电磁式漏电断路器的空间磁场抗扰分析及屏蔽结构设计

李 奎 李常宇 牛 峰 罗 晨 武 一

（1. 省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室（河北工业大学） 天津 300130 2. 河北省电磁场与电器可靠性重点实验室（河北工业大学） 天津 300130 3. 国网天津市电力公司城西供电分公司 天津 300190）

0 引言

在低压配电系统中，漏电断路器用于防止电气火灾和保护人身触电安全。当电路发生漏电或有人触电时，漏电断路器能够迅速切断电源，防止因漏电引发的火灾、设备损坏及人身伤亡事故的发生[1]。由于电磁式漏电断路器结构简单，工作时不需要辅助电源，且工作稳定可靠，在国内外广泛使用[2-4]。漏电断路器在运行过程中其动作特性会受假剩余电流等干扰因素的影响[5]，除此之外，雷击浪涌电流等大电流通过电磁式漏电断路器时产生的磁场比较强，

很容易影响漏电断路器的工作特性[6-8]，可能导致漏电断路器误动作甚至损坏，因此必须对电磁式漏电断路器进行外界磁场干扰分析，找出敏感元件，并对其进行屏蔽设计。为保证漏电断路器的可靠工作，洪传生等对电子式漏电断路器的电子电路进行了改进，有效降低了浪涌电流冲击试验的误脱扣和失效率[9]。刘德胜等通过晶闸管和脱扣线圈的合理组合，增加了抗干扰电路，提高了漏电断路器的可靠性[10]。目前，对电磁式漏电断路器的抗干扰问题的研究较少。

添加磁屏蔽措施可降低外界干扰磁场对电磁式漏电断路器的影响，提高电磁式漏电断路器抗雷击浪涌电流干扰的能力，磁屏蔽可以分为恒定磁场屏蔽和交变磁场屏蔽。一般情况下，可以采用高磁导率的铁磁材料进行恒定磁场和低频交变磁场的屏蔽，铁磁材料可以改变磁力线的走向，将大部分磁通集中在铁磁材料内部，以达到屏蔽效果；可以采用高电导率的材料进行高频交变磁场的屏蔽，在时变磁场下导电材料内部产生涡流，从而抵消大部分干扰磁场[11-16]。目前，国内外对于电磁屏蔽的分析已经有很多研究。E. Cardelli等分析了几种新型的屏蔽板结构，用于屏蔽低频磁场[17]；张晚英等利用三维有限元法建立了圆柱形屏蔽体模型，对屏蔽体厚度、层数和激励频率的影响进行了分析[18]；焦重庆等根据屏蔽室法测量材料屏蔽效能的原理，提出了工频电场和磁场屏蔽效能测试系统的实验方案[19]。

此外，还有一些学者通过仿真与实验对实际工况下的屏蔽形式进行了结构或材料方面的优化。文献[20-23]研究了电抗器的屏蔽，提出一种有效的屏蔽工频磁场的高导磁材料层的排列方法，并对屏蔽结构的屏蔽效能进行了评估。文献[24-25]对电磁轨道炮内强电磁场环境进行分析及屏蔽研究，为优化屏蔽措施提供了依据。

现有的磁场屏蔽研究主要针对工作磁场强、体积大的电气设备，与工作磁场弱、体积小的电磁式漏电断路器的磁屏蔽有一定区别。正常情况下通过漏电断路器的负荷电流较小，因此正常负荷电流产生的磁场对其特性影响较小。如果线路发生过载或短路故障，其电流通过漏电断路器时会产生较强的干扰磁场。另外当配电线路遭受雷击时，由于雷击浪涌电流非常大，也可能会导致漏电断路器误动作甚至损坏。雷击浪涌电流对漏电断路器的影响非常复杂，包括线路传导干扰和空间磁场耦合干扰。空间磁场耦合干扰主要是浪涌电流产生的磁场直接对漏电断路器造成干扰，因此本文重点针对大电流产生的空间磁场干扰问题进行研究，提出电磁式漏电断路器内部导线的优化设计方法。同时，设计一种用于磁脱扣器的磁屏蔽罩，分析屏蔽材料、屏蔽结构等的影响，可有效降低干扰磁场对电磁式漏电断路器的影响，并进行实验验证。

