剩余电流互感器设计中应注意的一些问题教材

1、剩余电流互感器设计中应注意的一些问题1 剩余电流互感器的矢量图 剩余电流互感器的主要功能是检测通过互感器铁心的主电路 (一次回路 ) 的剩余电流(接地故障电流) ，并将一次回路的剩余电流变换成二次回路的 输出电压。二次回路输出电压直接，或通过信号放大装置将信号放大以后 施加到剩余电流脱扣器的脱扣线圈上，使脱扣器动作。剩余电流互感器工 作性能直接影响剩余电流保护电器的性能和可靠性。剩余电流互感器一次 回路和二次回路的电流与电压关系的矢量图见图 1。I2图 1 剩余电流互感器电流和电压关系的矢量图图 1 中 N1为互感器一次回路导线，对贯穿式环形互感器，即为穿过互 感器主电路的导线； N2 为二次

2、回路导线， 通常缠绕在环形铁心上， 一次回路 和二次回路通过铁心实现电磁耦合； I 1为一次回路的电流； I 2为二次回路的 电流；I 0为铁心的磁化电流， E2为二次回路的感应电压， 为二次回路的电 流滞后角。根据矢量图，一次回路的电流、二次回路的电流及铁心的磁化 电流之间的关系见式 (1) 和式 (2)1）N1I 1 N2I 2+N1I 0N1I1 (N1I0 N2I2 sin )2 (N2I2 cos )2(2)由式（ 2）可得出：2E2 N1 N 22N 22(3)I 1 2 ( 2 sin )2 ( 2 cos )2N1 Z 0N 2 Z 2Z2式中 E2为二次回路感应电压， Z0

3、为激磁阻抗， Z2为二次回路阻抗。由式（ 3）可以看出，在 N1、N2等参数确定的条件下，相对于一次回路确 定的电流值 I 1，要提高二次回路的感应电压 E2，应尽可能提高互感器的激 磁阻抗 Z0。根据磁路定律，铁心的激磁阻抗由下式所示：2(4)N12 SZ0l式中 为铁心的导磁率， l 为铁心磁路的平均长度， S为铁心截面积，为电源角频率2 提高互感器检测灵敏度和可靠性的措施剩余电流互感器应具有高的检测灵敏度和检测可靠性。2.1 提高检测灵敏度的措施a）选用高导磁率的材料剩余电流互感器检测的电流范围一般从几个毫安至几百毫安，而互感器 一次回路导线由于受到主电路导线截面积的限制往往只有一匝或几

4、匝，激 磁安匝较小。互感器是处在弱磁场的条件下工作，这就要求互感器的铁心 具有较高的导磁率，尤其是要求有较高的初始导磁率。剩余电流互感器的 铁心一般采用高导磁率的铁镍软磁合金制成， 例如 1J85，其最大导磁率 可大于 0.628 H/m，初始导磁率 0 也可达 0.0628 H/m以上，特别适合于在弱磁场条件下工作，可以制成高灵敏度的剩余电流互感器。近年来也有些产品采用高导磁率的非晶态或微晶态合金材料制造剩余 电流互感器，非晶和微晶合金材料具有较高的导磁率，铁心加工及热处理 的工艺要求较低，成本也相应较低，但其材料的稳定性相对铁镍软磁合金 还有差距。对于剩余动作电流较大的其它剩余电流保护电器

5、，例如剩余电 流继电器等，也可以采用硅钢片、铁淦氧等其它高导磁材料制造的互感器 铁心。b) 提高互感器的激磁阻抗根据式(3) 可知，剩余电流互感器的检测灵敏度还与互感器的激磁阻抗 有关，即与一次回路的匝数 N1、铁心的截面 S 和磁路平均长度 l 等有关。 增加一次回路匝数、增大铁心截面尺寸和减少磁路平均长度都能提高检测 灵敏度。但一次回路匝数受到主回路温升及结构的限制不能过多，即使额 定电流较小的剩余电流保护电器一般也不会大于 5-6 匝。额定电流较大的 剩余电流保护电器，一次回路只能采用穿心式，不可能增加匝数。而增大 铁心截面尺寸和减少磁路长度又受到几何尺寸的限制，应根据剩余电流保 护电器

6、的结构综合进行考虑。2.2 提高检测可靠性的措施 剩余电流互感器的检测可靠性与互感器铁心的材料、结构及加工工艺有 关。a) 提高互感器的平衡特性 从理论上讲，当没有接地故障时，通过互感器一次回路的每相电流在铁心中产生的磁通应相互抵消，剩余电流互感器的二次回路应该没有输出。实际上，由于漏磁通的存在、一次回路导线布置不对称和互感器铁心周边 方向导磁率的不均匀，即使主电路没有接地故障时，一次回路电流产生的 磁通也不会完全抵消，二次回路就有一个微弱残留信号输出。随着主回路 工作电流的增大，不平衡的程度也会增大，尤其是电动机或用电设备起动 时产生的大起动电流作用下，残留输出信号也会增大，甚至导致剩余电流

