剩余電流互感器設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的一些問(wèn)題

剩余電流互感器設(shè)計(jì)中應(yīng)留意的一些問(wèn)題剩余電流互感器的矢量圖剩余電流互感器的主要功能是檢測(cè)通過(guò)互感器鐵心的主電路(一次回路)的剩余電流〔接地故障電流，并將一次回路的剩余電流變換成二次回路的輸出電壓。二次回路輸出電壓直接，或通過(guò)信號(hào)放大裝置將信號(hào)放大以后施加到剩余電流脫扣器的脫扣線圈上，使脫扣器動(dòng)作。剩余電流互感器工作性能直接影響剩余電流保護(hù)電器的性能和牢靠性。剩余電流互感器一次1。EE2I2I1NN12EZ22NIΦθNI2210NIθNI22111剩余電流互感器電流和電壓關(guān)系的矢量圖1N1

為互感器一次回路導(dǎo)線，對(duì)貫穿式環(huán)形互感器，即為穿過(guò)互2

1

2

為二次回路的為二次回路的電0 2流滯后角。依據(jù)矢量圖，一次回路的電流、二次回路的電流及鐵心的磁化電流之間的關(guān)系見(jiàn)式(1)和式(2)

〔1〕NI＝

11 22 10

(N(NI NI sin)2(NI cos)211 10 2 2 2 2(N(N21ZN0 2sin)2( 2cos)2NNZZ2 2 2

EI＝2

(3)1 N1式中E2

為二次回路感應(yīng)電壓，Z0

Z2

為二次回路阻抗。1 2IE，應(yīng)盡可能提高互感器的激1 2磁阻抗Z0依據(jù)磁路定律，鐵心的激磁阻抗由下式所示：NZ＝ 1

(4)0 l式中μ為鐵心的導(dǎo)磁率，l為鐵心磁路的平均長(zhǎng)度，Sω為電源角頻率。提高互感器檢測(cè)靈敏度和牢靠性的措施剩余電流互感器應(yīng)具有高的檢測(cè)靈敏度和檢測(cè)牢靠性。提高檢測(cè)靈敏度的措施選用高導(dǎo)磁率的材料剩余電流互感器檢測(cè)的電流范圍一般從幾個(gè)毫安至幾百毫安，而互感器一次回路導(dǎo)線由于受到主電路導(dǎo)線截面積的限制往往只有一匝或幾匝，激磁安匝較小?；ジ衅魇翘幵谌醮艌?chǎng)的條件下工作，這就要求互感器的鐵心具有較高的導(dǎo)磁率，尤其是要求有較高的初始導(dǎo)磁率。剩余電流互感器的0.628H/m，初始導(dǎo)磁率μ0.0628H/m0弱磁場(chǎng)條件下工作，可以制成高靈敏度的剩余電流互感器。近年來(lái)也有些產(chǎn)品承受高導(dǎo)磁率的非晶態(tài)或微晶態(tài)合金材料制造剩余電流互感器，非晶和微晶合金材料具有較高的導(dǎo)磁率，鐵心加工及熱處理的工藝要求較低，本錢(qián)也相應(yīng)較低，但其材料的穩(wěn)定性相對(duì)鐵鎳軟磁合金還有差距。對(duì)于剩余動(dòng)作電流較大的其它剩余電流保護(hù)電器，例如剩余電流繼電器等，也可以承受硅鋼片、鐵淦氧等其它高導(dǎo)磁材料制造的互感器鐵心。提高互感器的激磁阻抗依據(jù)式(3)可知，剩余電流互感器的檢測(cè)靈敏度還與互感器的激磁阻抗N

