李羅斌, 司鶯歌, 劉 瑾

(浙江正泰電器股份有限公司, 浙江 溫州 325603)

0 引 言

符合GB/T 16917.1—2014《家用和類(lèi)似用途的帶過(guò)電流保護(hù)的剩余電流動(dòng)作斷路器》[1]規(guī)定的電磁式帶過(guò)電流保護(hù)的剩余電流動(dòng)作斷路器(Residual Current Operated Circuit Breaker with Integral Over Current Protection,RCBO),具有過(guò)電流保護(hù)和剩余電流動(dòng)作保護(hù)功能。其中,過(guò)電流保護(hù)包括短路保護(hù)和過(guò)載保護(hù)。GB/T 16917.1—2014第9.19.1條款規(guī)定產(chǎn)品在200 A的電涌電流時(shí)不應(yīng)脫扣。第9.19.2條款規(guī)定產(chǎn)品在3 000 A電涌電流允許產(chǎn)品脫扣,且以上兩個(gè)試驗(yàn)后產(chǎn)品在I△n下測(cè)試,動(dòng)作時(shí)間應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)要求。為確保每一個(gè)RCBO符合安全性的要求,剩余電流動(dòng)作特性、短路保護(hù)特性、過(guò)載保護(hù)特性和介電性能在產(chǎn)品正常生產(chǎn)過(guò)程均需要進(jìn)行檢測(cè)。因短路保護(hù)特性校驗(yàn)電流通常較大,如C40A,試驗(yàn)脫扣電流上限是10倍額定電流,即400 A;試驗(yàn)不脫扣電流是5倍額定電流,即200 A。因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)規(guī)定的200 A電涌沖擊電流波形和短路保護(hù)特性試驗(yàn)的電流波形不同,如果產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)僅考慮符合標(biāo)準(zhǔn)200 A浪涌電流下不應(yīng)脫扣的要求,就有可能導(dǎo)致產(chǎn)品在進(jìn)行短路保護(hù)校驗(yàn)時(shí),漏電機(jī)構(gòu)發(fā)生誤動(dòng)作,出現(xiàn)斷路器手柄和漏電手柄(或指示件)同時(shí)動(dòng)作的情況,此時(shí)將無(wú)法判斷產(chǎn)品瞬時(shí)脫扣特性是否合格。為解決該問(wèn)題,本文以1P+N電磁式RCBO為研究對(duì)象,利用有限元仿真方法,對(duì)電磁式RCBO磁環(huán)設(shè)計(jì)的影響進(jìn)行了分析,根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行了改進(jìn)和驗(yàn)證。

1 電磁式RCBO工作原理

電磁式RCBO的工作原理:當(dāng)線路中L、N線上的電流大小相等時(shí),互感器一次側(cè)電路的電流矢量和IL+IN=0,磁通的矢量和φL+φN=0,這樣二次側(cè)線圈沒(méi)有感應(yīng)電壓輸出,產(chǎn)品保持閉合。當(dāng)線路發(fā)生接地故障,L、N線上的電流大小不相等,互感器一次側(cè)電路的電流矢量和IL+IN≠0,磁通的矢量和φL+φN≠0,這樣二次側(cè)線圈有感應(yīng)電壓輸出,加在電磁繼電器EMR線圈兩端,產(chǎn)生激磁電流IE,形成一個(gè)反向消磁力FE。當(dāng)故障電流達(dá)到RCBO的動(dòng)作電流值時(shí),激磁電流IE形成的反向消磁力FE使EMR內(nèi)部的銜鐵脫離磁軛,推動(dòng)操作機(jī)構(gòu)動(dòng)作,切斷故障電流回路[2-3]。

2 短路保護(hù)特性校驗(yàn)時(shí)的誤動(dòng)作現(xiàn)象及分析

2.1 短路保護(hù)特性校驗(yàn)時(shí)的誤動(dòng)作現(xiàn)象

以1P+N C40A的RCBO作為研究對(duì)象,根據(jù)GB/T 16917.1—2014標(biāo)準(zhǔn)的要求,產(chǎn)品通5In時(shí),t≤0.1 s不脫扣,產(chǎn)品通10In時(shí),t<0.1 s應(yīng)脫扣。發(fā)現(xiàn)個(gè)別產(chǎn)品在進(jìn)行短路保護(hù)特性校驗(yàn)時(shí),通5In時(shí),RCBO漏電手柄發(fā)生動(dòng)作。實(shí)際短路保護(hù)特性校驗(yàn)是針對(duì)RCBO保護(hù)極電磁脫扣器的校準(zhǔn)。校驗(yàn)時(shí),實(shí)際流過(guò)互感器一次側(cè)的電流大小相等方向相反,理論上互感器二次側(cè)線圈不會(huì)有感應(yīng)電壓。但從產(chǎn)品失效現(xiàn)象來(lái)看,漏電機(jī)構(gòu)中的電磁繼電器EMR發(fā)生了動(dòng)作,導(dǎo)致漏電機(jī)構(gòu)脫扣。那么,導(dǎo)致EMR動(dòng)作存在兩種可能,一種是因?yàn)楫a(chǎn)品結(jié)構(gòu)緊湊,導(dǎo)線上的大電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)抵消了EMR永久磁鐵的吸合力。另一種情況是實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí),互感器上的一次側(cè)進(jìn)出線導(dǎo)體難以做到完成一致,產(chǎn)生的磁通不能夠完全抵消,當(dāng)電流達(dá)到一定值時(shí),將導(dǎo)致二次側(cè)輸出電壓達(dá)到動(dòng)作值,EMR動(dòng)作推動(dòng)機(jī)構(gòu)解鎖,產(chǎn)品脫扣。

