剩余电流断路器设计要点-周积刚PPT课件

剩余电流断路器的设计要点,上海电器科学研究院,目录,概述,1,2,3,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,剩余电流互感器设计要点,2,一、概述,剩余电流断路器（简称：RCD）的构成RCD由剩余电流互感器、剩余电流脱扣器、信号放大装置（仅电子式有）、试验装置（剩余电流元件）和开关装置等部分组成。根据剩余电流元件与开关装置的组合形式可以为整体式结构和拼装式结构,塑壳式断路器,剩余电流元件,断路器和剩余电流元件在一个壳体内,3,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。,一、概述,剩余电流互感器,剩余电流脱扣器,电子线路板,4,二、剩余电流互感器设计要点,1、剩余电流互感器的设计要求剩余电流互感器的功能检测主电路的剩余电流（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回路的输出电压,该电压直接或通过信号放大装置，使剩余电流脱扣器动作。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性剩余电流互感器的技术要求高灵敏度：检测电流最小至0.006A；高可靠性：不产生误动作；高稳定性：温度、时效稳定,5,二、剩余电流互感器设计要点,2、剩余电流互感器的矢量图,剩余电流互感器电流和电压关系的矢量图,N1,I2,I1,N2,E2,N2I2,N2I2,N1I1,N1I0,图中：N1为一次回路导线匝数；N2为二次回路匝数；I1为一次回路电流；I2为二次回路电流；I0为铁心激磁电流；E2为二次回路感应电压；为二次回路电流滞后角,E2,6,二、剩余电流互感器设计要点,根据矢量图，一次回路电流、二次回路电流及铁心激磁电流间的关系如下列公式所示：N1I1+N2I2N1I0（1）N1I1（2）I1（3）由式（3）可见，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I1，要提高二次回路的感应电压E2（提高灵敏度），应尽可能提高互感器的激磁阻抗Z0,7,二、剩余电流互感器设计要点,互感器的激磁阻抗Z0（4）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，为电源角频率因此，要增大Z0，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l,8,二、剩余电流互感器设计要点,3、剩余电流互感器结构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N1从互感器中间穿过，二次回路导线N2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。,1.屏蔽圈2.屏蔽片3.绝缘外壳4.罩壳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,9,二、剩余电流互感器设计要点,4、互感器铁心材料和结构设计要求1)对铁心材料的要求：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，激磁安匝较小。对In为0.006A的RCD，最小工作磁场约为0.080A/m，要求铁心具有较高导磁率和初始导磁率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动作特性，要求铁心具有低矫顽力,10,二、剩余电流互感器设计要点,铁镍软磁合金材料，例如1J76、1J79、1J80、1J85等，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。例如，1J85，其m可大于0.628H/m，0也可达0.0625H/m以上，适合于在弱磁场条件下工作，可制造剩余电流互感器的铁心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，稳定性也逐渐提高，其应用逐渐增多对于剩余动作电流较大的其它剩余电流断路器，例如剩余动作电流为几十安以上时，也可以采用硅钢片等其它导磁材料制造互感器铁心,11,二、剩余电流互感器设计要点,高起始导磁率铁镍软磁合金的磁特性示例如下表,12,二、剩余电流互感器设计要点,2)结构设计要求铁心一般为圆环形，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，但制造工艺要求较高；冲片式制造方便，磁对称性较差，材料利用率低。卷绕材料厚度为0.10-0.20mm冷轧带材,冲片材料一般选用0.3-1.00的冷轧带材N1、N2、L和S等结构参数确定：主回路匝数N1受结构限制，一般采用穿心式，N1为1，电磁式剩余电流断路器的N1也不会大于5-6匝减少磁路长度，即铁心内径，根据主回路导体截面积确定，要确保所有的主回路导体，包括绝缘等均能通过互感器内孔,13,二、剩余电流互感器设计要点,铁心截面积S，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，输出功率要求不高，铁心截面尺寸要求不高，额定电流较小时，铁心直径小，可设计为几个mm2至十几mm2；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30mm2至50mm2之间。对电磁式剩余电流保护电器，要求较高的输出功率，应增大铁心的截面积，约在几十mm2至一百多mm2。