1 电磁式漏电断路器内部导体结构设计

1.1 电磁式漏电断路器的敏感元件分析

典型的电磁式漏电断路器漏电保护模块是由零序电流互感器、电路板、电磁脱扣器、试验按钮回路和动作机构等主要部分组成，具体结构如图1所示。当主线路出现故障漏电流dI˙时，主线路电流的相量和不为0，剩余电流互感器输出信号到电路板，电路板会产生一个驱动信号使磁脱扣器动作，切断故障电流回路。

磁脱扣器是电磁式漏电断路器的核心组件，主要由永久磁铁、磁轭、衔铁、线圈、弹簧等零件组成。磁脱扣器的运动方程为

图1 典型电磁式漏电断路器原理 Fig.1 The schematic diagram of residual current circuit-breaker

式中，B为磁感应强度；A为接触面的面积；Fem、Fr分别为脱扣器的电磁吸力和弹簧反力；L1、L2分别为电磁吸力和弹簧反力的力臂；Tem、Tr分别为电磁吸力矩和弹簧反力矩；Φ为衔铁与磁轭间的磁通；J、ω、θ分别为衔铁的转动惯量、转动角速度和转动角度；µ0为空气磁导率。由式（1）可知，电磁吸力Fem主要与磁脱扣器接触面的磁通量有关。正常情况下，永磁体提供的电磁吸力矩大于弹簧反力矩，磁脱扣器保持稳定吸合状态；漏电故障情况下，电路板发出的驱动信号经过磁脱扣器线圈产生反向磁场，以抵消永久磁铁在衔铁与磁轭间产生的磁通，使电磁吸力矩小于弹簧反力矩，磁脱扣器不能维持吸合状态，驱动漏电断路器动作。因此通过分析接触面磁通的变化，就可以确定磁脱扣器的运动状态。

根据各个零部件的实际尺寸建立磁脱扣器有限元仿真模型，衔铁和磁轭的材料为坡莫合金1J50，为非线性高磁导率材料，永磁体材料为铝镍钴，其剩磁和矫顽力按实际样机参数选取，分别为0.772T、48kA/m。求解域范围在±X、±Y、±Z方向上均为磁脱扣器尺寸的3倍。磁脱扣器的仿真实体模型如图2所示，其主要参数见表1。

图3为磁脱扣器衔铁处于闭合位置，线圈电压为0，外界干扰磁场为0时，磁脱扣器对称平面的计算结果，其衔铁与磁轭接触面间的磁感应强度达到140mT，方向为-Z方向。

图2 磁脱扣器仿真实体模型 Fig.2 Simulation entity model of magnetic release

表1 磁脱扣器主要参数 Tab.1 Parameters of magnetic release

图3 无干扰磁场时磁感应强度分布 Fig.3 Magnetic induction distribution without interference magnetic field

一般情况下漏电断路器的动作值小于30mA，且无辅助电源，在90~120mV电压下磁脱扣器就会动作。外界干扰磁场达到3.5mT时就会使磁脱扣器误动作，因此磁脱扣器为电磁式漏电断路器中的敏感元件，极易受到外界磁场的影响。

1.2 磁脱扣器敏感方向分析

作为一种典型的电磁元件，当外界存在干扰磁场时，磁脱扣器内部磁路的磁场分布会受到影响，从而影响磁脱扣器的脱扣电压，进而可能导致磁脱扣器误动作甚至损坏，不同方向干扰磁场影响如图4所示。

图4 干扰磁场作用方向示意图 Fig.4 Diagram of interference magnetic field under different direction

