（本文原發(fā)在新浪博客，最近發(fā)現(xiàn)該網(wǎng)址無法顯示，因此在知乎轉(zhuǎn)發(fā)一下。）摘要：本文介紹漏電保護器（剩余電流動作斷路器）的結(jié)構(gòu)和工作原理，包括

（本文原發(fā)在新浪博客，最近發(fā)現(xiàn)該網(wǎng)址無法顯示，因此在知乎轉(zhuǎn)發(fā)一下。）

摘要：本文介紹漏電保護器（剩余電流動作斷路器）的結(jié)構(gòu)和工作原理，包括機械動作部分和電路控制部分。重點是分析控制電路，通過繪制研究實例的電路圖，圍繞漏電保護專用集成電路芯片LW54123，對漏電檢測、信號處理等電路原理作了較詳細的分析。此外對交流電路中漏電電流的產(chǎn)生、觸電電流的危害等級也作了一些介紹。

一、 主要功能

1、基本介紹

“漏電保護器”又稱“觸電保護器”，簡稱“漏保”。世界各國對其稱呼各不相同，英國稱為剩余電流裝置（RCD），剩余電流斷路器（RCCB），美國和加拿大則使用術(shù)語接地故障斷路器（GFCI），接地故障斷路器（GFI）或器具漏電斷路器（ALCI）。2005年后，為與國際接軌，我國也將“漏電保護器”改稱為“剩余電流動作斷路器”，如果同時集成了額外的過流保護，則稱為RCBO。但平時人們還是使用“漏保”的稱呼。

從上圖可見，漏保=空氣開關(guān)+漏電保護模塊。上圖已將2部分拆開，以方便看清“脫扣連鎖桿”。剩余電流就是漏電電流，通過“除接地線外的總輸出輸入電流之間的不平衡”來檢測，當超過設(shè)置閥值后，斷開電路，起到保護作用。

2、拆解研究對象

本文以正泰公司的DZ47LED－63剩余電流動作斷路器為例，進行拆解研究。關(guān)于斷路器部分的拆解研究，另見文章：hnsjc：斷路器（空氣開關(guān)）結(jié)構(gòu)及原理圖解。本文主要分析其剩余電流動作部分的結(jié)構(gòu)和功能。

官網(wǎng)上的參數(shù)描述如下：

其中“額定剩余動作電流”和“剩余電流動作分斷時間”是二個重要參數(shù)。相關(guān)標準的設(shè)定后文會提到。

二、 漏電保護原理

1、家用配電線路簡介

小區(qū)和樓宇供電均采用“三相配電”，但入戶時可以配置為“三相”或“單相”（常稱兩相），且多數(shù)為單相。三相配置要接入A、B、C三根相線、一條零線和一條地線，稱為“三相五線”。單相配置只要接入相線、零線、地線各一條。一個小區(qū)上百套住宅分成3組，分別接入A、B、C相，盡量讓三相電流負荷平衡。工廠、單位及一部分家庭采用三相供電的，內(nèi)部的單相電器也是分接不同的相，以保持平衡。三相越平衡，總供電線路上的零線電流越小，損耗也越小。

2、漏電流的產(chǎn)生

當出現(xiàn)電器受潮、絕緣破損、人體觸電等情形時，電路中會產(chǎn)生不希望有的電流，這個電流就是“漏電電流”，國際上稱“剩余電流”，即“Residual Current”的譯稱。從電路理論上講，剩余電流是指配電線路中，各相及中性線電流的矢量和不為零時的電流，這個電流通過人體或其他漏電通道直接從相線泄漏到大地了，當剩余電流大到一定值時，就會引發(fā)觸電、火災(zāi)等事故。

不管是三相配電還是單相配電，我們總是處于三相供電系統(tǒng)中。所以可用下圖來進行分析觸電情形。第1種情形“單線觸電”，電流從C相通過人體流入大地，就是“剩余電流”，這是最常見的觸電事故，觸電保護器保護的就是這種情況。但第2、第3種情形，形成的觸電電流是在相線與相線或零線間，對電路來說，這個觸電電流與正常的負載電流一樣，因此保護器無法區(qū)分，也不會動作的。這類情況目前似乎沒有自動保護裝置可用，好在一般用戶不太會同時接觸2根相線或相線和零線，但對帶電操作的專業(yè)電工，還是要引起重視的。

