侧,相线电流流向中性线,这相当于用电器负载,不属于漏电定义范围,漏电断路器无法检测,也无法动作跳闸。
跨路漏电:这是不常见的特例,本漏电断路器负荷侧的电流流向其它漏电断路器监测范围的线路,反之,其它漏电断路器监测范围线路的电流流向本漏电断路器的负荷侧。
6-3工作原理分析:
6-3-1、总体原理分析:
参考上述电路原理图,当漏电断路器负荷侧无漏电时,这表明主回路相线绕组和中性线绕组中的交流电流大小、频率、相位均相同,但方向相反,若相线电流IL流入环形铁芯,则中性线电流In流出环形铁芯,数量上IL=In。由电磁效应(电流的磁效应,“电生磁”原理,电动机原理)可知,相线和中性线均形成交变磁场,磁场强度与电流大小成正比,磁场方向遵循右手螺旋定则,由此在环形铁芯中产生相应的磁通量φL和φn,数量上φL=φn,但方向相反,故环形铁芯中的磁通量矢量和为0(相互抵消),由电磁感应(“磁生电”原理,发电机原理)可知,漏电流检测绕组中就无法感应出电动势去触发可控硅导通,L→KA20→D21→SCR20 A-K→D24→N回路因可控硅A-K关断而断开,继电器脱扣线圈保持失电状态,脱扣器维持接通(ON)合闸位置,主回路触点闭合正常供电。这就是所谓的平衡正常状态。
当漏电断路器负荷侧存在漏电时,则零序电流互感器中存在剩余电流,导致零序电流互感器中相线和中性线的电流不相等IL≠In,从而使环形铁芯中的磁通量不相等,φL≠φn,其矢量和不等于0(无法完全抵消),穿过漏电检测线圈的交变剩余磁通量则在线圈中感应出电动势,电动势大小与磁场变化速率成正比,于是在线圈的闭合回路中产生感应电流,一旦零序电流互感器中的剩余电流≥30mA,即可触发可控硅导通,使得L→KA20→D21→SCR20 A-K→D24→N形成AC220V回路,继电器脱扣线圈得电吸入推杆,脱扣器释放至断开(OFF)跳闸位置,主回路触点断开,停止供电。这就是所谓的漏电跳闸状态。
6-3-2、可控硅触发分析:
参考上述电路原理图,当漏电检测线圈感应出的正弦波交流电处于正半周(如上正下负)时,对可控硅门极施加了正向触发电压,一旦触发电压、电流达到要求,即刻可在正半周内触发可控硅导通;当漏电检测线圈感应出的正弦波交流电处于负半周(如下正上负)时,对可控硅门极施加了反向触发电压,整个负半周内可控硅无法导通,必须等待下一个正半周的到来,才能触发可控硅导通,无论何种情况,可控硅要么在首先到来的正半周内导通,要么在下一个到来的正半周内导通,因整个交流电的周期为1/f=1/50Hz=0.02秒,故铭牌标注要求在0.1秒内完成跳闸动作,这在电气上肯定满足要求,毫无问题,除非机械机构卡住,无法动作跳闸。
6-3-3、漏电检测分析:
下图是漏电断路器负荷侧相线对地漏电的原理示意图。图中负荷侧相线通过电阻RL对地漏电,漏电电流为IL’,IL,In分别为相线和中性线的负载电流,IL=In,流出零序电流互感器的电流为,流入零序电流互感器的电流为In,零序电流互感器中的剩余电流为IL+IL’-In =IL’,环形铁芯中的剩余交变磁通量为φL+φL’-φn=φL’,从而在漏电检测线圈中感应出电动势,当绝对值∣IL’∣≥30mA时,触发可控硅导通而跳闸;当0≤∣IL’∣≤15mA时,无法触发可控硅导通,仍然维持合闸供电;当15mA<∣IL’∣<30mA时,进入“灰色区域”,漏电断路器有时跳闸,有时不跳闸。
