剩余电流断路器设计要点周积刚PPT学习教案

1、剩余电流断路器设计要点周积刚剩余电流断路器设计要点周积刚概述概述123电子式剩余电流断路器电路设计电子式剩余电流断路器电路设计4剩余电流脱扣器的设计要点剩余电流脱扣器的设计要点剩余电流互感器设计要点剩余电流互感器设计要点第1页/共55页塑壳式塑壳式断路器断路器剩 余 电剩 余 电流元件流元件断 路 器 和断 路 器 和剩 余 电 流剩 余 电 流元 件 在 一元 件 在 一个壳体内个壳体内第2页/共55页p 无论整体式结构或组装式结构的剩余电流断路无论整体式结构或组装式结构的剩余电流断路器，其剩余电流互感器、脱扣器、信号放大装置器，其剩余电流互感器、脱扣器、信号放大装置和试验装置均是用于剩余电

2、流的检测、判断和测和试验装置均是用于剩余电流的检测、判断和测试等功能，是剩余电流断路器的关键零部件，其试等功能，是剩余电流断路器的关键零部件，其质量的稳定性和可靠性直接影响剩余电流断路器质量的稳定性和可靠性直接影响剩余电流断路器的工作可靠性和稳定性。的工作可靠性和稳定性。剩余电流剩余电流互感器互感器剩余电流剩余电流脱扣器脱扣器电子线电子线路板路板第3页/共55页1 1、剩余电流互感器的剩余电流互感器的设计要求设计要求p 剩余电流互感器的功能剩余电流互感器的功能 检测检测主电路的剩余电流（触电、漏电等接地故主电路的剩余电流（触电、漏电等接地故障电流），并将一次回路的剩余电流变换成二次障电流），并

3、将一次回路的剩余电流变换成二次回路的输出电压回路的输出电压, ,该电压该电压直接或通过信号放大装置，直接或通过信号放大装置，使使剩余电流剩余电流脱扣器动作。互感器工作性能的优劣脱扣器动作。互感器工作性能的优劣将直接影响剩余电流保护电器的性能和工作可靠将直接影响剩余电流保护电器的性能和工作可靠性性p 剩余电流互感器的技术要求剩余电流互感器的技术要求 高灵敏度：检测电流最小至高灵敏度：检测电流最小至0.006A0.006A； 高可靠性：不产生误动作；高可靠性：不产生误动作； 高稳定性：温度、时效稳定高稳定性：温度、时效稳定第4页/共55页2 2、剩余电流互感器的矢量图剩余电流互感器的矢量图剩余电流

4、互感器电流和电压关系的矢量图剩余电流互感器电流和电压关系的矢量图N1I2I1N2E2N2I2N N2 2I I2 2N N1 1I I1 1N N1 1I I0 0图中：图中：N N1 1为一次回路导线为一次回路导线匝数匝数；N N2 2为二次回路匝数；为二次回路匝数；I I1 1为一次为一次回路电流；回路电流；I I2 2为二次回路电流；为二次回路电流；I I0 0为铁心激磁电流；为铁心激磁电流；E E2 2为二次为二次回路感应电压；回路感应电压；为二次回路电流滞后角为二次回路电流滞后角E2第5页/共55页p 根据矢量图，一次回路电流、二次回路电流及根据矢量图，一次回路电流、二次回路电流及铁

5、心激磁电流间的关系如下列公式所示：铁心激磁电流间的关系如下列公式所示： N N1 1I I1 1+ +N N2 2I I2 2 N N1 1I I0 0 （1 1） N N1 1I I1 1 （2 2） I I1 1 （3 3）p 由式（由式（3 3）可见，在）可见，在N N1 1、N N2 2等参数确定的条件下，等参数确定的条件下，相对于一次回路确定的电流值相对于一次回路确定的电流值I I1 1，要提高二次回路，要提高二次回路的感应电压的感应电压E E2 2（提高灵敏度），应尽可能提高互感（提高灵敏度），应尽可能提高互感器的激磁阻抗器的激磁阻抗Z Z0 0 第6页/共55页 互感器的激磁阻抗

6、互感器的激磁阻抗 Z Z0 0 （4 4） 式中式中为铁心的导磁率，为铁心的导磁率，l l 为铁心磁路的平均长度，为铁心磁路的平均长度，S S为铁心截面积，为铁心截面积，为电源角频率为电源角频率p 因此，要增大因此，要增大Z Z0 0，应提高铁心的导磁率、截面积和，应提高铁心的导磁率、截面积和一次回路的匝数，减少铁心的磁路长度一次回路的匝数，减少铁心的磁路长度l l 第7页/共55页3 3、剩余电流互感器、剩余电流互感器结构结构 剩余电流互感器一般采用穿心式的环形互感器，剩余电流互感器一般采用穿心式的环形互感器，一次回路导线一次回路导线N N1 1从互感器中间穿过，二次回路导线从互感器中间穿过

7、，二次回路导线N N2 2缠绕在环形铁心上，通过互感器的铁心实现一次回路缠绕在环形铁心上，通过互感器的铁心实现一次回路和二次回路之间的电磁耦合。和二次回路之间的电磁耦合。1.1.屏蔽圈屏蔽圈 2 2. .屏蔽屏蔽片片3.3.绝缘外绝缘外壳壳 4 4. .罩壳罩壳 5 5. .屏蔽圈屏蔽圈 6 6. .线圈线圈 7 7. .罩壳罩壳 8.8.铁心铁心 9 9. .罩壳罩壳 10.10.绝缘片绝缘片1111. .环氧树脂环氧树脂12.12.二次回路和试验二次回路和试验回路引出线回路引出线 第8页/共55页4 4、互感器铁心材料和结构设计要求、互感器铁心材料和结构设计要求 1) 1) 对铁心材料的要