Sl等有關(guān)。1增加一次回路匝數(shù)、增大鐵心截面尺寸和削減磁路平均長(zhǎng)度都能提高檢測(cè)靈敏度。但一次回路匝數(shù)受到主回路溫升及構(gòu)造的限制不能過(guò)多，即使額5-6剩余電流保護(hù)電器，一次回路只能承受穿心式，不行能增加匝數(shù)。而增大鐵心截面尺寸和削減磁路長(zhǎng)度又受到幾何尺寸的限制，應(yīng)依據(jù)剩余電流保護(hù)電器的構(gòu)造綜合進(jìn)展考慮。提高檢測(cè)牢靠性的措施剩余電流互感器的檢測(cè)牢靠性與互感器鐵心的材料、構(gòu)造及加工工藝有關(guān)。提高互感器的平衡特性從理論上講，當(dāng)沒(méi)有接地故障時(shí)，通過(guò)互感器一次回路的每相電流在鐵心中產(chǎn)生的磁通應(yīng)相互抵消，剩余電流互感器的二次回路應(yīng)當(dāng)沒(méi)有輸出。實(shí)際上，由于漏磁通的存在、一次回路導(dǎo)線布置不對(duì)稱和互感器鐵心周邊方向?qū)Т怕实牟痪鶆?，即使主電路沒(méi)有接地故障時(shí)，一次回路電流產(chǎn)生的磁通也不會(huì)完全抵消，二次回路就有一個(gè)微弱殘留信號(hào)輸出。隨著主回路工作電流的增大，不平衡的程度也會(huì)增大，尤其是電動(dòng)機(jī)或用電設(shè)備起動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的大起動(dòng)電流作用下，殘留輸出信號(hào)也會(huì)增大，甚至導(dǎo)致剩余電流保護(hù)電器誤動(dòng)作。為此，要盡量削減殘留輸出信號(hào)，因此要求剩余電流互感器的一次回路導(dǎo)線盡量對(duì)稱布置，磁回路的截面和導(dǎo)磁率均勻?qū)ΨQ，以削減漏磁通的影響?；ジ衅麒F心外形一般為圓環(huán)形，承受帶材卷繞或用板材沖成環(huán)形薄片重疊而成，并承受適當(dāng)?shù)钠帘螌訉?duì)互感器的鐵心進(jìn)展屏蔽，以削減漏磁通的影響。對(duì)于大電流等級(jí)的剩余電流保護(hù)電器，由于額定電流較大，起動(dòng)電流可到達(dá)幾千安培，漏磁通的影響更為明顯，必需承受更為完善的屏蔽措施，才能到達(dá)平衡特性的要求。2殼、二次回路線圈、試驗(yàn)回路線圈、絕緣片、屏蔽片、屏蔽圈、二次回路和試驗(yàn)回路線圈引出線和絕緣外殼等組成。整個(gè)互感器鐵心，包括二次回路線圈、試驗(yàn)回路線圈和屏蔽等用環(huán)氧樹(shù)脂封裝在一個(gè)絕緣外殼中，二次回路線圈和試驗(yàn)回路線圈通過(guò)引出線引出。AA1－屏蔽圈 2－屏蔽片 3－絕緣外殼 4－罩A放大 5－屏蔽圈6－線圈 7－罩殼8－鐵心 9－罩殼 10－絕緣片 11－環(huán)氧樹(shù)脂 12－二次回路和試驗(yàn)回路引出線2剩余電流斷路器互感器的典型構(gòu)造提高鐵心材料的溫度穩(wěn)定性剩余電流保護(hù)電器要求在基準(zhǔn)溫度和極限溫度下，其動(dòng)作特性均應(yīng)符合規(guī)定的要求。因此必需考慮溫度變化對(duì)互感器特性的影響。假設(shè)溫度變化時(shí)，導(dǎo)磁率或飽和磁感應(yīng)密度產(chǎn)生較大的波動(dòng)，有可能引起動(dòng)作特性產(chǎn)生較大的波動(dòng)，使剩余電流淌作特性在極限溫度下超出規(guī)定的要求。因此要選用具有較高的溫度穩(wěn)定性的高導(dǎo)磁率的軟磁合金材料，防止溫度變化引起動(dòng)作特性的變化。減小鐵心材料的矯頑力在電路故障產(chǎn)生短路電流時(shí)，會(huì)對(duì)互感器產(chǎn)生較大的磁沖擊，由于剩磁的影響可能使互感器的特性產(chǎn)生變化。為減小這種影響，要求制造鐵心的材料具有較小的矯頑力H作電流的變化。