下图是漏电断路器负荷侧中性线对地漏电的原理示意图。同样的原理,流出零序电流互感器的电流为IL,流入零序电流互感器的电流为In+In’,零序电流互感器中的剩余电流为-In’,环形铁芯中的剩余交变磁通量为-φn’,从而在漏电检测线圈中感应出反向的电动势,当绝对值∣-In’∣≥30mA时,触发可控硅导通而跳闸;当0≤∣-In’∣≤15mA时,无法触发可控硅导通,仍然维持合闸供电;当15mA<∣-In’∣<30mA时,进入“灰色区域”,漏电断路器有时跳闸,有时不跳闸。
下图是漏电断路器负荷侧相线和中性线同时对地漏电的原理示意图。同样的原理,流出零序电流互感器的电流为IL+IL’,流入零序电流互感器的电流为In+In’,零序电流互感器中的剩余电流为IL’-In’,环形铁芯中的剩余交变磁通量为φL’-φn’,当绝对值∣IL’-In’∣≥30mA时,触发可控硅导通而跳闸;当0≤∣IL’-In’∣≤15mA时,无法触发可控硅导通,仍然维持合闸供电;当15mA<∣IL’-In’∣<30mA时,进入“灰色区域”,漏电断路器有时跳闸,有时不跳闸。特别地,当IL’-In’=0时,表示相线和中性线同时对地漏电的电流相等,无法触发可控硅导通,漏电断路器仍然维持合闸供电。
6-3-4、导线漏电判断:
根据上述工作原理分析,可得出相线或/和中性线对地漏电的判断方法:漏电断路器跳闸断电后断开其负荷侧用电器,然后重新送电,若无法送电或送上电即刻再次跳电,则一定是相线漏电,中性线不漏电,或相线、中性线同时漏电,且两者漏电差值≥30mA;若重新送电后不再跳电,则相线不漏电,仅中性线漏电。
不管是相线单独漏电,还是中性线单独漏电,还是两线同时漏电,均可归结为剩余电流是否≥30mA,若达到或超过,则跳闸,反之,则不会跳闸,但供电线路会发生异常,如用电器无法启动工作,中性线对地电压升高等等。
使用AC电流钳表分别测量同一(支)路中的相线或中性线电流,若两线电流相等,则不漏电;若相线电流大于中性线电流,则相线漏电,若中性线电流大于相线电流,则中性线漏电。或同时钳(夹)住同一(支)路的相线和中性线,若测得的电流为0,则不漏电,若测得有电流,则存在漏电,测得的电流即为漏电流的大小。
实际情况是一个漏电断路器负荷侧接有多个支路和多个用电器,如家庭进户配电箱中,总空气断路器后接有漏电断路器,然后再分离出多个支路,每个支路又接有空气断路器向负载供电,铺设的导线也有数百米,且多数为暗铺,到底是哪一分支漏电?是用电器漏电?还是导线漏电?在何处漏电?往往不易查出,好在可以逐个断开分支空气断路器来检测,从而缩小故障范围,确认某个支路漏电后,再断开该支路的用电器来进一步测试查找,但这不是一件容易之事。
6-3-5、试验电路工作原理:
为及时发现漏电断路器发生故障、失效,防止其误动和拒动,漏电断路器内部设置了试验电路,并要求每周(有些是每月)按一次试验按钮,以测试漏电断路器是否快速跳闸,从而确认其使用可靠性。若按下试验按钮后松开,漏电断路器立即跳闸,则漏电断路器工作正常,重新推动脱扣器至“ON”合闸位置送电即可;若按下试验按钮后松开,漏电断路器不跳闸,则漏电断路器已故障、失效,无法发挥漏电保护功能,应立即更换。