8、求：对铁心材料的要求：p 互感器检测电流一般从几个毫安至几百毫安，而一互感器检测电流一般从几个毫安至几百毫安，而一次回路导线受到结构限制往往只有一匝或几匝，激磁次回路导线受到结构限制往往只有一匝或几匝，激磁安匝较小。安匝较小。对对I In n为为0.006A 0.006A 的的RCDRCD，最小工作磁场约，最小工作磁场约为为0.080 A/m0.080 A/m，要求铁心具有较高导磁率和初始导磁，要求铁心具有较高导磁率和初始导磁率率p 正常工作时主电路会受到大起动电流或短路电流冲正常工作时主电路会受到大起动电流或短路电流冲击，互感器处于极端饱和状态。此时不能因剩磁影响击，互感器处于极端饱和状态。

9、此时不能因剩磁影响动作特性，要求铁心具有低矫顽力动作特性，要求铁心具有低矫顽力第9页/共55页p 铁镍软磁合金材料，例如铁镍软磁合金材料，例如1J761J76、1J791J79、1J801J80、1J851J85等，等，具有较高起始导磁率和最大导磁率，极低的矫顽力，较具有较高起始导磁率和最大导磁率，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。低的饱和磁感应密度，以及良好的温度稳定性。例如，例如，1J851J85，其，其m m可大于可大于0.628 H/m0.628 H/m，0 0也可达也可达0.0625 H/m0.0625 H/m以以上，适合于在弱磁场条件下工作，可上，适合于在弱

10、磁场条件下工作，可制造剩余电流互感制造剩余电流互感器的铁心器的铁心p 非晶和超微晶合金材具有较高磁导率，加工及热处理非晶和超微晶合金材具有较高磁导率，加工及热处理工艺要求较低，成本也相应较低，近几年发展较快，稳工艺要求较低，成本也相应较低，近几年发展较快，稳定性也逐渐提高，其应用逐渐增多定性也逐渐提高，其应用逐渐增多p 对于剩余动作电流较大的其它剩余电流对于剩余动作电流较大的其它剩余电流断路器断路器，例如，例如剩余剩余动作动作电流电流为几十安以上时为几十安以上时，也可以采用硅钢片等其，也可以采用硅钢片等其它导磁材料制造互感器铁心它导磁材料制造互感器铁心第10页/共55页牌号牌号种类种类厚度厚度

11、mmmm0.08A/m0.08A/m下下磁导率磁导率mHmH/m/m最大磁导最大磁导率率mHmH/m/mH Hc cA/mA/mB Bs sT T1J761J76冷轧带材冷轧带材0.10-0.190.10-0.1925251751752.82.80.750.751J771J77冷轧带材冷轧带材0.10-0.190.10-0.1950502252251.21.20.600.601J791J79冷轧带材冷轧带材(III)(III)0.10-0.190.10-0.1938382502501.21.20.730.731J801J80冷轧带材冷轧带材(III)(III)0.10-0.340.10-0.3

12、456562502501.01.00.630.631J851J85冷轧带材冷轧带材(II)(II)0.10-0.190.10-0.1962.562.52252251.21.20.700.701J851J85冷轧带材冷轧带材(II)(II)0.20-0.340.20-0.3475752502501.01.00.700.701J851J85冷轧带材冷轧带材(II)(II)0.350.3568.868.83253250.70.70.700.701J861J86冷轧带材冷轧带材0.10-0.190.10-0.1962.562.52252251.21.20.600.601J861J86冷轧带材冷轧带材0

13、.20-0.340.20-0.3475752752750.70.70.600.601J861J86冷轧带材冷轧带材0.35-1.000.35-1.0062.562.52502501.21.20.600.60高起始导磁率铁镍软磁合金的磁特性示例如下表高起始导磁率铁镍软磁合金的磁特性示例如下表第11页/共55页 2) 2) 结构设计要求结构设计要求 p 铁心一般为圆环形，用带材卷绕或板材冲环形薄铁心一般为圆环形，用带材卷绕或板材冲环形薄片重叠而成，卷绕铁心磁对称性好，材料利用率高，片重叠而成，卷绕铁心磁对称性好，材料利用率高，但制造工艺要求较高；冲片式制造方便，磁对称性但制造工艺要求较高；冲片式制

14、造方便，磁对称性较差，材料利用率低。卷绕材料厚度为较差，材料利用率低。卷绕材料厚度为0.10-0.20 0.10-0.20 mmmm冷轧带材冷轧带材, ,冲片材料一般选用冲片材料一般选用0.3-1.000.3-1.00的冷轧带材的冷轧带材p N N1 1、 N N2 2、 L L和和S S等结构参数确定：等结构参数确定： 主回路匝数主回路匝数N N1 1受结构限制，一般采用穿心式，受结构限制，一般采用穿心式， N N1 1为为1 1，电磁式剩余电流断路器的，电磁式剩余电流断路器的N N1 1也不会大于也不会大于5-65-6匝匝 减少磁路长度，即铁心内径，根据主回路导减少磁路长度，即铁心内径，根

15、据主回路导体截面积确定，要确保所有的主回路导体，包括绝体截面积确定，要确保所有的主回路导体，包括绝缘等均能通过互感器内孔缘等均能通过互感器内孔第12页/共55页 铁心截面积铁心截面积S S，除了与检测灵敏度有关外，也，除了与检测灵敏度有关外，也与互感器输出功率有关。对电子式，与互感器输出功率有关。对电子式，输出功率要求不输出功率要求不高，铁心截面尺寸高，铁心截面尺寸要求不高，额定电流较小时，铁心要求不高，额定电流较小时，铁心直径小，可直径小，可设计为设计为几个几个mmmm2 2至至十几十几 mm mm2 2；额定电流较大；额定电流较大时，互感器直径较大，平均磁路也长，铁心截面积应时，互感器直径

