胡建平

（湖南高速鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽 421500）

隨著電力網(wǎng)的發(fā)展，因漏電引起的火災(zāi)事故也越來越頻繁，剩余電流動作斷路器已成為保護(hù)人身安全、火災(zāi)防止的重要終端保護(hù)電器。電磁式剩余電流動作斷路器因其保護(hù)動作與電網(wǎng)電壓無關(guān)被廣泛使用。因此剩余電流動作斷路器動作的可靠性越來越受到人們的重視，而作為RCD 的核心部件之一電磁脫扣器（EMR）能否可靠動作直接關(guān)系到剩余電流動作斷路器（RCCB）的可靠性。本文通過模擬剩余電流動作斷路器在實際使用中的環(huán)境，進(jìn)行實驗?zāi)M，以試驗中失效的電磁脫扣器（EMR）開始，對剩余電流動作斷路器的失效進(jìn)行分析，找出其失效的原因，并提出改善方案，通過試驗驗證方案的可行性。

1 RCCB 原理與結(jié)構(gòu)

電磁式RCCB 原理圖如圖1所示，其核心部件由主電路，剩余電流檢測互感器，電磁脫扣器（EMR）,操作機構(gòu)等構(gòu)成。主電路中的漏電信號通過電流互感器檢測出來后通過電互感器二次側(cè)繞組將信號傳遞給電磁脫扣器。當(dāng)剩余電流信號值達(dá)到產(chǎn)品整定值時，脫扣器頂桿推動操作機構(gòu)鎖扣，使RCCB 動作，完成電路主電路分?jǐn)嗳蝿?wù)。依據(jù)其工作原理可知，RCCB 能否可靠動作，其結(jié)構(gòu)中的EMR 起到關(guān)鍵作用。

圖1 電磁式RCCB 原理圖

EMR 由永久磁鐵、磁軛、銜鐵、EMR 線圈、反力彈簧、頂桿等零件組成，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。開關(guān)閉合時，線圈中無電流，永久磁鐵吸力大于彈簧反力，磁軛與銜鐵吸合。當(dāng)EMR 線圈中有電流流過時，當(dāng)電流達(dá)到整定值時，線圈產(chǎn)生足夠磁場，此磁場與永久磁鐵產(chǎn)生的磁場抵消，電磁吸力小于彈簧反力，EMR 動作。

圖2 電磁式脫扣器結(jié)構(gòu)圖

2 試驗項目

我們選正常出廠的6 臺（2P/30mA）RCCB 委托給上海低壓電器研究所按GB 16916.1—2008 程序G 的規(guī)定進(jìn)行氣候可靠性試驗?？煽啃栽囼炛芷谌鐖D3所示。

圖3 氣候可靠性試驗周期

我們對試后品按如下方法做了測試：①按國家標(biāo)準(zhǔn)要求對試品通以1.25IΔn試驗電流驗證產(chǎn)品的動作正確性；②直接檢測每只試品的具體剩余電流動作值，試品試驗前后的剩余電流動作值進(jìn)行比較。計算試品試驗前后的電流波動幅度；③對試品試驗前后的操作機構(gòu)脫扣力進(jìn)行測量記錄，脫扣力測量位置如圖4所示，試驗數(shù)據(jù)偏差最大的6 只試品數(shù)據(jù)見表1。

從表1中我們可以得知，正常出廠的產(chǎn)品在進(jìn)行氣候試驗后可能出現(xiàn)不動作。當(dāng)我們對其具體動作電流值進(jìn)行測量時，產(chǎn)品的第一次剩余動作電流整定值變大，部分產(chǎn)品動作電流值遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的37.5mA（1.25IΔn）而造成產(chǎn)品的不動作，之后產(chǎn)品恢復(fù)正常動作能力：操作機構(gòu)的脫扣力正常。

圖4 脫扣力測試點

表1 RCCB 氣候試驗前后動作電流、脫扣力

3 失效分析

從試驗結(jié)果我們可以得出，RCCB 在進(jìn)行可靠性試驗之后，第一次測試電流偏大，部分動作電流遠(yuǎn)大于其整定電流。而RCCB 的機構(gòu)脫扣力變化不大，由些可以初步得出失效的原因主要是由電磁脫扣器引起。我們將失效EMR 取出兩只，分別對兩只EMR 的磁軛、銜鐵的表面進(jìn)行電鏡分析，我們發(fā)現(xiàn)，在EMR 的磁軛、銜鐵的表面發(fā)現(xiàn)許多污點。具體如圖5所示。