2.2 失效分析

(1) 首先,針對(duì)導(dǎo)線上的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)可能抵消EMR永久磁鐵吸合力的問(wèn)題,斷開(kāi)EMR與磁環(huán)二次側(cè)繞組的連接之后,產(chǎn)品在進(jìn)行短路特性校驗(yàn)時(shí),漏電機(jī)構(gòu)不再發(fā)生動(dòng)作,說(shuō)明不是因?yàn)閷?dǎo)線上的大電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)抵消了EMR永久磁鐵的吸合力,導(dǎo)致漏電誤脫扣。

(2) 電流互感器的等效電路圖見(jiàn)圖1所示。

圖1 電流互感器的等效電路圖

圖1中,Es為二次側(cè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì);Us為二次側(cè)負(fù)荷電壓;Ip為一次側(cè)電流;Ip/Kn為二次側(cè)全電流;Is為二次側(cè)電流;Ie為勵(lì)磁電流;N1為一次側(cè)匝數(shù);N2為二次側(cè)匝數(shù);Kn為匝數(shù)比,Kn=N2/N1;Xct為二次側(cè)繞組電抗;Rct為二次側(cè)繞組電阻;Zb為一次側(cè)負(fù)荷阻抗;Ze為勵(lì)磁阻抗[4-7]。

在實(shí)際應(yīng)用中,一次安匝(IpN1)不能全部轉(zhuǎn)換成用于產(chǎn)生鐵心中所需的磁通,即:

Ip/Kn=Is+Ie

(1)

互感器二次側(cè)繞組的電抗Xct在低漏磁互感器情況下可忽略,僅需計(jì)算電阻Rct。

二次側(cè)電壓Us由二次側(cè)電流Is及二次側(cè)負(fù)荷Zb確定,即Us=IsZb。二次側(cè)負(fù)荷包括二次側(cè)連接導(dǎo)線和EMR,二次側(cè)連接導(dǎo)線可僅計(jì)及電阻,其電抗可忽略。

電磁感應(yīng)式按電磁感應(yīng)原理,電流互感器二次側(cè)電動(dòng)勢(shì)為與線圈的磁鏈對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)。設(shè)鐵心中磁通為正弦函數(shù),即φ=BAcsinωt,則

(2)

(3)

式中:es——二次電壓瞬時(shí)值;

Es——二次電壓均方根值;

B——鐵心中磁通密度;

Ac——鐵心截面積。

(3) 根據(jù)漏電斷路器的設(shè)計(jì)原理,理論上設(shè)計(jì)時(shí)希望線路正常時(shí)互感器一次側(cè)的電流矢量和為零,磁通矢量和為零。而實(shí)際上因?yàn)楫a(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原因,無(wú)法完全做到,從而在通過(guò)電流時(shí),互感器上的磁通矢量和實(shí)際不為0。對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品建立了互感器仿真模型(二次側(cè)線目前與一次側(cè)線存在不對(duì)稱(chēng)交叉),并對(duì)互感器上的磁場(chǎng)分布情況進(jìn)行了仿真分析?；ジ衅鲀筛鶎?dǎo)體不對(duì)稱(chēng)的模型圖及磁場(chǎng)分布圖如圖2所示。由圖2可見(jiàn),當(dāng)互感器上的導(dǎo)體設(shè)計(jì)時(shí)存在差異,那么雖然原邊線中的電流大小相等,方向相反,但兩根導(dǎo)體上的電流在互感器上產(chǎn)生的磁場(chǎng)并不完全相同,二次側(cè)線纏繞磁環(huán)一半的空間,并且沒(méi)有嚴(yán)格規(guī)定二次側(cè)線的位置,從而導(dǎo)致互感器二次側(cè)線圈有感應(yīng)電壓輸出,且電壓分散性較大[8-10]。

圖2 互感器兩根導(dǎo)體不對(duì)稱(chēng)的模型圖及磁場(chǎng)分布圖

3 改進(jìn)方案的分析及驗(yàn)證

3.1 改進(jìn)方案的分析

因?yàn)楫a(chǎn)品內(nèi)部空間的限制,互感器上導(dǎo)體的設(shè)計(jì)難以做到完全對(duì)稱(chēng)。因此,針對(duì)一次側(cè)導(dǎo)體和二次側(cè)繞組相對(duì)位置進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)改進(jìn)。二次側(cè)繞組處于不同位置的仿真分析圖如圖3所示。