，以削減剩磁的影響，防止大電流沖擊后引起動(dòng)c一般來(lái)講，鐵鎳軟磁合金制造的互感器較非晶合金和微晶具有更高溫度穩(wěn)定性和磁性能穩(wěn)定性，在溫度變化時(shí)和短路電流沖擊后，動(dòng)作電流不會(huì)發(fā)生明顯的變化。剩余電流互感器設(shè)計(jì)中的一些問(wèn)題互感器鐵心材料選用剩余電流互感器一次回路的激磁電流很小，處于弱磁場(chǎng)條件下工作，對(duì)額定剩余動(dòng)作電流為0.006A的剩余電流保護(hù)電器，最小的工作磁場(chǎng)強(qiáng)度只有0.080A/m左右。在正常工作時(shí)常常會(huì)受到大起動(dòng)電流或短路電流的沖擊，不能因沖擊電流產(chǎn)生的剩磁影響動(dòng)作特性。因此互感器的鐵心材料一般承受具有高起始導(dǎo)磁率、高的最大導(dǎo)磁率和低矯頑力鐵鎳軟磁合金材料，例如1J76、1J79、1J80、1J85等。鐵鎳軟磁合金材料具有極高的起始導(dǎo)磁率或最大導(dǎo)磁率，極低的矯頑力，較低的飽和磁感應(yīng)密度，以及良好的溫度穩(wěn)定性。例如，1J85冷軋帶材II級(jí)和1J86冷軋帶材，在0.08A/m磁場(chǎng)強(qiáng)度下的磁導(dǎo)率可到達(dá)62.5mH/m以上，最大磁導(dǎo)率可達(dá)225－325mH/m以上，矯頑力在1.2A/m以下,適合于制造高靈敏度要求的剩余電流互感器鐵心，尤其是電磁式的剩余電流互感器的鐵心。對(duì)電子式剩余電流保護(hù)電器的互感器鐵心也可承受1J79等牌號(hào)的鐵鎳軟磁合金。剩余電流互感器鐵心制造方式有卷繞成環(huán)形和環(huán)形沖片兩種，卷繞鐵心的材料一般選用厚度為0.10-0.20mm的冷軋帶材,沖片鐵心的材料一般選用厚度為0.3-1.00的冷軋帶材。除了鐵鎳軟磁合金外，也有承受非晶態(tài)或超微晶態(tài)的軟磁合金材料制造剩余電流互感器鐵心。非晶態(tài)和超微晶態(tài)軟磁合金具有制造工藝和熱處理工藝簡(jiǎn)潔、本錢(qián)較低，最大導(dǎo)磁率和飽和磁感應(yīng)密度高等優(yōu)點(diǎn)，但起始磁導(dǎo)率較低，不適合于對(duì)起始磁導(dǎo)率和靈敏度要求較高的剩余電流保護(hù)電器使用，例如，電磁式剩余電流保護(hù)電器。此外，對(duì)非晶態(tài)和超微晶材料機(jī)械性能較脆，易碎裂，其時(shí)效性及大電流沖擊后的磁特性穩(wěn)定性等問(wèn)題還有待進(jìn)一步爭(zhēng)論和積存運(yùn)行閱歷?；ジ衅鳂?gòu)造設(shè)計(jì)剩余電流互感器的鐵心一般承受環(huán)形構(gòu)造，可承受卷繞鐵心或沖片鐵心。鐵心的尺寸依據(jù)剩余電流保護(hù)電器的構(gòu)造、一次回路導(dǎo)體尺寸和靈敏度要求而定。依據(jù)前面所述，要提高互感器的靈敏度和輸出功率，應(yīng)盡可能提高鐵心

