漏电保护器结构及原理图解
（本文原发在新浪博客，最近发现该网址无法显示，因此在知乎转发一下。）摘要：本文介绍漏电保护器（剩余电流动作断路器）的结构和工作原理，包括
（本文原发在新浪博客，最近发现该网址无法显示，因此在知乎转发一下。）
摘要：本文介绍漏电保护器（剩余电流动作断路器）的结构和工作原理，包括机械动作部分和电路控制部分。重点是分析控制电路，通过绘制研究实例的电路图，围绕漏电保护专用集成电路芯片LW54123，对漏电检测、信号处理等电路原理作了较详细的分析。此外对交流电路中漏电电流的产生、触电电流的危害等级也作了一些介绍。
一、 主要功能
1、基本介绍
“漏电保护器”又称“触电保护器”，简称“漏保”。世界各国对其称呼各不相同，英国称为剩余电流装置（RCD），剩余电流断路器（RCCB），美国和加拿大则使用术语接地故障断路器（GFCI），接地故障断路器（GFI）或器具漏电断路器（ALCI）。2005年后，为与国际接轨，我国也将“漏电保护器”改称为“剩余电流动作断路器”，如果同时集成了额外的过流保护，则称为RCBO。但平时人们还是使用“漏保”的称呼。
从上图可见，漏保=空气开关+漏电保护模块。上图已将2部分拆开，以方便看清“脱扣连锁杆”。剩余电流就是漏电电流，通过“除接地线外的总输出输入电流之间的不平衡”来检测，当超过设置阀值后，断开电路，起到保护作用。
2、拆解研究对象
本文以正泰公司的DZ47LED－63剩余电流动作断路器为例，进行拆解研究。关于断路器部分的拆解研究，另见文章：hnsjc：断路器（空气开关）结构及原理图解。本文主要分析其剩余电流动作部分的结构和功能。
官网上的参数描述如下：
其中“额定剩余动作电流”和“剩余电流动作分断时间”是二个重要参数。相关标准的设定后文会提到。
二、 漏电保护原理
1、家用配电线路简介
小区和楼宇供电均采用“三相配电”，但入户时可以配置为“三相”或“单相”（常称两相），且多数为单相。三相配置要接入A、B、C三根相线、一条零线和一条地线，称为“三相五线”。单相配置只要接入相线、零线、地线各一条。一个小区上百套住宅分成3组，分别接入A、B、C相，尽量让三相电流负荷平衡。工厂、单位及一部分家庭采用三相供电的，内部的单相电器也是分接不同的相，以保持平衡。三相越平衡，总供电线路上的零线电流越小，损耗也越小。
2、漏电流的产生
当出现电器受潮、绝缘破损、人体触电等情形时，电路中会产生不希望有的电流，这个电流就是“漏电电流”，国际上称“剩余电流”，即“Residual Current”的译称。从电路理论上讲，剩余电流是指配电线路中，各相及中性线电流的矢量和不为零时的电流，这个电流通过人体或其他漏电通道直接从相线泄漏到大地了，当剩余电流大到一定值时，就会引发触电、火灾等事故。
不管是三相配电还是单相配电，我们总是处于三相供电系统中。所以可用下图来进行分析触电情形。第1种情形“单线触电”，电流从C相通过人体流入大地，就是“剩余电流”，这是最常见的触电事故，触电保护器保护的就是这种情况。但第2、第3种情形，形成的触电电流是在相线与相线或零线间，对电路来说，这个触电电流与正常的负载电流一样，因此保护器无法区分，也不会动作的。这类情况目前似乎没有自动保护装置可用，好在一般用户不太会同时接触2根相线或相线和零线，但对带电操作的专业电工，还是要引起重视的。
3、触电及其危害
湖南省电力公司科学研究院的王伟能、王志强、彭潇在《接地电流频率和畸变对漏电保护器的影响》一文中给出了“电击人体病态生理效应区域图”及相关解读，本文摘录其部分内容如下。
IEC 60479-1 规定了电流/时间关系的四个区域，叙述了每个区域内人体的病态生理效应，如图 所示，横轴表示流经人体电流大小，纵轴表示电流的持续时间。图中各区含义如下：
- AC- 1 区表示无知觉；
- AC-2 区表示有知觉；
- AC-3 区表示存在可逆效应的肌肉收缩；
- AC-4 区表示可能出现不可逆效应；
- AC-4-1 区表示心脏纤维性颤动可达 5%；
- AC-4-2 区表示心脏纤维性颤动可达 50%；
- AC-4-3 区表示心脏纤维性颤动可超过 50%；
图中各曲线含义如下：
- A 曲线表示电流感知阈；
- B 曲线表示肌肉反应阈；
- C1 曲线表示 0%几率的心室纤维性颤动阈；
- C2 曲线表示 5%几率的心室纤维性颤动阈；
- C3 曲线表示 50%几率的心室纤维性颤动阈。
以曲线C1 为例说明，当电流通过人体时，如果电流超过 30 mA，则人体很可能被电击致死，除非该电流能在相当短的时间内被切断。