16、较大，平均磁路也长，铁心截面积应适当增大，可设计为适当增大，可设计为30 mm30 mm2 2至至50 mm50 mm2 2之间。对电磁式之间。对电磁式剩余电流保护电器，要求较高的输出功率，剩余电流保护电器，要求较高的输出功率，应应增大铁增大铁心的截面积，约在心的截面积，约在几十几十mmmm2 2至至一百多一百多 mm mm2 2。 根据铁心截面根据铁心截面S S，可确定铁心外径和铁心厚度，可确定铁心外径和铁心厚度，但整个铁心尺寸应与剩余电流断路器整个结构综合考但整个铁心尺寸应与剩余电流断路器整个结构综合考虑虑第13页/共55页 3) 3) 屏蔽结构设计屏蔽结构设计p 由于漏磁通的存在，即使没

17、有接地故障，一次回由于漏磁通的存在，即使没有接地故障，一次回路电流产生的磁通也不会完全抵消，有一个微弱残路电流产生的磁通也不会完全抵消，有一个微弱残留信号输出。用电设备起动时产生瞬时大起动电流留信号输出。用电设备起动时产生瞬时大起动电流的作用下，残留输出增大，可能导致剩余电流断路的作用下，残留输出增大，可能导致剩余电流断路器误动作。主回路额定电流增大时尤为明显。为此，器误动作。主回路额定电流增大时尤为明显。为此，除了在机械结构上提高平衡性能，减少漏磁通影响除了在机械结构上提高平衡性能，减少漏磁通影响外，屏蔽结构设计是关键外，屏蔽结构设计是关键p 额定电流额定电流200A200A及以下可采用及以

18、下可采用1mm 1mm 至至2mm2mm左右的普左右的普通钢板制成屏蔽罩壳，必要时也可采用双层屏蔽罩通钢板制成屏蔽罩壳，必要时也可采用双层屏蔽罩壳壳第14页/共55页p 额定电流额定电流200A200A以上，主回路电流漏磁通对平衡性以上，主回路电流漏磁通对平衡性能的影响较严重能的影响较严重, ,尤其是对互感器铁心两边的影响，尤其是对互感器铁心两边的影响，屏蔽设计要求较高。一般在铁心的两边采用多片高屏蔽设计要求较高。一般在铁心的两边采用多片高饱和磁感密度材料制成的屏蔽铁片屏蔽，铁心内外饱和磁感密度材料制成的屏蔽铁片屏蔽，铁心内外圏采用屏蔽圈屏蔽。圏采用屏蔽圈屏蔽。 4)4)保护外壳保护外壳p 铁

19、镍软磁合金铁的磁性能对机械应力敏感，非铁镍软磁合金铁的磁性能对机械应力敏感，非晶态、超微晶材料机械性能较脆，易碎裂，因此晶态、超微晶材料机械性能较脆，易碎裂，因此无论那种铁心在设计时均应考虑保护措施。一般无论那种铁心在设计时均应考虑保护措施。一般采用高强度工程塑料制成的外壳进行保护，并采采用高强度工程塑料制成的外壳进行保护，并采取适当的防震措施，避免外力对铁心机械或磁性取适当的防震措施，避免外力对铁心机械或磁性能的影响能的影响第15页/共55页5 5、剩余电流互感器、剩余电流互感器工作点选择工作点选择p 剩余电流互感器设计时工作点应位于磁化曲线剩余电流互感器设计时工作点应位于磁化曲线上的直线段

20、，上的直线段，这对电磁式剩余电流断路器尤为重要，这对电磁式剩余电流断路器尤为重要，即工作点应位于即工作点应位于图图中的中的a a 点至点至 b b点之间点之间，如选择如选择在饱和段在饱和段 b b 点和点和 c c点之间，则动作点之间，则动作电流的波动范围电流的波动范围要大大增加要大大增加 第16页/共55页p 在磁化曲线上在磁化曲线上B B与互感器的二次回路的输出电压相与互感器的二次回路的输出电压相对应，磁场强度与一次回路的电流相对应。对应一对应，磁场强度与一次回路的电流相对应。对应一定的输出电压变化，定的输出电压变化，B B的变化范围为的变化范围为0.2 T0.2 T。如如工作工作点在直线

21、段，磁场强度点在直线段，磁场强度H H的变化范围为的变化范围为0.55 A/m0.55 A/m，而，而在饱和段，则在饱和段，则H H的变化范围为的变化范围为2.35 A/m2.35 A/m，是直线段的，是直线段的4.274.27倍倍 ，也就是说如工作点设计不合理，剩余电流，也就是说如工作点设计不合理，剩余电流动作保护装置的动作电流波动范围要增加动作保护装置的动作电流波动范围要增加4.274.27倍，倍，动作电流极不稳定。动作电流极不稳定。第17页/共55页6 6、剩余电流互感器二次回路阻抗与激磁阻抗匹配剩余电流互感器二次回路阻抗与激磁阻抗匹配p 对电磁式剩余电流互感器，对电磁式剩余电流互感器，

22、在互感器几何尺寸在互感器几何尺寸和一次回路匝数确定的条件下，要达到最大的输出和一次回路匝数确定的条件下，要达到最大的输出灵敏度，应使二次回路阻抗与互感器的激磁阻抗匹灵敏度，应使二次回路阻抗与互感器的激磁阻抗匹配配p 电磁式剩余电流保护电器互感器二次回路的电电磁式剩余电流保护电器互感器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阻较小，当二次回路的电阻相对于阻抗可以忽略不计时，计时，前面的式（前面的式（3 3）可简化为：可简化为：p 在一定的在一定的E E2 2下，要下，要I I1 1最小，则括号中的值应最小最小，则括号中的值应最小222021ZNNZNI I1 112NE第18页/

