浅析过电流对电磁式RCBO漏电特性的影响

李罗斌, 司莺歌, 刘 瑾

(浙江正泰电器股份有限公司, 浙江 温州 325603)

0 引 言

符合GB/T 16917.1—2014《家用和类似用途的带过电流保护的剩余电流动作断路器》[1]规定的电磁式带过电流保护的剩余电流动作断路器(Residual Current Operated Circuit Breaker with Integral Over Current Protection,RCBO),具有过电流保护和剩余电流动作保护功能。其中,过电流保护包括短路保护和过载保护。GB/T 16917.1—2014第9.19.1条款规定产品在200 A的电涌电流时不应脱扣。第9.19.2条款规定产品在3 000 A电涌电流允许产品脱扣,且以上两个试验后产品在I△n下测试,动作时间应符合标准要求。为确保每一个RCBO符合安全性的要求,剩余电流动作特性、短路保护特性、过载保护特性和介电性能在产品正常生产过程均需要进行检测。因短路保护特性校验电流通常较大,如C40A,试验脱扣电流上限是10倍额定电流,即400 A;试验不脱扣电流是5倍额定电流,即200 A。因为标准规定的200 A电涌冲击电流波形和短路保护特性试验的电流波形不同,如果产品设计时仅考虑符合标准200 A浪涌电流下不应脱扣的要求,就有可能导致产品在进行短路保护校验时,漏电机构发生误动作,出现断路器手柄和漏电手柄(或指示件)同时动作的情况,此时将无法判断产品瞬时脱扣特性是否合格。为解决该问题,本文以1P+N电磁式RCBO为研究对象,利用有限元仿真方法,对电磁式RCBO磁环设计的影响进行了分析,根据分析结果进行了改进和验证。

1 电磁式RCBO工作原理

电磁式RCBO的工作原理:当线路中L、N线上的电流大小相等时,互感器一次侧电路的电流矢量和IL+IN=0,磁通的矢量和φL+φN=0,这样二次侧线圈没有感应电压输出,产品保持闭合。当线路发生接地故障,L、N线上的电流大小不相等,互感器一次侧电路的电流矢量和IL+IN≠0,磁通的矢量和φL+φN≠0,这样二次侧线圈有感应电压输出,加在电磁继电器EMR线圈两端,产生激磁电流IE,形成一个反向消磁力FE。当故障电流达到RCBO的动作电流值时,激磁电流IE形成的反向消磁力FE使EMR内部的衔铁脱离磁轭,推动操作机构动作,切断故障电流回路[2-3]。

2 短路保护特性校验时的误动作现象及分析

2.1 短路保护特性校验时的误动作现象

以1P+N C40A的RCBO作为研究对象,根据GB/T 16917.1—2014标准的要求,产品通5In时,t≤0.1 s不脱扣,产品通10In时,t<0.1 s应脱扣。发现个别产品在进行短路保护特性校验时,通5In时,RCBO漏电手柄发生动作。实际短路保护特性校验是针对RCBO保护极电磁脱扣器的校准。校验时,实际流过互感器一次侧的电流大小相等方向相反,理论上互感器二次侧线圈不会有感应电压。但从产品失效现象来看,漏电机构中的电磁继电器EMR发生了动作,导致漏电机构脱扣。那么,导致EMR动作存在两种可能,一种是因为产品结构紧凑,导线上的大电流产生的磁场抵消了EMR永久磁铁的吸合力。另一种情况是实际设计时,互感器上的一次侧进出线导体难以做到完成一致,产生的磁通不能够完全抵消,当电流达到一定值时,将导致二次侧输出电压达到动作值,EMR动作推动机构解锁,产品脱扣。

2.2 失效分析

(1) 首先,针对导线上的电流产生的磁场可能抵消EMR永久磁铁吸合力的问题,断开EMR与磁环二次侧绕组的连接之后,产品在进行短路特性校验时,漏电机构不再发生动作,说明不是因为导线上的大电流产生的磁场抵消了EMR永久磁铁的吸合力,导致漏电误脱扣。

(2) 电流互感器的等效电路图见图1所示。

图1 电流互感器的等效电路图

图1中,Es为二次侧感应电动势;Us为二次侧负荷电压;Ip为一次侧电流;Ip/Kn为二次侧全电流;Is为二次侧电流;Ie为励磁电流;N1为一次侧匝数;N2为二次侧匝数;Kn为匝数比,Kn=N2/N1;Xct为二次侧绕组电抗;Rct为二次侧绕组电阻;Zb为一次侧负荷阻抗;Ze为励磁阻抗[4-7]。

在实际应用中,一次安匝(IpN1)不能全部转换成用于产生铁心中所需的磁通,即:

Ip/Kn=Is+Ie

(1)