3、觸電及其危害

湖南省電力公司科學研究院的王偉能、王志強、彭瀟在《接地電流頻率和畸變對漏電保護器的影響》一文中給出了“電擊人體病態(tài)生理效應(yīng)區(qū)域圖”及相關(guān)解讀，本文摘錄其部分內(nèi)容如下。

IEC 60479-1 規(guī)定了電流/時間關(guān)系的四個區(qū)域，敘述了每個區(qū)域內(nèi)人體的病態(tài)生理效應(yīng)，如圖 所示，橫軸表示流經(jīng)人體電流大小，縱軸表示電流的持續(xù)時間。圖中各區(qū)含義如下：

• AC- 1 區(qū)表示無知覺；
• AC-2 區(qū)表示有知覺；
• AC-3 區(qū)表示存在可逆效應(yīng)的肌肉收縮；
• AC-4 區(qū)表示可能出現(xiàn)不可逆效應(yīng)；
• AC-4-1 區(qū)表示心臟纖維性顫動可達 5%；
• AC-4-2 區(qū)表示心臟纖維性顫動可達 50%；
• AC-4-3 區(qū)表示心臟纖維性顫動可超過 50%；

圖中各曲線含義如下：

• A 曲線表示電流感知閾；
• B 曲線表示肌肉反應(yīng)閾；
• C1 曲線表示 0%幾率的心室纖維性顫動閾；
• C2 曲線表示 5%幾率的心室纖維性顫動閾；
• C3 曲線表示 50%幾率的心室纖維性顫動閾。

以曲線C1 為例說明，當電流通過人體時，如果電流超過 30 mA，則人體很可能被電擊致死，除非該電流能在相當短的時間內(nèi)被切斷。

IEC 60479標準的內(nèi)容是“電流對人類和牲畜的影響”，是國際電工委員會（IEC）的 一套標準中的一個。各國在設(shè)定保護的動作電流閥值時，均依據(jù)此標準。人體流過30毫安電流就可能導致骨骼肌癱瘓、心臟停止跳動，因此，我國保護器的“額定剩余動作電流”設(shè)定為30mA，“剩余電流動作的分斷時間”設(shè)置為小于0.1秒，與澳大利亞和一些歐洲/亞洲國家相同，但歐美國家的標準為設(shè)定為5 mA。

4、漏電保護基本原理

下圖是漏電保護器的功能框圖，由主電路及斷路器、剩余電流傳感器、控制電路、脫扣裝置等幾部分組成。當發(fā)生漏電時，零序互感器次級線圈感應(yīng)出電壓，通過控制電路放大處理后，驅(qū)動脫扣器動作，2個斷路器在連鎖機構(gòu)的作用下，同時切斷主電路。

三、 拆解分析

1、 斷路器模塊的機械連鎖部件

拆解整個裝置后，可以分為三個模塊：2片斷路器，分別是“零線N斷路器”和“火線L斷路器”，以及1個“漏電保護模塊”。這三部分通過4個銅銷鉚合在一起，三部分之間通過2個機械結(jié)構(gòu)連鎖，起到同步動作的功能。相當于任意1個模塊動作，都能使零線和相線同步斷開。

2片斷路器之間的機械連鎖結(jié)構(gòu)如下圖：

第2片斷路器與漏保之間的機械連鎖結(jié)構(gòu)如下圖所示：

2、漏保模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)

漏電保護模塊內(nèi)部分5個部分：控制電路板、漏電傳感器、電磁脫扣裝置、測試電路及輸入輸出接線端。下圖中未標示出測試電路部件。

3、 控制電路板

四、 控制電路分析

1. 電路圖

為了繪制電路圖，將電路板正反面逆光拍攝，再將背面圖鏡像翻轉(zhuǎn)。這樣方便看清其線路。

繪制得到電路圖。為了方便分析電路工作原理，圖中同時給出了IC電路內(nèi)部的功能框圖。

2. 電路工作原理分析

220V電壓的零線N和火線L經(jīng)上接線端接入后，經(jīng)過2片斷路器（圖中K1）后，接入到漏電保護模塊內(nèi)，穿過漏電傳感器T2后連接到輸出端。當發(fā)生過流、短路及漏電故障時，在連鎖機構(gòu)的作用下，2片斷路器跳閘，同時切斷N和L線路。