图4中，BI为永磁体产生的磁场，BX、BY、BZ为不同方向的外界干扰磁场。干扰磁场的BY和BZ方向平行于磁脱扣器磁路平面，其通过的磁路截面积与衔铁、磁轭的宽度有关，长度为衔铁、磁轭的长度。外界磁场为BY和BZ方向时，由于磁脱扣器磁路磁阻远小于空气磁阻，会有更多的磁通穿过磁脱扣器，改变了磁脱扣器内部磁场分布，因此BY和BZ方向的磁场对磁脱扣器内部磁路分布的影响很大。BX方向磁场垂直穿过磁脱扣器磁路平面，其通过的磁路截面积与衔铁、磁轭的厚度有关，长度为衔铁、磁轭的宽度，BX方向磁路较短且外界磁场方向与磁路内磁场方向垂直，因此BX方向磁场对磁脱扣器内部磁路分布的影响较小。当外界磁场在磁脱扣器磁路中产生的磁场方向与永久磁铁产生的磁场方向相反且达到一定强度时，衔铁电磁吸力矩小于弹簧反力矩，衔铁与磁轭不能保持吸合状态，磁脱扣器误动作。

为验证不同方向磁场对磁脱扣器的影响，建立通电螺线管仿真模型产生均匀磁场来模拟不同方向外界干扰磁场，并通过施加不同电流来获得不同幅值的磁场。由于施加磁场方向不同，磁脱扣器衔铁与磁轭间接触面处磁感应强度不同。磁脱扣器衔铁与磁轭间接触面处磁感应强度变化量越大，说明外界磁场对磁脱扣器的干扰越严重。分别对磁脱扣器施加3.5mT和100mT的均匀磁场，记录不同方向磁场下接触面处磁感应强度的变化情况见表2。100mT大约相当于漏电断路器内载流导体通过20kA电流时在磁脱扣器位置产生的外磁场。

表2 不同外磁场下衔铁与磁轭间接触面处 磁感应强度变化量 Tab.2 The variation of magnetic induction at the contact surface between armature and yoke under different external magnetic fields

表2仿真结果验证了前面的分析，且±Z方向影响最大，该方向为磁脱扣器的最敏感方向，最不敏感方向为±X方向。

1.3 电磁式漏电断路器内部导体最优走线结构

在电磁式漏电断路器中，内部载流导体是干扰磁场的直接来源，因此需要分析导体走线位置对磁脱扣器的影响。根据磁脱扣器与载流导体位置关系，可以将其归算到沿坐标轴X、Y、Z的三个方向，如图5所示。由磁脱扣器的敏感方向分析可知，导体在Y2、Y4、Z2、Z4位置，即导体与磁脱扣器磁路处于同一平面内时，载流导体产生的干扰磁场与磁脱扣器磁路平面垂直，即为图4中的±X方向，几乎不会对磁脱扣器工作特性造成影响；导体在其他位置，即导体与磁脱扣器磁路不在同一平面时，产生的干扰磁场主要为±Y和±Z方向，干扰磁场对磁脱扣器内部磁路的影响较大。

图5 载流导体与磁脱扣器的相对位置 Fig.5 Relative position of current-carrying wire and magnetic release

综上所述，电磁式漏电断路器内部导体应与磁脱扣器磁路在同一平面内，避免在侧方走线，可有效降低导体中电流对磁脱扣器的影响。同时，载流导体应尽量远离磁脱扣器，以便降低载流导体在磁脱扣器处产生的磁场强度，从而减轻对磁脱扣器的影响。

受断路器结构和空间的限制，内部载流导体会有弯曲、偏移等情况，载流导体中电流产生的磁场仍会影响磁脱扣器。由于弯曲或倾斜等原因，两者之间会存在一定夹角，导体电流产生的干扰磁场可分解为两个相互垂直的磁场分量B1和B2，如图6所示。

图6 倾斜导体的干扰磁场分析 Fig.6 Analysis of interference magnetic field of inclined wire

干扰磁场B1的方向主要为Y和Z方向，为磁脱扣器易受磁场干扰的方向，因此导体倾斜角α越大，即B1磁场分量越大，磁脱扣器受到的影响越大；干扰磁场B2并非完全垂直穿过磁脱扣器磁路平面，其Z方向的磁场分量也会直接影响磁脱扣器内部磁路。