7、 保护电器误动作。为此，要尽量减少残留输出信号，因此要求剩余电流互 感器的一次回路导线尽量对称布置，磁回路的截面和导磁率均匀对称，以 减少漏磁通的影响。互感器铁心形状一般为圆环形，采用带材卷绕或用板 材冲成环形薄片重叠而成，并采用适当的屏蔽层对互感器的铁心进行屏蔽， 以减少漏磁通的影响。对于大电流等级的剩余电流保护电器，因为额定电 流较大，起动电流可达到几千安培，漏磁通的影响更为明显，必须采用更 为完善的屏蔽措施，才能达到平衡特性的要求。图 2 为某一型号剩余电流断路器互感器的结构，主要由铁心、绝缘罩 壳、二次回路线圈、试验回路线圈、绝缘片、屏蔽片、屏蔽圈、二次回路 和试验回路线圈引出线和绝缘

8、外壳等组成。整个互感器铁心，包括二次回 路线圈、试验回路线圈和屏蔽等用环氧树脂封装在一个绝缘外壳中，二次 回路线圈和试验回路线圈通过引出线引出。1屏蔽圈2屏蔽片3绝缘外壳4罩壳A 放大 5屏蔽圈6线圈7罩壳8铁心9罩壳10绝缘片11环氧树脂12二次回路和试验回路引出线图 2 剩余电流断路器互感器的典型结构b) 提高铁心材料的温度稳定性剩余电流保护电器要求在基准温度和极限温度下，其动作特性均应符合 规定的要求。因此必须考虑温度变化对互感器特性的影响。如果温度变化 时，导磁率或饱和磁感应密度产生较大的波动，有可能引起动作特性产生 较大的波动，使剩余电流动作特性在极限温度下超出规定的要求。因此要 选

9、用具有较高的温度稳定性的高导磁率的软磁合金材料，防止温度变化引 起动作特性的变化。c) 减小铁心材料的矫顽力在电路故障产生短路电流时，会对互感器产生较大的磁冲击，由于剩磁 的影响可能使互感器的特性产生变化。为减小这种影响，要求制造铁心的 材料具有较小的矫顽力 Hc，以减少剩磁的影响，防止大电流冲击后引起动 作电流的变化。一般来讲，铁镍软磁合金制造的互感器较非晶合金和微晶具有更高温度 稳定性和磁性能稳定性，在温度变化时和短路电流冲击后，动作电流不会 发生明显的变化。3 剩余电流互感器设计中的一些问题3.1 互感器铁心材料选用 剩余电流互感器一次回路的激磁电流很小，处于弱磁场条件下工作， 对额定剩

10、余动作电流为 0.006A的剩余电流保护电器，最小的工作磁场强度 只有0.080 A/m左右。在正常工作时经常会受到大起动电流或短路电流的冲 击，不能因冲击电流产生的剩磁影响动作特性。因此互感器的铁心材料一 般采用具有高起始导磁率、高的最大导磁率和低矫顽力铁镍软磁合金材料， 例如1J76、1J79、1J80、1J85等。铁镍软磁合金材料具有极高的起始导磁 率或最大导磁率，极低的矫顽力，较低的饱和磁感应密度，以及良好的温 度稳定性。例如， 1J85冷轧带材II 级和1J86冷轧带材，在 0.08A/m磁场强度 下的磁导率可达到 62.5 mH/m以上，最大磁导率可达 225325 mH/m以上，

11、 矫顽力在 1.2 A/m 以下 , 适合于制造高灵敏度要求的剩余电流互感器铁心， 尤其是电磁式的剩余电流互感器的铁心。对电子式剩余电流保护电器的互 感器铁心也可采用 1J79等牌号的铁镍软磁合金。剩余电流互感器铁心制造方式有卷绕成环形和环形冲片两种，卷绕铁心 的材料一般选用厚度为 0.10-0.20 mm的冷轧带材 ,冲片铁心的材料一般选用 厚度为 0.3-1.00 的冷轧带材。除了铁镍软磁合金外，也有采用非晶态或超微晶态的软磁合金材料制造 剩余电流互感器铁心。非晶态和超微晶态软磁合金具有制造工艺和热处理 工艺简单、成本较低，最大导磁率和饱和磁感应密度高等优点，但起始磁 导率较低，不适合于对