進(jìn)一步對表面污點進(jìn)行取樣，檢測其成分，檢測到其中一組的元素成分圖如圖6所示。成分比例見表2。

從電鏡檢查及成份檢測我們可以看出，污點元素中含有大量碳、氧等非鐵磁成份，檢查結(jié)果說明試驗后脫扣器工作面有氧化反應(yīng)和灰塵吸附現(xiàn)象。這也能很好地解釋了脫扣器長期合閘后出現(xiàn)第一次動作電流偏大或失效現(xiàn)象。針對氧化反應(yīng)和灰塵吸附現(xiàn)象，我們對脫扣器進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)所示EMR的保護(hù)外殼密封性差。底蓋與側(cè)蓋結(jié)合卡扣處縫隙太寬，使用環(huán)境中的灰塵顆粒容易進(jìn)入EMR 內(nèi)部。具體如圖7所示。

圖5 電鏡下EMR 磁軛、銜鐵表面污點 （上下各為一對磁軛、銜鐵）

圖6 污點元素成分圖

表2 污點元素成分比例表

圖7 EMR 罩殼縫隙

同時銜鐵的縱向移動沒有被限制，引起表面接觸不均。容易引起積灰產(chǎn)生氧化反應(yīng)，具體如圖8所示。

圖8 銜鐵的縱向移動沒有被限制

4 改進(jìn)方案

從原因分析可以得知，要提高EMR 的可靠性，必需降低鐵磁材料表面的灰程吸附性以及氧化能力、改善EMR 的密封性能、限制銜鐵的縱向移動及。EMR 電磁脫扣器銜鐵為1J50 鐵鎳合金軟磁材料制成，原銜鐵磨削加手工研磨后未進(jìn)行表面處理，表面狀態(tài)不穩(wěn)定，且易磨損，致使合格率低，壽命低。采用物理氣相沉積TiN 的表面處理工藝，可獲得表面高的耐磨層（厚度在0.3～1.0μm，表層硬度可達(dá)2100HV），且由于物理氣相沉積過程中的高能離子轟擊作用，能使沉積層附著強度高，均勻，清潔度提高，因而顯著提高EMR 繼電器的使用壽命和可靠性。同時，我們對EMR 的外殼進(jìn)行修模。將卡扣由明裝更改為隱性的安裝，同時對EMR 的銜鐵槽進(jìn)行尺寸修正，寬度由原來的89.7mm 修正為70.0mm。修正后的EMR 如圖9所示。將改進(jìn)后的RCCB 再次進(jìn)行試驗，試驗產(chǎn)品全部合格，且無第一次動作電流偏大現(xiàn)象。具體數(shù)據(jù)見表3。

同樣取氣候試驗之后的EMR 進(jìn)行電鏡檢查及元素成份分析。發(fā)現(xiàn)EMR 銜鐵表面非常光潔，并沒有污點產(chǎn)品，具體如圖10所示。而且成份單一，僅有鐵磁材料。具體見表4。

圖9 修正后的EMR

表3 改進(jìn)EMR 后RCCB 可靠性試驗數(shù)據(jù)

表4 處理后表面元素成份表

圖10 改進(jìn)后EMR 電鏡檢查圖

5 結(jié)論

本文通過對漏電保護(hù)器RCCB 中EMR 的失效原理進(jìn)行查找分析，確定了RCCB 第一次動作電流偏大或失效的主要原因是EMR 中工作面發(fā)生灰塵吸附及氧化作用導(dǎo)致。通過改進(jìn)EMR 的外殼設(shè)計、銜鐵槽的尺寸以及采用采用物理氣相沉積TiN 的表面處理工藝，提高接觸表面高的耐磨層等方法。解決了EMR 失效問題。

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[2] 劉金鹿,蘇秀蘋,任俊勇,等.塑殼式斷路器中電磁脫扣器的分析與優(yōu)化[J].低壓電器,2010(21): 1-4,8.

[3] Genji T,NAKAMURA,Isozaki M,et al.400V class high-speed current limting circuit brekaer for electric power system[J].EIEE Trans on Power Delive,1994,9(3): 1428-1435.

[4] GB 16916.1—2008 家用和類似用途的不帶過電流保護(hù)的剩余電流動作斷路器（RCCB）[S].

[5] GB 16917.1—2008 家用和類似用途的帶過電流保護(hù)的剩余電流動作斷路器（RCBO）[S].