IEC 60479标准的内容是“电流对人类和牲畜的影响”，是国际电工委员会（IEC）的 一套标准中的一个。各国在设定保护的动作电流阀值时，均依据此标准。人体流过30毫安电流就可能导致骨骼肌瘫痪、心脏停止跳动，因此，我国保护器的“额定剩余动作电流”设定为30mA，“剩余电流动作的分断时间”设置为小于0.1秒，与澳大利亚和一些欧洲/亚洲国家相同，但欧美国家的标准为设定为5 mA。
4、漏电保护基本原理
下图是漏电保护器的功能框图，由主电路及断路器、剩余电流传感器、控制电路、脱扣装置等几部分组成。当发生漏电时，零序互感器次级线圈感应出电压，通过控制电路放大处理后，驱动脱扣器动作，2个断路器在连锁机构的作用下，同时切断主电路。
三、 拆解分析
1、 断路器模块的机械连锁部件
拆解整个装置后，可以分为三个模块：2片断路器，分别是“零线N断路器”和“火线L断路器”，以及1个“漏电保护模块”。这三部分通过4个铜销铆合在一起，三部分之间通过2个机械结构连锁，起到同步动作的功能。相当于任意1个模块动作，都能使零线和相线同步断开。
2片断路器之间的机械连锁结构如下图：
第2片断路器与漏保之间的机械连锁结构如下图所示：
2、漏保模块内部结构
漏电保护模块内部分5个部分：控制电路板、漏电传感器、电磁脱扣装置、测试电路及输入输出接线端。下图中未标示出测试电路部件。
3、 控制电路板
四、 控制电路分析
1. 电路图
为了绘制电路图，将电路板正反面逆光拍摄，再将背面图镜像翻转。这样方便看清其线路。
绘制得到电路图。为了方便分析电路工作原理，图中同时给出了IC电路内部的功能框图。
2. 电路工作原理分析
220V电压的零线N和火线L经上接线端接入后，经过2片断路器（图中K1）后，接入到漏电保护模块内，穿过漏电传感器T2后连接到输出端。当发生过流、短路及漏电故障时，在连锁机构的作用下，2片断路器跳闸，同时切断N和L线路。
控制电路采用了专用集成电路CS54123。当发生漏电时，传感器T2检测到的微弱电压信号经R1、UD1、C1、R2、R3、C2后送入IC的1脚和2脚。1脚是芯片内部的稳定参考电压。R2、R3是保护电阻，R1是灵敏度调节电阻，C1、C2是滤波电容，UD1是双向二极管，钳制输入电压不大于0.6V。信号经IC内部放大电路放大后，从4脚输出，给C5充电。充电电压从5脚输入内部触发器，当达到一定值时，触发器翻转并锁存，从7脚输出高电平，触发单向可控硅VT导通，电磁铁L1获得一个大电流，内部衔铁吸合，引发断路器脱扣动作，切断主电路。可控硅导通时的电流通路为：线路L—电磁线圈L1—D1—VT－地—电桥中的二极管（图中4－3间）—线路N。
R5、SW1组成测试电路，按下测试按钮时，该测试电路为传感器T2提供了56mA的模拟“剩余电流”，超过了保护动作值30mA，系统应作出跳闸响应，否则就说明系统存在故障。
电路板供电采用电容降压方式，经R4、C9降压，再经二极管D2－D5整流、C8滤波，得到10V多的直流电压，加载到IC的8脚。尽管供电电流也流经电磁线圈L1，但由于IC需要电流很小，平时不会导致L1动作。RT是压敏电阻，可吸引掉线路上的浪涌电压。
3. 漏电传感器工作原理
检测元件是电流互感器T2。相线L、零线N穿过环形铁心，构成了互感器的一次线圈N1，缠绕在环形铁芯上的绕组构成了互感器的二次线圈N2。如果没有漏电发生，流过相线、零线的电流向量和等于零，因此在N2上也不能产生相应的感应电动势。如果发生了漏电，相线、零线的电流向量和不等于零，就使N2上产生感应电动势，作为判断是否漏电的信号。互感线圈一般用0.12漆包线绕500匝以上，当漏电电流30MA时，次级可输出大于或等于250mV的感应电压。
4. 专用集成电路CS54123CS介绍
本电路核心是通用漏电保护集成电路CS54123CP/CS，其内部电路框图如下，设有差分放大器、锁存器和稳压器。电路的输入灵敏度典型值 VT为 6.1mV，即感应电压达到6.1mV时，器件就能输出漏电控制信号。
1脚的参考电压由内部电压发生器产生，为使用参考电压保持稳定，内部电路使用了稳压二极管等电路，外部供电电压也要求稳定。1脚与2脚之间的两个二极管用于钳位，使内部放大的输入电压不超过0.65V。
6.1mV输入是一个很小的电压值，需要IC内部放大。为防止外部干扰和放大器内部不稳定时可能造成的误触发，IC内部使用了差分放大器。差分放大器的特点是只能放大2个输入端的差信号。
这类剩余电流动作断路器，作为成熟的产品，已经得到了广泛的应用。笔者用过德力西和正泰等品牌的产品，因电工装配时负载总量尚小，用了40A的产品，后来电器增多负载增大，特别是使用了一款即热式电热水器，单机功率达到8KW，加上空调等其他电器，有时总负载高达13KW，因此先后损坏了几个漏保。从损坏情况看，均是其中的一片断路器触点处烧毁，后来升级用60A的漏保，就没有再损坏过。本文中拆解的产品就是损坏了的，也算废物利用了。