试验电路的工作原理图如下。当按下试验按钮后,相当于人为“制造”模拟了相线对地的漏电,L1→PB20→R21→N成为AC220V回路,回路电流It=220V/R21=220V/3.25KΩ=67.69mA,电流It未进入零序电流互感器,经过PB20、R21,流回到中性线,并流入零序电流互感器。当负荷侧空载时,相线与中性线中的负载电流均为0,因此零序电流互感器中的剩余电流即为It=67.69mA,零序电流互感器的检测线圈中就能感应出相应电动势,去触发可控硅导通,继电器的脱扣线圈得电,拉动脱扣器释放,使得2P触点脱离而跳闸,从而试验出漏电断路器可正常工作。
必须注意的是正常的操作是按下试验按钮后要求立即松开,不可长时间一直按着不放开,因为R21的功耗为220V^2/3250Ω=14.89W,此功率实在太大,实际选用的电阻功率仅为2W,所以短时接通时,R21不会大量发热,可正常工作,但试验按钮接通时间一长,R21将立刻烧毁。
此电路存在的问题是试验剩余电流达到了67.69mA,与标注的剩余电流30mA比较,超出一倍多,虽然按下试验按钮可正常跳闸,但不能证明实际漏电流30mA时能正常跳闸。应该将试验模拟剩余电流降低到接近30mA,以符合实际漏电情形和铭牌标注,此时电阻R21应选用220V/30mA=7.3KΩ,实际可选用常用的标准电阻6.8KΩ或7.5KΩ,这样模拟剩余电流降为220V/6.2KΩ=35.48mA或220V/7.5KΩ=29.33mA,与实际跳闸状况相符。
七、漏电断路器常规测试:
所谓常规测试是指在不拆解漏电断路器的前提下所进行的投用前的普通测试。组装好漏电断路器,开始进行常规测试。
7-1、主回路电源端、负荷端通断测试:
将漏电断路器扳手开关置于“ON”位置,用万用表测量电源端与对应的负荷端之间的电阻,测得均为0.3Ω,正常,再测量相邻线路端子(L、N)之间的电阻,测得为无穷大,表明L、N之间无短路,正常,见下各图:
将漏电断路器扳手开关置于“OFF”位置,用万用表测量电源端与对应的负荷端之间的电阻,测得均为无穷大,表明2P触点已断开,正常,见下各图:
7-2、漏电试验电路测试:
断电时将漏电断路器扳手开关置于“ON”位置,手指始终按下试验按钮不松开,用万用表测量负荷端(或电源端)两端子之间的电阻,这是测试漏电断路器试验电阻值的简便方法,测得阻值为3.25KΩ,表明漏电试验电路未开路,由上述原理分析知,这阻值实质上就是试验串联电阻R21的阻值,见下图。进一步分析可知:仅当试验电路断路失效,其它电路正常时,则按动试验按钮,漏电断路器无任何反应,也不跳闸,但在实际线路中出现≥30mA的漏电电流时仍会执行跳闸保护。
7-3、漏电模拟测试:
漏电断路器电源侧接入临时插头引线,将漏电断路器扳手开关置于“ON”位置,负荷侧开路,接通AC220V市电,此时负荷侧两端子间应为AC220V市电,按下试验按钮后立即松开,发现漏电断路器即刻跳闸断电,表明漏电断路器正常可用,见下图:
经过上述各项常规测试,漏电断路器可安装投用。
八、漏电断路器标定测试:
上文原理分析指出:即使通电按下试验按钮后松开,漏电断路器即刻跳闸,也只能判断剩余电流67.69mA时正常跳闸的情况,但按照铭牌标注,剩余电流30mA时能否正常跳闸呢?无法通过该试验判断,以下用间接方法来测试、验证其实际跳闸时剩余电流的阈值,这是一项实用的测试,可以知晓漏电断路器的实际跳闸剩余电流。
改变试验串联电阻R21的阻值,利用模拟漏电流的方法进行标定测试。特别注意:这是AC220V强电裸露测试,具有一定的危险性,请勿模仿!