N＝1＝

，除了提高磁導(dǎo)0 l 0率μ以外，可還通過(guò)提高鐵心截面積S、增加一次回路匝數(shù)N、縮小平均1磁路長(zhǎng)度l等。依據(jù)構(gòu)造，一次回路一般均設(shè)計(jì)為一匝，對(duì)額定電流較小的電磁式剩余電流保護(hù)電器也可以設(shè)計(jì)為幾匝。電子式剩余電流保護(hù)電器，對(duì)互感器的輸出功率要求不高，鐵心截面尺寸可設(shè)計(jì)得小一點(diǎn)。對(duì)額定電流較小的剩余電流保護(hù)電器，互感器直徑較10mm220mm2之間；額定電流較大時(shí)，互感器直徑較大，平均磁路也長(zhǎng)，鐵心截面積應(yīng)適30mm250mm2之間。對(duì)電磁式剩余電流保護(hù)電器，要求互感器有較高的靈敏度和較高的輸出功率，因此要增大鐵心的截面積，40A63A軟磁合金，鐵心的截面積約在100mm2200mm2之間。對(duì)A電器，要提高脈動(dòng)電流時(shí)的輸出，除了實(shí)行其他相應(yīng)措施外〔例如，轉(zhuǎn)變具體鐵心尺寸應(yīng)依據(jù)剩余電流保護(hù)電器的整體構(gòu)造、一次回路的導(dǎo)體尺寸及檢測(cè)靈敏度的要求綜合考慮。高磁導(dǎo)率的鐵鎳軟合金材料的鐵心在卷繞或加工完成后，要經(jīng)過(guò)高溫?zé)崽幚砗蟛拍艿竭_(dá)磁性能要求。經(jīng)過(guò)高溫?zé)崽幚淼蔫F心對(duì)機(jī)械應(yīng)力很敏感，在受到機(jī)械應(yīng)力或沖擊后，磁性能會(huì)急驟下降，使動(dòng)作特性發(fā)生變化，因此在互感器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)鐵心實(shí)行足夠的保護(hù)措施，防止正常使用過(guò)程中受機(jī)械應(yīng)力的影響。互感器鐵心應(yīng)放置在高強(qiáng)度工程塑料制成的外殼中，并實(shí)行適當(dāng)?shù)姆勒翊胧缭黾臃勒駢|片，或充填防振硅脂等。在剩余電流保護(hù)電器構(gòu)造設(shè)計(jì)時(shí)，也要防止一次回路導(dǎo)體或其他部件對(duì)互感器施加過(guò)大應(yīng)力。互感器阻抗匹配在互感器幾何尺寸和一次回路匝數(shù)確定的條件下，要到達(dá)最大的靈敏度，還應(yīng)使二次回路阻抗與互感器的激磁阻抗匹配，這點(diǎn)對(duì)電磁式剩余電流保護(hù)電器尤其重要。一般狀況下，二次回路的電阻較小，當(dāng)二次回路的電阻相對(duì)于阻抗可以無(wú)視不計(jì)時(shí)，式〔3〕可簡(jiǎn)化為：EN2 N1 N2 N1 2ZN Z0 2 2N2Z2N21ZN0 2

N2 N 1 2

〔5〕1 N ZN Z1 0 2 2要提高靈敏度，即對(duì)應(yīng)于肯定的二次回路2 1應(yīng)肯定E2M N

值時(shí)，I1

越小，則式〔5〕括號(hào)內(nèi)的3互感器的阻抗匹配

2 N變化時(shí)，括號(hào)內(nèi)的值的變化如212圖3所示。雙曲線N2 與直線N 相交于M點(diǎn)，該12ZN Z0 2 2交點(diǎn)的N211

＋2值最小。M點(diǎn)的 1

N ，即Z＝N

2Z時(shí)，互感器的NZN

ZN

2 N 0＝ ＝

0 2 2 1靈敏度最高。對(duì)電子式剩余電流保護(hù)電器，二次回路的信號(hào)經(jīng)過(guò)電子放大裝置放大，6.3.1)。互感器工作點(diǎn)選擇剩余電流互感器在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮工作點(diǎn)在軟磁合金材料磁化曲線上的位置，工作點(diǎn)應(yīng)設(shè)計(jì)在磁化曲線上的直線段，例如圖4中ab點(diǎn)之間。如選擇在磁化曲線的飽和段，例如b點(diǎn)和c

4磁化