根据铁心截面S，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虑,14,二、剩余电流互感器设计要点,3)屏蔽结构设计由于漏磁通的存在，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，减少漏磁通影响外，屏蔽结构设计是关键额定电流200A及以下可采用1mm至2mm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壳,15,二、剩余电流互感器设计要点,额定电流200A以上，主回路电流漏磁通对平衡性能的影响较严重,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。,4)保护外壳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，并采取适当的防震措施，避免外力对铁心机械或磁性能的影响,16,二、剩余电流互感器设计要点,5、剩余电流互感器工作点选择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，这对电磁式剩余电流断路器尤为重要，,即工作点应位于图中的a点至b点之间，如选择在饱和段b点和c点之间，则动作电流的波动范围要大大增加,17,二、剩余电流互感器设计要点,在磁化曲线上B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。对应一定的输出电压变化，B的变化范围为0.2T。如工作点在直线段，磁场强度H的变化范围为0.55A/m，而在饱和段，则H的变化范围为2.35A/m，是直线段的4.27倍，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4.27倍，动作电流极不稳定。,18,二、剩余电流互感器设计要点,6、剩余电流互感器二次回路阻抗与激磁阻抗匹配对电磁式剩余电流互感器，在互感器几何尺寸和一次回路匝数确定的条件下，要达到最大的输出灵敏度，应使二次回路阻抗与互感器的激磁阻抗匹配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计时，前面的式（3）可简化为：在一定的E2下，要I1最小，则括号中的值应最小,I1,19,二、剩余电流互感器设计要点,互感器的阻抗匹配,由图可见：=时括号中的值最小，即：Z2,Z0时,互感器灵敏度最高,20,6、剩余电流互感器的仿真设计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，模拟实际工况，充分考虑磁化曲线非线性，实现优化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，有效避免设计失误虚拟样机替代物理样机进行试验检测，减少样机试制次数，节约资源和能耗，降低设计成本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Maxwell软件等,二、剩余电流互感器设计要点,21,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。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，副边线圈模型建立精确程度直接影响计算结果的精确度铁心磁化曲线起始段上升非常快。而剩余电流互感器铁心的工作点正是在这一区间，仅从磁化曲线难以准确地取出B和H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，并将数据直接导出进行仿真，可提高计算精确度,二、剩余电流互感器设计要点,22,二、剩余电流互感器设计要点,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，例如连接一个采样电阻。副边线圈的电阻在maxwell软件中需要设定，副边线圈的电感值在maxwell软件中不需设定，软件会自动计算出电感结果剩余电流互感器仿真计算结果采样电阻为500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80%,23,二、剩余电流互感器设计要点,仿真结果与实验结果对比,24,三、剩余电流脱扣器设计要点,1、剩余电流脱扣器的设计要求剩余电流脱扣器是一个判别元件，当剩余电流达到预定值，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断路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断路器采用拍合式电磁铁或螺管电磁铁设计要求脱扣动作值（电压、电流）稳定具有足够的脱扣力输出脱扣线圈具有足够的热稳定性（对合式电磁铁或螺管电磁铁）,25,三、剩余电流脱扣器设计要点,2、释放式脱扣器1)释放式脱扣器典型结构如图，分为直动式和转动式，目前采用直动式较多,(a)直动式打击杆,(b)转动式打击杆,1,2,3,4,5,6,7,8,9,1,2,3,4,5,6,7,8,9,a)直动式：1-打击杆、2-外壳、3-弹簧、4-衔铁、5-磁轭、6-释放弹簧、7-磁钢、8-底座9-弹簧垫圈10-消磁线圈,10,b)转动式：1-打击杆、2-外壳、3-衔铁、4-磁轭、5-罩壳、6-紧固螺钉、7-磁钢、8-消磁线圈、9-调节螺钉,26,三、剩余电流脱扣器设计要点,2)释放式脱扣器磁路结构释放式脱扣器磁路结构如图，I2为消磁线圈交流电流，1为衔铁直流磁通，s为短路磁铁直流磁通，2为衔铁交流磁通；W为消磁线圈匝数，Rg为衔铁与磁轭吸合面磁阻，Rs为非磁性垫片间隙磁阻，Rm为永久磁钢磁阻，m为永久磁钢产生的总直流磁通，U0为永久磁钢磁势，R1为磁轭上半部分磁阻，R2为短路磁铁磁阻，R3为磁轭下半部分磁阻，R4为衔铁的磁阻,消磁线圈，衔铁；反作用弹簧；短路磁铁；非磁性垫片；永久磁钢；磁轭。