23、共55页222021ZNNZN22ZN2021NZN互感器的阻抗匹互感器的阻抗匹配配p 由图可见：由图可见： = = 时时括号中的值最小，即：括号中的值最小，即： Z Z2 222ZN2021NZN212NNZ Z0 0 时时 互感器灵敏度最高互感器灵敏度最高第19页/共55页6 6、剩余电流互感器剩余电流互感器的仿真设计的仿真设计p 对剩余电流互感器设计引进仿真分析技术意义：对剩余电流互感器设计引进仿真分析技术意义： 利用仿真分析技术，建立精确数学模型，模拟利用仿真分析技术，建立精确数学模型，模拟实际工况，充分考虑磁化曲线非线性，实现优化设计实际工况，充分考虑磁化曲线非线性，实现优化设计 可

24、视化和数字化分析结果，让设计人员在设计可视化和数字化分析结果，让设计人员在设计阶段，更直观和有效地去分析问题，发现设计缺陷，阶段，更直观和有效地去分析问题，发现设计缺陷，有效避免设计失误有效避免设计失误 虚拟样机替代物理样机进行试验检测，减少样虚拟样机替代物理样机进行试验检测，减少样机试制次数，节约资源和能耗，降低设计成本机试制次数，节约资源和能耗，降低设计成本p 剩余电流互感器仿真设计方法剩余电流互感器仿真设计方法 采用三维模块中具有场路耦合功能的软件，如采用三维模块中具有场路耦合功能的软件，如MaxwellMaxwell软件等软件等第20页/共55页 仿真的流程一般包括：建立模型或者导入模

25、仿真的流程一般包括：建立模型或者导入模型、选定单元设定自由度（有些软件不需要人为设型、选定单元设定自由度（有些软件不需要人为设定）、定义材料属性、剖分网格、加载激励和边界定）、定义材料属性、剖分网格、加载激励和边界条件、求解、后处理查看结果。条件、求解、后处理查看结果。 建立原边线圈、铁心、副边线圈实体模型，建立原边线圈、铁心、副边线圈实体模型，建立副边线圈时需要考虑副边线圈缠绕的均匀性，建立副边线圈时需要考虑副边线圈缠绕的均匀性，副边线圈模型建立精确程度直接影响计算结果的精副边线圈模型建立精确程度直接影响计算结果的精确度确度 铁心磁化曲线起始段上升非常快。而剩余电铁心磁化曲线起始段上升非常快

26、。而剩余电流互感器铁心的工作点正是在这一区间，仅从磁化流互感器铁心的工作点正是在这一区间，仅从磁化曲线难以准确地取出曲线难以准确地取出B B和和H H数值，因此在测量磁化曲数值，因此在测量磁化曲线数据时，对起始段采用加密测量方式，并将数据线数据时，对起始段采用加密测量方式，并将数据直接导出进行仿真，可提高计算精确度直接导出进行仿真，可提高计算精确度第21页/共55页 仿真时，在原边导体加载一正弦漏电电流，仿真时，在原边导体加载一正弦漏电电流，副边线圈按照实际情况进行电路连接，例如连接一副边线圈按照实际情况进行电路连接，例如连接一个采样电阻。副边线圈的电阻在个采样电阻。副边线圈的电阻在maxwe

27、llmaxwell软件中需要软件中需要设定，副边线圈的电感值在设定，副边线圈的电感值在maxwellmaxwell软件中不需设定，软件中不需设定，软件会自动计算出电感结果软件会自动计算出电感结果p 剩余电流互感器仿真计算结果剩余电流互感器仿真计算结果 采样电阻为采样电阻为500500欧姆，图示为不同剩余电流下欧姆，图示为不同剩余电流下采样电阻上的电压峰峰值计算结果。由仿真结果与采样电阻上的电压峰峰值计算结果。由仿真结果与实验结果的对比结果可以看出，仿真结果与实验结实验结果的对比结果可以看出，仿真结果与实验结果的吻合度超过果的吻合度超过80%80%第22页/共55页剩余电流剩余电流采样电阻电压（

28、采样电阻电压（mvmv) )吻合度吻合度（% %）仿真数据仿真数据实验数据实验数据30mA30mA56.356.350.450.488.388.3100mA100mA194.6194.616416481.381.3200mA200mA398.6398.634434484.184.1300mA300mA602.1602.150850881.581.5仿真结果与实验结果对比仿真结果与实验结果对比第23页/共55页三、剩余电流脱扣器设计要点1 1、剩余电流剩余电流脱扣脱扣器的器的设计要求设计要求p 剩余电流脱扣器是一个判别元件，剩余电流脱扣器是一个判别元件，当当剩余电流达到剩余电流达到预定值，预定值

29、，剩余电流脱扣器应脱扣使断路器断开。剩余电流脱扣器应脱扣使断路器断开。 动作功能与电源电压无关的剩余电流动作功能与电源电压无关的剩余电流断路器断路器采用灵敏度较高的释放式脱扣器采用灵敏度较高的释放式脱扣器 动作功能与电源电压有关的剩余电流动作功能与电源电压有关的剩余电流断路断路器器采用拍合式电磁铁或螺管电磁铁采用拍合式电磁铁或螺管电磁铁p 设计要求设计要求 脱扣动作值（电压、电流）稳定脱扣动作值（电压、电流）稳定 具有足够的脱扣力输出具有足够的脱扣力输出 脱扣线圈具有足够的热稳定性（对脱扣线圈具有足够的热稳定性（对合式电磁合式电磁铁或螺管电磁铁铁或螺管电磁铁）第24页/共55页三、剩余电流脱扣

30、器设计要点2 2、释放式脱扣器释放式脱扣器 1)1) 释放式脱扣器释放式脱扣器典型典型结构结构如图，分为直动式和转动式，如图，分为直动式和转动式，目前采用直动式较多目前采用直动式较多 (a) (a) 直动式打击杆直动式打击杆 (b) (b) 转动式打击杆转动式打击杆 1 12 23 34 45 56 67 78 89 91 12 23 34 45 56 67 78 89 9a) a) 直动式：直动式：1-1-打击杆、打击杆、2-2-外壳、外壳、3-3-弹簧、弹簧、4-4-衔铁、衔铁、5-5-磁轭、磁轭、6-6-释放释放弹簧、弹簧、7- 7- 磁钢、磁钢、8-8-底座底座9-9-弹簧垫圈弹簧垫圈