偏移导体的方向与磁脱扣器磁路平面平行，如图7所示。根据毕奥-萨伐尔公式得到偏移导体在磁脱扣器垂直接触面方向产生的磁感应强度分量BZ为

式中，h为磁脱扣器与导体的垂直距离；x为磁脱扣器与导体的水平距离。

由式（2）可知，随着导体与磁脱扣器磁路所在平面距离x的增加，干扰磁场BZ先增大后减小。当x=h时干扰磁场BZ达到最大，若导体通过的电流较大可能会导致漏电断路器误动作。

图7 偏移导体的干扰磁场分析 Fig.7 Analysis of interference magnetic field of offset wire

2 磁脱扣器的空间干扰磁场屏蔽

2.1 雷击浪涌电流模型磁脱扣器的屏蔽罩设计

采用屏蔽罩可以降低外界磁场对磁脱扣器的干扰，屏蔽罩应紧贴磁脱扣器外壳，其尺寸为20mm×13mm×24mm，厚度为1mm，磁脱扣器的屏蔽罩仿真模型如图8所示。内部载流导线通过端子外接导线，一般情况下端子高于内部导线位置，因此在仿真模型中载流导线两端翘起。

图8 屏蔽罩仿真模型 Fig.8 Simulation model of the shield

高磁导率材料对弱磁场屏蔽有效，如果通过电磁式漏电断路器的电流较大，产生的干扰磁场也较大，用作屏蔽罩的导磁材料可能会饱和，屏蔽效果大幅下降。坡莫合金1J50的磁导率µr较高但饱和磁感应强度H较低，而电工纯铁DT4和碳钢Q235的饱和磁感应强度较高但磁导率较低，其µr-H曲线如图9所示。

采用不同导磁材料作为屏蔽罩，对其屏蔽效果进行仿真，可以得到不同峰值电流下磁脱扣器衔铁与磁轭间吸合面处的磁感应强度变化量，其结果如图10所示。

图9 导磁材料的μr-H曲线 Fig.9 Relative permeability of magnetic material under different magnetic field strength

图10 不同峰值电流下导磁材料的屏蔽效果 Fig.10 Shielding effectiveness of ferromagnetic material under different peak current

由图10可知，在浪涌电流较小时，磁导率较高的坡莫合金1J50的屏蔽效果最好，磁导率较低的碳钢Q235的屏蔽效果最差；随着浪涌电流峰值的增加，饱和磁感应强度较高的碳钢Q235的屏蔽效果较好，而坡莫合金1J50的屏蔽效果最差。这是由于浪涌电流较小时，产生的空间干扰磁场较小，磁导率较高的导磁材料没有饱和，其屏蔽效果最好；而随着干扰电流增大，其产生的空间干扰磁场变强，高磁导率材料饱和，其屏蔽效果变差，而饱和磁感应强度较高的导磁材料仍有较好的屏蔽效果。浪涌电流继续变大，由于电工纯铁、碳钢、坡莫合金三种屏蔽材料均趋于深度饱和状态，屏蔽效果均大幅下降。因此，在干扰磁场幅值较小时应使用高磁导率的屏蔽材料，而在干扰磁场幅值较大时，应使用高饱和磁感应强度的屏蔽材料。

2.2 屏蔽罩开槽形式对屏蔽效果的影响

磁脱扣器工作时会有顶杆驱动漏电断路器而动作，因此需要在屏蔽罩上开槽，以便其顶杆能驱动漏电断路器。采用碳钢Q235作为屏蔽罩材料，在有顶杆一面的中心处可以沿坐标轴Y方向开槽，如图11所示，也可以沿X方向开槽。开槽方向和宽度对屏蔽效果产生影响，在20kA浪涌电流下进行仿 真计算，其结果见表3。

图11 屏蔽罩开槽方向 Fig.11 Slot direction of the shield

表3 不同开槽形式下的屏蔽效果 Tab.3 Shielding effectiveness of different slot forms

由表3可知，增加屏蔽罩开槽宽度后，两种开槽方向的屏蔽效果均会下降，二者影响相差不大。但沿X方向开槽，会降低Y方向干扰磁场的屏蔽效果，而Y方向干扰磁场对磁脱扣器内部磁场影响较大；沿Y方向开槽会降低X方向干扰磁场的屏蔽效果，而X方向干扰磁场对磁脱扣器内部磁场影响较小。因此应尽可能沿磁脱扣器磁路平行方向开槽。