控制電路采用了專用集成電路CS54123。當發(fā)生漏電時，傳感器T2檢測到的微弱電壓信號經(jīng)R1、UD1、C1、R2、R3、C2后送入IC的1腳和2腳。1腳是芯片內(nèi)部的穩(wěn)定參考電壓。R2、R3是保護電阻，R1是靈敏度調(diào)節(jié)電阻，C1、C2是濾波電容，UD1是雙向二極管，鉗制輸入電壓不大于0.6V。信號經(jīng)IC內(nèi)部放大電路放大后，從4腳輸出，給C5充電。充電電壓從5腳輸入內(nèi)部觸發(fā)器，當達到一定值時，觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)并鎖存，從7腳輸出高電平，觸發(fā)單向可控硅VT導通，電磁鐵L1獲得一個大電流，內(nèi)部銜鐵吸合，引發(fā)斷路器脫扣動作，切斷主電路。可控硅導通時的電流通路為：線路L—電磁線圈L1—D1—VT－地—電橋中的二極管（圖中4－3間）—線路N。

R5、SW1組成測試電路，按下測試按鈕時，該測試電路為傳感器T2提供了56mA的模擬“剩余電流”，超過了保護動作值30mA，系統(tǒng)應(yīng)作出跳閘響應(yīng)，否則就說明系統(tǒng)存在故障。

電路板供電采用電容降壓方式，經(jīng)R4、C9降壓，再經(jīng)二極管D2－D5整流、C8濾波，得到10V多的直流電壓，加載到IC的8腳。盡管供電電流也流經(jīng)電磁線圈L1，但由于IC需要電流很小，平時不會導致L1動作。RT是壓敏電阻，可吸引掉線路上的浪涌電壓。

3. 漏電傳感器工作原理

檢測元件是電流互感器T2。相線L、零線N穿過環(huán)形鐵心，構(gòu)成了互感器的一次線圈N1，纏繞在環(huán)形鐵芯上的繞組構(gòu)成了互感器的二次線圈N2。如果沒有漏電發(fā)生，流過相線、零線的電流向量和等于零，因此在N2上也不能產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電動勢。如果發(fā)生了漏電，相線、零線的電流向量和不等于零，就使N2上產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，作為判斷是否漏電的信號。互感線圈一般用0.12漆包線繞500匝以上，當漏電電流30MA時，次級可輸出大于或等于250mV的感應(yīng)電壓。

4. 專用集成電路CS54123CS介紹

本電路核心是通用漏電保護集成電路CS54123CP/CS，其內(nèi)部電路框圖如下，設(shè)有差分放大器、鎖存器和穩(wěn)壓器。電路的輸入靈敏度典型值 VT為 6.1mV，即感應(yīng)電壓達到6.1mV時，器件就能輸出漏電控制信號。

1腳的參考電壓由內(nèi)部電壓發(fā)生器產(chǎn)生，為使用參考電壓保持穩(wěn)定，內(nèi)部電路使用了穩(wěn)壓二極管等電路，外部供電電壓也要求穩(wěn)定。1腳與2腳之間的兩個二極管用于鉗位，使內(nèi)部放大的輸入電壓不超過0.65V。

6.1mV輸入是一個很小的電壓值，需要IC內(nèi)部放大。為防止外部干擾和放大器內(nèi)部不穩(wěn)定時可能造成的誤觸發(fā)，IC內(nèi)部使用了差分放大器。差分放大器的特點是只能放大2個輸入端的差信號。

這類剩余電流動作斷路器，作為成熟的產(chǎn)品，已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。筆者用過德力西和正泰等品牌的產(chǎn)品，因電工裝配時負載總量尚小，用了40A的產(chǎn)品，后來電器增多負載增大，特別是使用了一款即熱式電熱水器，單機功率達到8KW，加上空調(diào)等其他電器，有時總負載高達13KW，因此先后損壞了幾個漏保。從損壞情況看，均是其中的一片斷路器觸點處燒毀，后來升級用60A的漏保，就沒有再損壞過。本文中拆解的產(chǎn)品就是損壞了的，也算廢物利用了。