31、10-10-消磁线圈消磁线圈 1010b) b) 转动式：转动式：1-1-打击杆、打击杆、2-2-外壳、外壳、3-3-衔衔铁铁、4-4-磁轭磁轭、5-5-罩壳、罩壳、6-6-紧固螺钉、紧固螺钉、7- 7- 磁钢、磁钢、8-8-消消磁线圈、磁线圈、9-9-调节螺钉调节螺钉第25页/共55页三、剩余电流脱扣器设计要点 2)2) 释放式脱扣器磁路结构释放式脱扣器磁路结构 释放式脱扣器磁路结构如图，释放式脱扣器磁路结构如图，I I2 2为消磁线圈交流电流，为消磁线圈交流电流，1 1为衔铁直流磁通，为衔铁直流磁通，s s为短路磁铁直流磁通，为短路磁铁直流磁通，2 2为衔铁交流磁为衔铁交流磁通；通；W W

32、为消磁线圈匝数，为消磁线圈匝数，R Rg g为衔铁与磁轭吸合面磁阻，为衔铁与磁轭吸合面磁阻，R Rs s为非磁为非磁性垫片间隙磁阻，性垫片间隙磁阻，R Rm m为永久磁钢磁阻，为永久磁钢磁阻，m m为永久磁钢产生的总为永久磁钢产生的总直流磁通，直流磁通，U U0 0为永久磁钢磁势，为永久磁钢磁势，R R1 1为磁轭上半部分磁阻，为磁轭上半部分磁阻，R R2 2为为短路磁铁磁阻，短路磁铁磁阻，R R3 3为磁轭下半部分磁阻，为磁轭下半部分磁阻，R R4 4为衔铁的磁阻为衔铁的磁阻消磁线圈，消磁线圈，衔铁；衔铁；反作用弹簧；反作用弹簧；短路磁铁；短路磁铁；非磁性垫片；非磁性垫片；永久磁钢；永久磁钢

33、；磁轭磁轭。 I I2 22 21 13 34 45 56 67 71 12 2s smR Rg gR Rs sR R2 2R RmU U0 0R R1 1R R1 1R Rg gR R3 3R R4 4I I2 2W WR R3 3第26页/共55页三、剩余电流脱扣器设计要点p 在正常情况下，衔铁在磁钢产生的直流磁通在正常情况下，衔铁在磁钢产生的直流磁通1 1的的作用下，克服弹簧的反作用力保持在吸合位置。交流作用下，克服弹簧的反作用力保持在吸合位置。交流消磁磁通的磁回路基本上处于闭合状态，磁阻很小，消磁磁通的磁回路基本上处于闭合状态，磁阻很小，只需要很小的激磁功率就能使衔铁释放，只需要很小的

34、激磁功率就能使衔铁释放，p 当存在接地故障时，剩余电流互感器二次回路有当存在接地故障时，剩余电流互感器二次回路有电压输出，消磁线圈中就有电流电压输出，消磁线圈中就有电流I I2 2流过，在磁轭、短流过，在磁轭、短路磁铁和衔铁构成的磁回路中产生一个交流磁通路磁铁和衔铁构成的磁回路中产生一个交流磁通2 2，该交流磁通有半个周期与直流磁通该交流磁通有半个周期与直流磁通1 1方向相反，抵方向相反，抵消了部分衔铁吸合面的吸力。当消了部分衔铁吸合面的吸力。当I I2 2足够大时，衔铁在足够大时，衔铁在反作用力弹簧的作用下被释放，打击断路器的脱扣机反作用力弹簧的作用下被释放，打击断路器的脱扣机构，使断路器跳

35、闸构，使断路器跳闸第27页/共55页三、剩余电流脱扣器设计要点 3)3) 释放式脱扣器磁回路材料选择释放式脱扣器磁回路材料选择p 磁轭和衔铁的材料选择要求磁轭和衔铁的材料选择要求: : 较高的磁导率较高的磁导率 足够的饱和磁感应强度，以保证在磁钢的作足够的饱和磁感应强度，以保证在磁钢的作用下产生足够的吸力用下产生足够的吸力 应承受在加工及正常工作时的机械应力，材应承受在加工及正常工作时的机械应力，材料的磁性能不能对机械应力太敏感料的磁性能不能对机械应力太敏感 磁轭和衔铁的材料一般选用对机械应力不太敏感磁轭和衔铁的材料一般选用对机械应力不太敏感的的1J501J50等铁镍软磁合金材料，其含镍量约为

36、等铁镍软磁合金材料，其含镍量约为50%50%左右，左右，饱和磁感应强度可达饱和磁感应强度可达1.5T1.5T，其直流磁性能如表所示，其直流磁性能如表所示第28页/共55页牌号牌号种类种类厚度或直径厚度或直径mmmm0.4A/m0.4A/m下磁导下磁导率率(0.40.4) )mHmH/m/m最大磁最大磁导率导率( (mm) )mHmH/m/mH Hc cA/mA/mB Bs sT T1J501J50带材带材I I级级0.35-0.500.35-0.505.05.065658.88.81,51,50.51-1,000.51-1,005.05.0505010101.10-2.501.10-2.503

37、.83.844441212棒材棒材10-10010-1003.13.131.331.314.414.41.51.51J501J50铁镍软磁合金的直流磁性能铁镍软磁合金的直流磁性能三、剩余电流脱扣器设计要点第29页/共55页三、剩余电流脱扣器设计要点p 磁钢材料选择磁钢材料选择要求：要求： 能承受能承受大电流或短路电流冲击大电流或短路电流冲击的退磁作用的退磁作用 能承受能承受正常工作温升等环境因素对磁钢退磁的正常工作温升等环境因素对磁钢退磁的影响影响 具有一定的磁能积具有一定的磁能积p 因此，释放式脱扣器的磁钢因此，释放式脱扣器的磁钢应选择具有较高的矫顽应选择具有较高的矫顽力和较高的工作温度特性

