浅析过电流对电磁式RCBO漏电特性的影响

2022-09-17李罗斌司莺歌

电器与能效管理技术 2022年1期

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。