互感器二次侧绕组的电抗Xct在低漏磁互感器情况下可忽略,仅需计算电阻Rct。

二次侧电压Us由二次侧电流Is及二次侧负荷Zb确定,即Us=IsZb。二次侧负荷包括二次侧连接导线和EMR,二次侧连接导线可仅计及电阻,其电抗可忽略。

电磁感应式按电磁感应原理,电流互感器二次侧电动势为与线圈的磁链对时间的导数。设铁心中磁通为正弦函数,即φ=BAcsinωt,则

(2)

(3)

式中:es——二次电压瞬时值;

Es——二次电压均方根值;

B——铁心中磁通密度;

Ac——铁心截面积。

(3) 根据漏电断路器的设计原理,理论上设计时希望线路正常时互感器一次侧的电流矢量和为零,磁通矢量和为零。而实际上因为产品结构设计的原因,无法完全做到,从而在通过电流时,互感器上的磁通矢量和实际不为0。对现有产品建立了互感器仿真模型(二次侧线目前与一次侧线存在不对称交叉),并对互感器上的磁场分布情况进行了仿真分析。互感器两根导体不对称的模型图及磁场分布图如图2所示。由图2可见,当互感器上的导体设计时存在差异,那么虽然原边线中的电流大小相等,方向相反,但两根导体上的电流在互感器上产生的磁场并不完全相同,二次侧线缠绕磁环一半的空间,并且没有严格规定二次侧线的位置,从而导致互感器二次侧线圈有感应电压输出,且电压分散性较大[8-10]。

图2 互感器两根导体不对称的模型图及磁场分布图

3 改进方案的分析及验证

3.1 改进方案的分析

因为产品内部空间的限制,互感器上导体的设计难以做到完全对称。因此,针对一次侧导体和二次侧绕组相对位置进行了方案设计改进。二次侧绕组处于不同位置的仿真分析图如图3所示。

图3 二次侧绕组处于不同位置的仿真分析图

改进前后二次侧绕组产生的感应电流分别如图4、图5所示。图4为一次侧线输入200 A电流时,改进前后二次侧线输出波形。图5中幅值较大的波形为一次侧线输入200 A电流时二次侧线输出波形,幅值较小的波形为一次侧线输入400 A电流时二次侧线输出波形。其中波形幅值较大的为图3中改进前方案,波形幅值较小的为图3中改进后方案。从分析结果可知,改进后方案在一次侧线输入电流增加一倍的情况下,二次侧线输出波形幅值仍低于改进前方案。因此,二次侧绕组与一次侧线对称分布,可大大减少二次侧绕组输出的感应电流,从而避免在较大电流通过时,二次侧绕组中输出感应电流值达到产品的动作整定值,而使漏电机构发生误动作。

图4 改进前后二次侧绕组中产生的感应电流(200 A)

图5 改进前后二次侧绕组中产生的感应电流

3.2 改进方案的验证

根据仿真分析结果,对产品二次侧绕组的位置进行了调整,并对改进前后互感器二次侧绕组感应电压进行了测试。试验产品选择C40A产品,根据标准要求,产品施加5In,即200 A,产品在t<0.1 s内不脱扣。产品施加10In,即400 A,产品应在t≤0.1 s内脱扣。

改进前产品在一次侧线输入200 A电流时,漏电机构发生了动作,改进前二次侧线输出电压波形(200 A)如图6所示。改进后产品在一次侧线输入200 A电流时,漏电机构未发生动作。改进后二次侧线输出电压波形(200 A)如图7所示。改进前产品二次侧输出电压产生的反向消磁力使得EMR衔铁脱离磁轭,推动顶杆,使漏电机构解锁。漏电机构解锁后复位过程中对EMR顶杆施加反向复位力,使得EMR衔铁和磁轭重新吸合,产生了图6中的波形a。改进后产品未发生误脱扣,EMR没有发生解锁和重新吸合的情况,因此没有图6中的波形a。

图6 改进前二次侧线输出电压波形(200 A)

图7 改进后二次侧线输出电压波形(200 A)

将改进后产品一次侧线输出电流增加至420 A,漏电机构发生了动作。改进后二次侧线输出电压波形(420 A)如图8所示。

图8 改进后二次侧线输出电压波形(420 A)

一次侧线不同输入电流下,改进前后二次侧线输出电压幅值如表1所示。

表1 改进前后二次侧线输出电压幅值

改进后方案满足GB/T 16917.1标准的要求,经验证,对避免产品因磁环二次侧线与一次侧线交叉设计,在进行短路保护特性校验时漏电机构解锁导致的误动作提供了一种改进思路。

4 结 语

本文通过对电磁式RCBO互感器设计方案的仿真分析,发现了可能导致电磁式RCBO产品在生产过程中进行短路特性校验时通大电流漏电机构误动作的一种原因。最后通过改进验证,证明了理论分析的有效性,为提升电磁式RCBO抗干扰能力提供了一种参考建议。