38、的永磁材料。磁能积的选择力和较高的工作温度特性的永磁材料。磁能积的选择与设计要求的机械输出力、保持力及消磁功率与设计要求的机械输出力、保持力及消磁功率等因素等因素有关，也与磁回路的设计有关。例如，与前面提及的有关，也与磁回路的设计有关。例如，与前面提及的非磁性垫片的厚度有关。非磁性垫片厚度小，或降低非磁性垫片的厚度有关。非磁性垫片厚度小，或降低功耗，但需要较高的磁钢磁能积，才能使流过衔铁的功耗，但需要较高的磁钢磁能积，才能使流过衔铁的直流磁通分量保持不变直流磁通分量保持不变第30页/共55页三、剩余电流脱扣器设计要点p 常用的永久磁钢材料有钕铁硼、钐钴和铝镍钴常用的永久磁钢材料有钕铁硼、钐钴和

39、铝镍钴等。铝镍钴价格便宜，但矫顽力和磁能积较低；钕等。铝镍钴价格便宜，但矫顽力和磁能积较低；钕铁硼的矫顽力和磁能积较高，钐钴的工作温度和稳铁硼的矫顽力和磁能积较高，钐钴的工作温度和稳定性较好，随着钕铁硼和钐钴的成本降低，在释放定性较好，随着钕铁硼和钐钴的成本降低，在释放式脱扣器中使用逐渐增多式脱扣器中使用逐渐增多p 永久磁钢材料还与脱扣器磁路结构有关，如在永久磁钢材料还与脱扣器磁路结构有关，如在脱扣器动作过程中，磁钢不会处于开路状态，则可脱扣器动作过程中，磁钢不会处于开路状态，则可以采用成本较低的铝镍钴磁钢。铝镍钴磁钢充退磁以采用成本较低的铝镍钴磁钢。铝镍钴磁钢充退磁方便，可采用充退磁的方式来

40、调节动作灵敏度，更方便，可采用充退磁的方式来调节动作灵敏度，更适合于自动生产线上的在线调试适合于自动生产线上的在线调试第31页/共55页三、剩余电流脱扣器设计要点牌号牌号剩磁剩磁T T矫顽力矫顽力kA/mkA/m内禀矫顽内禀矫顽力力kA/mkA/m最大磁能最大磁能积积kJ/mkJ/m3 3工作温度工作温度SM-24SM-240.94-1.020.94-1.02398398480-1190480-11901911911616250250SM-28SM-281.02-1.201.02-1.20398398480-1190480-11902232231616250250SM-32SM-321.10-

41、1.181.10-11190480-11902552551616250250SM-22USM-22U0.95-1.040.95-1.047167161190-27901190-27901751751616350350SM-26USM-26U1.00-1.081.00-1.087567561190-27901190-27902072071616350350SM-30USM-30U1.08-1.181.08-1.187967961190-27901190-27902392391616350350SM-22TSM-22T0.92-1.000.92-1.00692692159

42、015901751751616350350SM-28SM-281.02-1.201.02-1.20398398480-1190480-11902232231616250250钐钴永磁材料钐钴永磁材料( (烧结烧结SmCoSmCo) )的磁性能的磁性能第32页/共55页三、剩余电流脱扣器设计要点牌号牌号剩磁剩磁T T矫顽力矫顽力kA/mkA/m内禀矫顽内禀矫顽力力kA/mkA/m最大磁能最大磁能积积kJ/mkJ/m3 3工作温度工作温度* *LN9LN90.680.6830309 9450450* *LN10LN100.600.6040401010450450* *LNG12LNG120.720

43、.72454512.412.4450450* *LNG13LNG130.700.70484812.812.8450450LNG37LNG371.201.2048483737525525LNG40LNG401.251.2548484040525525LNG44LNG441.251.2552524444525525LNG52LNG521.301.3056565252525525LNG60LNG601.351.3559596060525525铸造铝镍钴磁铁铸造铝镍钴磁铁的磁性能的磁性能注：带注：带* *号为各向同性，其他为各向异性号为各向同性，其他为各向异性第33页/共55页三、剩余电流脱扣器设计要

44、点 4)4) 释放式脱扣器释放式脱扣器衔铁上的作用力配合衔铁上的作用力配合p 衔铁上受到的作用力如图所示：衔铁上受到的作用力如图所示： 磁钢产生的吸力磁钢产生的吸力F Fm m ；消磁线圈电流产生消磁线圈电流产生磁通与磁钢直流磁通叠加，相当于产生一个交变力磁通与磁钢直流磁通叠加，相当于产生一个交变力F F2 2 释放弹簧的反力释放弹簧的反力F Fs s，F F2 2F Fs sF Fm mF Fp pF Fm mF Fs sF F第34页/共55页三、剩余电流脱扣器设计要点p 脱扣器设计时，衔铁上的各作用力应符合：脱扣器设计时，衔铁上的各作用力应符合： a) a) 释放弹簧的反力释放弹簧的反力

45、F Fs s与脱扣力有关，应使与衔铁与脱扣力有关，应使与衔铁相连的相连的打击打击杆打击到脱扣杆上的静态力大于最大的杆打击到脱扣杆上的静态力大于最大的脱扣力并有一定的余量；脱扣力并有一定的余量； b) b) 磁钢吸力磁钢吸力F Fm m要克服弹簧反力要克服弹簧反力F Fs s，且要提供足够，且要提供足够大的保持力大的保持力F Fp p(F(Fm m-F-Fs s) )。剩余电流保护电器在通以。剩余电流保护电器在通以I Inono时不能动作，因此，保持力时不能动作，因此，保持力F Fp p应大于应大于F Fs s的的1/31/3至至1/21/2，F Fm m应为应为F Fs s的的1.31.3倍到