2.3 屏蔽罩装配面对屏蔽效果的影响

除了在屏蔽罩与磁脱扣器顶杆配合面开槽，还应去掉屏蔽罩的一面，以便将磁脱扣器装配到屏蔽罩内。在磁脱扣器磁路平面平行方向开槽的基础上，分别去掉屏蔽罩的±X、±Y、-Z面，分析其屏蔽效果。在20kA的浪涌电流下进行仿真计算，其结果见表4。

表4 不同装配面下的屏蔽效果 Tab.4 Shielding effectiveness of different assembly surfaces

由表4可知，相较于未去掉装配面，屏蔽罩去掉+X面后，磁脱扣器内的磁通变化量增大127.6%，屏蔽效果下降最大，磁脱扣器容易误动作；屏蔽罩去掉+Y面后，磁脱扣器内的磁通变化量提高了20.5%，屏蔽效果下降最小。

3 实验验证

雷击浪涌电流磁场变化为μs级，一般情况下很难在雷击过程中对磁脱扣器衔铁与磁轭接触面处的磁感应强度进行测量。但可以通过在雷击浪涌电流下电磁式漏电断路器是否误动作来间接衡量不同屏蔽形式的屏蔽效果。引起误动作的雷击浪涌电流越大，屏蔽效果越好。图12为雷击浪涌电流干扰实验设备，该设备可产生最高峰值30kA的8/20μs的浪涌电流。

图12 雷击浪涌电流干扰实验设备 Fig.12 Experimental equipment for lightning surge current interference

首先对电磁式漏电断路器内部导体结构进行验证。某电磁式漏电断路器的内部载流导线在磁脱扣器的侧面，如图13a所示，电流通过导体产生的磁场相当于表2中的Z方向，抗雷击电流能力较低，只有1.0kA。而对其进行改进设计，将其内部导体优化为在磁脱扣器的下方，基本保持导体与磁脱扣器磁路在同一平面内，如图13b所示，电流通过导体产生的磁场相当于表2中的X方向，其抗雷击电流能力大幅提高，到达15.4kA，不同走线形式的实验结果见表5。实验结果验证了内部导体结构对抗雷击干扰能力的差异，内部载流导体与磁脱扣器的磁路在同一平面时，导体中电流对磁脱扣器影响最小。

图13 漏电断路器内部结构 Fig.13 Internal structure diagram of RCD

表5 不同走线形式的实验结果 Tab.5 Experiment results of wire with different forms

在电磁式漏电断路器内部导体在磁脱扣器正下方，进行屏蔽罩的屏蔽效果验证。当屏蔽罩为厚度1mm的碳钢Q235时，进行雷击浪涌电流干扰实验，其结果见表6。

表6 添加屏蔽罩的实验结果 Tab.6 Experimental results of installing the shield

由表6可知，无任何屏蔽形式，漏电断路器误动作时的雷电流峰值为15.4kA，当屏蔽罩采用高饱和磁感应强度的碳钢Q235时，误动作的雷电流峰值提高到21.2kA，抗干扰能力提高了30%以上。

4 结论

本文对电磁式漏电断路器的空间磁场干扰问题进行了研究，确定了磁脱扣器的敏感方向，并对导体走线结构和屏蔽结构进行了优化设计，使其抗干扰能力达到20kA以上。主要结论如下：

1）外界磁场方向与磁脱扣器磁路平面平行时，外界磁场对磁脱扣器磁路中的磁场影响最大；而外界磁场方向与磁脱扣器磁路平面垂直时，外界磁场影响最小。

2）电磁式漏电断路器内部导体应尽量远离磁脱扣器，且其走线方向应与磁脱扣器磁路处于同一平面，电流通过内部导体产生的磁场对磁脱扣器影响最小。

3）采用高饱和磁感应强度的铁磁材料设计磁脱扣器屏蔽罩，可以减少大电流产生的空间磁场对磁脱扣器的干扰，同时应避免屏蔽罩沿磁脱扣器磁路面的垂直方向开槽，防止屏蔽罩屏蔽效果的降低。