再次拆解漏电断路器,取出控制电路板,拆焊电阻R21,在R21两个焊盘处焊接并引出两根连接导线到外部,用于连接改变阻值的R21,电源侧连接好电源插头导线,用于输入AC220V市电。将R21改变为6.8KΩ,并在外部连接好,实测值为6.81KΩ,实测的市电为AC224V,计算的模拟漏电流为224V/6.81KΩ=32.89mA,见下图:
组装好漏电断路器,将扳手开关置于“ON”位,开始上电模拟试验,按下试验按钮PB20后松开,即刻跳闸,连续多次试验均正常跳闸,表明实际漏电流达到32.89mA时,也可正常跳闸,见下图:
断电后将R21增大到7.5KΩ,因无较大功率的电阻,用两个15KΩ并联,实测值为7.49KΩ,计算的模拟漏电流为224V/7.49KΩ=29.91mA。见下图:
用以上相同的方法测试,上电后按下试验按钮PB20后松开,即刻跳闸,连续多次试验均正常跳闸,表明实际漏电流达到29.91mA时,也可正常跳闸,测试图片省略。
断电后用12KΩ和22KΩ并联,将R21增大到7.76KΩ,实测值为7.76KΩ,计算的模拟漏电流为224V/7.76KΩ=28.87mA。见下图:
用以上相同的方法测试,上电后按下试验按钮PB20后松开,即刻跳闸,连续多次试验均正常跳闸,表明实际漏电流达到28.87mA时,也可正常跳闸,测试图片省略。
断电后用12.7KΩ和22KΩ并联,将R21增大到8.05KΩ,实测值为8.01KΩ,计算的模拟漏电流为224V/8.01KΩ=27.97mA。见下图:
用以上相同的方法测试,上电后按下试验按钮PB20后松开,连续多次试验表现为异常跳闸,即不是每次都能正常跳闸,有时能跳闸,有时不能跳闸,表明实际漏电流达到27.97mA时,进入“灰色区域”,无法正常跳闸,测试图片省略。
断电后将R21增大到8.2KΩ,实测值为8.2KΩ,计算的模拟漏电流为224V/8.2KΩ=27.32mA。见下图:
用以上相同的方法上电测试,不言而喻,因漏电流进一步减小而跳闸异常,测试图片省略。
将以上各次测试的数据汇总成下表,以方便比较和分析:
电阻组合(KΩ) | | | | |
6.8 | | | | |
15//15 | | | | |
12//22 | | | | |
12.7//22 | | | | |
8.2 | | | | |
表中“//”表示两个电阻并联;理论总阻值表示两个并联电阻的计算值;实测总阻值表示两个并联电阻的实测值;模拟漏电流的计算公式为“市电电压实测值/实测总阻值”;测试结果中的正常跳闸表示每次按下试验按钮均可立即跳闸,异常跳闸表示每次按下试验按钮后,并非每次均跳闸;市电电压实测值为AC224V,表中以此实际值计算。
从上表可得出结论:当漏电流≥28.87mA时,漏电断路器可正常跳闸,故可近似认为此漏电断路器的最小正常跳闸漏电流(阈值)为28.87mA,但漏电流降至27.97mA(相差28.87-27.97=0.9mA)时,漏电断路器就发生质的变化,无法正常跳闸,这时不要误认为漏电断路器损坏失效。
标定出的正常跳闸漏电流28.87mA稍低于铭牌标注的漏电流30mA(人体触电安全阈值),这表明可有效保护人体触电,若漏电流≥30mA才能正常跳闸,则有效保护人体触电的功能有所欠缺。
九、总装及测试:
因手头无较大功率的7.5KΩ电阻,故将R21替换为6.8KΩ大红袍,以实现32.89mA的模拟漏电流跳闸试验,接近于标注的I△n=30mA实际漏电流,见下图:
按拆解过程的逆流程总装好排插,见下图:
合盖后插入墙插进行测试,闭合电源开关,指示灯点亮,正常,将漏电断路器扳手开关置于“ON”位置,测量排插插孔电压为AC224V,正常,见下图:
按下试验按钮后松开,漏电断路器立即跳闸,正常,且多次试验均能正常跳闸。图片省略。
到此,整个排插的修复、改进,以及测试和原理分析工作全部完成,且功能测试正常,排插可重新上岗,投入正常使用。
本帖完。
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