46、倍到1.51.5倍。倍。 c) c) 当消磁磁通产生的力当消磁磁通产生的力F F2 2达到保持力达到保持力F Fp p时，脱扣时，脱扣器的衔铁脱扣，因此器的衔铁脱扣，因此F Fp p大小直接与脱扣器的脱扣功率大小直接与脱扣器的脱扣功率有关，在设计时要与以上几个要求统筹考虑有关，在设计时要与以上几个要求统筹考虑第35页/共55页三、剩余电流脱扣器设计要点 5)5) 释放式脱扣器释放式脱扣器工艺设计要求工艺设计要求p 为尽可能减少吸合面的空气间隙，衔铁和磁轭经热为尽可能减少吸合面的空气间隙，衔铁和磁轭经热处理后，吸合工作极面应进行精密磨削或研磨，其表处理后，吸合工作极面应进行精密磨削或研磨，其表面

47、粗糙度不应低于面粗糙度不应低于Ra(Ra(m)0.16m)0.16。磁回路部件装配后，。磁回路部件装配后，应对衔铁、磁轭进行吸合和释放的机械老化处理，对应对衔铁、磁轭进行吸合和释放的机械老化处理，对吸合面进行充分的磨合，确保极面吸合的稳定性吸合面进行充分的磨合，确保极面吸合的稳定性p 脱扣器整个脱扣器整个装配装配过程应在过程应在净化室中进行净化室中进行，所有零部，所有零部件件应保持清洁，并经过应保持清洁，并经过净化清洗后进行装配净化清洗后进行装配p 脱扣器应设计一个塑料或金属的密封外壳，防止灰脱扣器应设计一个塑料或金属的密封外壳，防止灰尘、水汽、油污，尤其是磁性粒子等对工作气隙的影尘、水汽、油

48、污，尤其是磁性粒子等对工作气隙的影响，确保脱扣电流的稳定性和可靠性响，确保脱扣电流的稳定性和可靠性第36页/共55页四、电子式剩余电流断路器电路设计p ACAC型型RCDRCD的信号放大处理电路主要有三种型式：的信号放大处理电路主要有三种型式： 分列元件的信号放大电路分列元件的信号放大电路 采用漏电专用集成块的模拟电路采用漏电专用集成块的模拟电路 采用微处理器的数字电路采用微处理器的数字电路p 分列元件的信号放大电路由于动作特性不稳定、分列元件的信号放大电路由于动作特性不稳定、抗干扰性能和可靠性差等问题，已较少使用抗干扰性能和可靠性差等问题，已较少使用p 微处理器的数字处理电路，动作可靠稳定，

49、而且微处理器的数字处理电路，动作可靠稳定，而且可以方便地进行功能扩展，但成本相对偏高可以方便地进行功能扩展，但成本相对偏高p 典型的漏电专用模拟电路有典型的漏电专用模拟电路有M54123LM54123L、VG54123VG54123、LW54123LW54123（一般型一般型）和和M54133M54133（延时型延时型）等，由于等，由于其集成度高，可靠性好，成本较合理，目前主导市其集成度高，可靠性好，成本较合理，目前主导市场的电子式剩余电流断路器产品场的电子式剩余电流断路器产品第37页/共55页四、电子式剩余电流断路器电路设计1 1、采用采用M54123M54123（VG54123VG5412

50、3）的典型运用电路）的典型运用电路 M54123M54123（VG54123VG54123）是快速动作的漏电专用集成电）是快速动作的漏电专用集成电路，具有抗干扰性能好、外围元件少等优势。图中路，具有抗干扰性能好、外围元件少等优势。图中U1U1集成电路，其外围电路主要包括电源供电电路、集成电路，其外围电路主要包括电源供电电路、信号采样电路和驱动输出电路三大部分。信号采样电路和驱动输出电路三大部分。M54123LM54123L（VG54123VG54123）典型运用电路）典型运用电路第38页/共55页四、电子式剩余电流断路器电路设计 1 1）电源供电回路设计电源供电回路设计p 电源回路主要对脱扣线

51、圈电源回路主要对脱扣线圈L L和模拟集成电路和模拟集成电路U1U1供供电，包括压敏电阻电，包括压敏电阻YMYM、整流桥、整流桥D1-D4D1-D4、限流电阻、限流电阻R3R3和和R4R4、降压电阻、降压电阻R6R6和滤波电容和滤波电容C7C7等。交流电源通过限等。交流电源通过限流电阻、脱扣线圈、整流桥和可控硅（流电阻、脱扣线圈、整流桥和可控硅（SCRSCR）对脱扣）对脱扣线圈供电线圈供电p 元器件参数选择元器件参数选择 a) a) R3R3和和R4R4一般选用几十欧姆及以下，过大会影响一般选用几十欧姆及以下，过大会影响脱扣器线圈的正常工作脱扣器线圈的正常工作; ; b) b)为确保交流电源电压

52、在为确保交流电源电压在50 V50 V至至220 V220 V之间，集成之间，集成电路均能工作电路均能工作( (最小工作电压最小工作电压12V12V，最大工作电流最大工作电流0.5mA),0.5mA),降压电阻降压电阻R6R6选择不能大于选择不能大于120120k k第39页/共55页四、电子式剩余电流断路器电路设计 c) C7 c) C7为滤波和稳压用，应选用大于等于为滤波和稳压用，应选用大于等于1 1F F电容器电容器 d) d) 压敏电阻的压敏电压一般可按下式估算：压敏电阻的压敏电压一般可按下式估算： U Up p = K = K1.11.11.411.41U Un n 式中：式中：U