圖3 二次側(cè)繞組處于不同位置的仿真分析圖

改進(jìn)前后二次側(cè)繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電流分別如圖4、圖5所示。圖4為一次側(cè)線輸入200 A電流時(shí),改進(jìn)前后二次側(cè)線輸出波形。圖5中幅值較大的波形為一次側(cè)線輸入200 A電流時(shí)二次側(cè)線輸出波形,幅值較小的波形為一次側(cè)線輸入400 A電流時(shí)二次側(cè)線輸出波形。其中波形幅值較大的為圖3中改進(jìn)前方案,波形幅值較小的為圖3中改進(jìn)后方案。從分析結(jié)果可知,改進(jìn)后方案在一次側(cè)線輸入電流增加一倍的情況下,二次側(cè)線輸出波形幅值仍低于改進(jìn)前方案。因此,二次側(cè)繞組與一次側(cè)線對(duì)稱(chēng)分布,可大大減少二次側(cè)繞組輸出的感應(yīng)電流,從而避免在較大電流通過(guò)時(shí),二次側(cè)繞組中輸出感應(yīng)電流值達(dá)到產(chǎn)品的動(dòng)作整定值,而使漏電機(jī)構(gòu)發(fā)生誤動(dòng)作。

圖4 改進(jìn)前后二次側(cè)繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電流(200 A)

圖5 改進(jìn)前后二次側(cè)繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電流

3.2 改進(jìn)方案的驗(yàn)證

根據(jù)仿真分析結(jié)果,對(duì)產(chǎn)品二次側(cè)繞組的位置進(jìn)行了調(diào)整,并對(duì)改進(jìn)前后互感器二次側(cè)繞組感應(yīng)電壓進(jìn)行了測(cè)試。試驗(yàn)產(chǎn)品選擇C40A產(chǎn)品,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求,產(chǎn)品施加5In,即200 A,產(chǎn)品在t<0.1 s內(nèi)不脫扣。產(chǎn)品施加10In,即400 A,產(chǎn)品應(yīng)在t≤0.1 s內(nèi)脫扣。

改進(jìn)前產(chǎn)品在一次側(cè)線輸入200 A電流時(shí),漏電機(jī)構(gòu)發(fā)生了動(dòng)作,改進(jìn)前二次側(cè)線輸出電壓波形(200 A)如圖6所示。改進(jìn)后產(chǎn)品在一次側(cè)線輸入200 A電流時(shí),漏電機(jī)構(gòu)未發(fā)生動(dòng)作。改進(jìn)后二次側(cè)線輸出電壓波形(200 A)如圖7所示。改進(jìn)前產(chǎn)品二次側(cè)輸出電壓產(chǎn)生的反向消磁力使得EMR銜鐵脫離磁軛,推動(dòng)頂桿,使漏電機(jī)構(gòu)解鎖。漏電機(jī)構(gòu)解鎖后復(fù)位過(guò)程中對(duì)EMR頂桿施加反向復(fù)位力,使得EMR銜鐵和磁軛重新吸合,產(chǎn)生了圖6中的波形a。改進(jìn)后產(chǎn)品未發(fā)生誤脫扣,EMR沒(méi)有發(fā)生解鎖和重新吸合的情況,因此沒(méi)有圖6中的波形a。

圖6 改進(jìn)前二次側(cè)線輸出電壓波形(200 A)

圖7 改進(jìn)后二次側(cè)線輸出電壓波形(200 A)

將改進(jìn)后產(chǎn)品一次側(cè)線輸出電流增加至420 A,漏電機(jī)構(gòu)發(fā)生了動(dòng)作。改進(jìn)后二次側(cè)線輸出電壓波形(420 A)如圖8所示。

圖8 改進(jìn)后二次側(cè)線輸出電壓波形(420 A)

一次側(cè)線不同輸入電流下,改進(jìn)前后二次側(cè)線輸出電壓幅值如表1所示。

表1 改進(jìn)前后二次側(cè)線輸出電壓幅值

改進(jìn)后方案滿足GB/T 16917.1標(biāo)準(zhǔn)的要求,經(jīng)驗(yàn)證,對(duì)避免產(chǎn)品因磁環(huán)二次側(cè)線與一次側(cè)線交叉設(shè)計(jì),在進(jìn)行短路保護(hù)特性校驗(yàn)時(shí)漏電機(jī)構(gòu)解鎖導(dǎo)致的誤動(dòng)作提供了一種改進(jìn)思路。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)電磁式RCBO互感器設(shè)計(jì)方案的仿真分析,發(fā)現(xiàn)了可能導(dǎo)致電磁式RCBO產(chǎn)品在生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行短路特性校驗(yàn)時(shí)通大電流漏電機(jī)構(gòu)誤動(dòng)作的一種原因。最后通過(guò)改進(jìn)驗(yàn)證,證明了理論分析的有效性,為提升電磁式RCBO抗干擾能力提供了一種參考建議。