12、起始磁导率和灵敏度要求较高的剩余电流保护电器 使用，例如，电磁式剩余电流保护电器。此外，对非晶态和超微晶材料机 械性能较脆，易碎裂，其时效性及大电流冲击后的磁特性稳定性等问题还 有待进一步研究和积累运行经验。3.2 互感器结构设计1. 剩余电流互感器的铁心一般采用环形结构，可采用卷绕铁心或冲片铁 心。铁心的尺寸根据剩余电流保护电器的结构、一次回路导体尺寸和灵敏 度要求而定。根据前面所述，要提高互感器的灵敏度和输出功率，应尽可能提高铁心 的激磁阻抗，从激磁阻抗： Z0 N1 S 可以看出，要提高 Z0，除了提高磁导 l 率以外，可还通过提高铁心截面积 S 、增加一次回路匝数 N1、缩小平均 磁路

13、长度 l 等。根据结构，一次回路一般均设计为一匝，对额定电流较小 的电磁式剩余电流保护电器也可以设计为几匝。电子式剩余电流保护电器，对互感器的输出功率要求不高，铁心截面尺 寸可设计得小一点。对额定电流较小的剩余电流保护电器，互感器直径较 小，如采用高磁导率的铁镍软磁合金，截面积可设计为 10 mm2 至 20 mm2 之 间；额定电流较大时，互感器直径较大，平均磁路也长，铁心截面积应适 当增大，可设计为 30 mm2至 50 mm2之间。对电磁式剩余电流保护电器，要 求互感器有较高的灵敏度和较高的输出功率，因此要增大铁心的截面积， 例如额定电流为 40A 至 63A的剩余电流保护电器，如采用高

14、磁导率的铁镍 软磁合金，铁心的截面积约在 100mm2至 200 mm2之间。对 A 型剩余电流保护 电器，要提高脉动电流时的输出，除了采取其他相应措施外（例如，改变 磁滞回线形状，增加脉动直流时输出） ，也可增大互感器铁心截面积的尺寸。 具体铁心尺寸应根据剩余电流保护电器的整体结构、一次回路的导体尺寸 及检测灵敏度的要求综合考虑。2. 高磁导率的铁镍软合金材料的铁心在卷绕或加工完成后，要经过高 温热处理后才能达到磁性能要求。经过高温热处理的铁心对机械应力很敏 感，在受到机械应力或冲击后，磁性能会急骤下降，使动作特性发生变化， 因此在互感器设计时应对铁心采取足够的保护措施，防止正常使用过程中

15、受机械应力的影响。互感器铁心应放置在高强度工程塑料制成的外壳中， 并采取适当的防振措施，如增加防振垫片，或充填防振硅脂等。在剩余电 流保护电器结构设计时，也要防止一次回路导体或其他部件对互感器施加 过大应力。3.3 互感器阻抗匹配 在互感器几何尺寸和一次回路匝数确定的条件下，要达到最大的灵敏 度，还应使二次回路阻抗与互感器的激磁阻抗匹配，这点对电磁式剩余电 流保护电器尤其重要。般情况下，二次回路的电阻较小，当二次回路的电阻相对于阻抗可以忽略不计时，式（ 3）可简化为：图 3 互感器的阻抗匹配I 1E2 N12 N2 （5） N1 Z0N2 Z2要提高灵敏度，即对应于一定的二次回路 电压输出 E

16、2，I 1越小越好，由式（ 5）可见，对 应一定 E2 值时， I 1 越小，则式（ 5）括号内的 值应越小。当 N2变化时，括号内的值的变化如2 图3所示。双曲线 N1 与直线 N2 相交于 M点，该 Z0 N2Z2交点的 N1 Z0N2N2 值最小Z222M点的 N1 N 2 ，即 Z2 N2 Z0时，互感器的 Z0N2 Z2N1灵敏度最高对电子式剩余电流保护电器，二次回路的信号经过电子放大装置放大，3.4 互感器工作点选择 剩余电流互感器在设计时应考虑 工作点在软磁合金材料磁化曲线上的 位置，工作点应设计在磁化曲线上的 直线段，例如图 4中a 点至 b 点之间。 如选择在磁化曲线的饱和段，例如 b 点和 c 点之间，则动作电流的波动范围 要大大增加。在磁化曲线上磁感应密度图 4 磁化曲线上工作点的选择B与二次回路的输出电压相对应，磁灵敏度不是主要矛盾，因而不必考虑阻抗的匹配问题 （ 见6.3.1） 。场强度与一次回路的电流相对应。如对应一定的二次回路输出电压变化，