53、Up p 压敏电压，单位：压敏电压，单位：V V；K K安全系数安全系数, ,可取可取1.2-1.31.2-1.3；U Un n交流电源额定电压，单位：交流电源额定电压，单位：V V； 因此在单相电源时，压敏电压可取因此在单相电源时，压敏电压可取470 V470 V。如预期。如预期在电源电压波动较大的地区使用，压敏电压可适当增在电源电压波动较大的地区使用，压敏电压可适当增大。压敏电阻的通流容量不能小于大。压敏电阻的通流容量不能小于3 kA3 kA，因而压敏电，因而压敏电阻的标称直径一般不能小于阻的标称直径一般不能小于10 mm10 mmp 如采用三相电源供电，则整流桥采用三相整流桥，如采用三相

54、电源供电，则整流桥采用三相整流桥，并考虑相与相、相与中性线之间的过电压保护并考虑相与相、相与中性线之间的过电压保护第40页/共55页四、电子式剩余电流断路器电路设计 2 2）信号采样电路信号采样电路p 信号采样电路由互感器二次回路，限压二极管信号采样电路由互感器二次回路，限压二极管Z1Z1、Z2Z2，电阻，电阻R1R1、R2R2，电容器，电容器C1C1、C2C2和和C3C3组成。当主电路组成。当主电路有剩余电流时，互感器二次回路就会产生感应电流，有剩余电流时，互感器二次回路就会产生感应电流，经过电阻经过电阻R1R1转换成电压信号，输入至集成电路的脚转换成电压信号，输入至集成电路的脚1 1和脚和

55、脚2 2，所以可通过调节，所以可通过调节R1R1可调节可调节RCDRCD的动作电流的动作电流p 元器件参数选择元器件参数选择 a) a) Z1Z1和和Z2Z2是抑制大接地故障电流产生的冲击电压，是抑制大接地故障电流产生的冲击电压，防止损坏集成电路。防止损坏集成电路。Z1Z1和和Z2Z2可选用一般硅二极管，其可选用一般硅二极管，其耐受电压大于二次回路可能的最大电压（大于几十伏）耐受电压大于二次回路可能的最大电压（大于几十伏） b) b) R2R2为保护电阻，限制进入集成电路的电流，电为保护电阻，限制进入集成电路的电流，电阻值一般为阻值一般为100 100 左右左右第41页/共55页四、电子式剩余

56、电流断路器电路设计 c) c) C1C1、C2C2和和C3C3为滤波电容。为滤波电容。C1C1、C2C2用来滤除信用来滤除信号中高频噪声，可采用号中高频噪声，可采用100 P-200 P100 P-200 P的电容。的电容。C3C3为为低频噪声滤流电容，可选用低频噪声滤流电容，可选用0.047 0.047 F F的电容。的电容。信号采样电路信号采样电路第42页/共55页四、电子式剩余电流断路器电路设计 3) 3) 驱动输出电路驱动输出电路p 由交流电源，脱扣线圈由交流电源，脱扣线圈L L，可控硅，可控硅SCRSCR，浪涌电，浪涌电压吸收回路压吸收回路R7R7、C8C8，集成电路输出脚，集成电路

57、输出脚7 7和滤波电容和滤波电容C6C6组成。集成电路的输入端脚组成。集成电路的输入端脚1 1和脚和脚2 2的输入电压达的输入电压达到规定值后，脚到规定值后，脚7 7输出一个高电平，可控硅输出一个高电平，可控硅SCRSCR导通，导通，脱扣线圈通电，使脱扣器动作脱扣线圈通电，使脱扣器动作p 元器件参数选择元器件参数选择 a) SCR a) SCR的选择考虑电路额定工作电压和脱扣线圈的选择考虑电路额定工作电压和脱扣线圈电流，一般对电流，一般对220V220V的工作电压，可选的工作电压，可选SCRSCR的耐受电的耐受电压为压为600 V600 V，额定电流为，额定电流为0.3 A-1 A0.3 A-

58、1 A； b) b) 滤波电容滤波电容C6C6应小于应小于1 1 F F，例如可选用，例如可选用0.47 0.47 F F的电容，的电容，C6C6过大会影响动作时间；过大会影响动作时间；第43页/共55页四、电子式剩余电流断路器电路设计 c) c) 浪涌吸收回路可防止浪涌吸收回路可防止SCRSCR免受浪涌电压的影响，免受浪涌电压的影响，同时可避免电路接通时，过高的同时可避免电路接通时，过高的dVdV/ /dtdt引起可控硅误引起可控硅误动作，动作，R7R7的阻值一般为的阻值一般为100 100 左右，左右，C8C8可选择用可选择用0.0220.022F F电容。电容。第44页/共55页四、电子

59、式剩余电流断路器电路设计2 2、采用采用M54133M54133（VG54123VG54123）的典型运用电路）的典型运用电路 M54133M54133是延时型漏电专用集成电路。是延时型漏电专用集成电路。互感器二次互感器二次回路输出电压输入到集成电路的输入端（端口回路输出电压输入到集成电路的输入端（端口1313和和1515），当电压达到集成电路动作门电压（约为），当电压达到集成电路动作门电压（约为15 mV15 mV）时，集成电路输出端（端口时，集成电路输出端（端口8 8）立即变成高电位，使）立即变成高电位，使SCRSCR导通，电容器导通，电容器C C1010通过通过SCRSCR对脱扣线圈对脱

60、扣线圈KLKL放电，从放电，从而使脱扣器动作而使脱扣器动作p 改变端口改变端口1313和和1515的并联电阻的并联电阻R R1 1阻值，可改变阻值，可改变RCDRCD的的动作电流值动作电流值p M54133M54133内置延时功能，可以通过端口内置延时功能，可以通过端口7 7的外部电容的外部电容调节延时时间调节延时时间p 电源回路采用恒流二极管限流，防止过电压影响电源回路采用恒流二极管限流，防止过电压影响第45页/共55页四、电子式剩余电流断路器电路设计采用采用M54133M54133集成电路的电气原理图集成电路的电气原理图第46页/共55页四、电子式剩余电流断路器电路设计3 3、采用微处理器