,I2,2,1,3,4,5,6,7,1,2,s,m,Rg,Rs,R2,Rm,U0,R1,R1,Rg,R3,R4,I2W,R3,27,三、剩余电流脱扣器设计要点,在正常情况下，衔铁在磁钢产生的直流磁通1的作用下，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，只需要很小的激磁功率就能使衔铁释放，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I2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2，该交流磁通有半个周期与直流磁通1方向相反，抵消了部分衔铁吸合面的吸力。当I2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构，使断路器跳闸,28,三、剩余电流脱扣器设计要点,3)释放式脱扣器磁回路材料选择磁轭和衔铁的材料选择要求:较高的磁导率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磁轭和衔铁的材料一般选用对机械应力不太敏感的1J50等铁镍软磁合金材料，其含镍量约为50%左右，饱和磁感应强度可达1.5T，其直流磁性能如表所示,29,1J50铁镍软磁合金的直流磁性能,三、剩余电流脱扣器设计要点,30,三、剩余电流脱扣器设计要点,磁钢材料选择要求：能承受大电流或短路电流冲击的退磁作用能承受正常工作温升等环境因素对磁钢退磁的影响具有一定的磁能积因此，释放式脱扣器的磁钢应选择具有较高的矫顽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、保持力及消磁功率等因素有关，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,31,三、剩余电流脱扣器设计要点,常用的永久磁钢材料有钕铁硼、钐钴和铝镍钴等。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调节动作灵敏度，更适合于自动生产线上的在线调试,32,三、剩余电流脱扣器设计要点,钐钴永磁材料(烧结SmCo)的磁性能,33,三、剩余电流脱扣器设计要点,铸造铝镍钴磁铁的磁性能,注：带*号为各向同性，其他为各向异性,34,三、剩余电流脱扣器设计要点,4)释放式脱扣器衔铁上的作用力配合衔铁上受到的作用力如图所示：磁钢产生的吸力Fm；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F2释放弹簧的反力Fs，,F2,Fs,Fm,Fp,Fm,Fs,F,35,三、剩余电流脱扣器设计要点,脱扣器设计时，衔铁上的各作用力应符合：a)释放弹簧的反力Fs与脱扣力有关，应使与衔铁相连的打击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；b)磁钢吸力Fm要克服弹簧反力Fs，且要提供足够大的保持力Fp(Fm-Fs)。剩余电流保护电器在通以Ino时不能动作，因此，保持力Fp应大于Fs的1/3至1/2，Fm应为Fs的1.3倍到1.5倍。c)当消磁磁通产生的力F2达到保持力Fp时，脱扣器的衔铁脱扣，因此Fp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,36,三、剩余电流脱扣器设计要点,5)释放式脱扣器工艺设计要求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，其表面粗糙度不应低于Ra(m)0.16。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，对吸合面进行充分的磨合，确保极面吸合的稳定性脱扣器整个装配过程应在净化室中进行，所有零部件应保持清洁，并经过净化清洗后进行装配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响，确保脱扣电流的稳定性和可靠性,37,四、电子式剩余电流断路器电路设计,AC型RCD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，但成本相对偏高典型的漏电专用模拟电路有M54123L、VG54123、LW54123（一般型）和M54133（延时型）等，由于其集成度高，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,38,四、电子式剩余电流断路器电路设计,1、采用M54123（VG54123）的典型运用电路M54123（VG54123）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U1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。,M54123L（VG54123）典型运用电路,39,四、电子式剩余电流断路器电路设计,1）电源供电回路设计电源回路主要对脱扣线圈L和模拟集成电路U1供电，包括压敏电阻YM、整流桥D1-D4、限流电阻R3和R4、降压电阻R6和滤波电容C7等。交流电源通过限流电阻、脱扣线圈、整流桥和可控硅（SCR）对脱扣线圈供电元器件参数选择a)R3和R4一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;b)为确保交流电源电压在50V至220V之间，集成电路均能工作(最小工作电压12V，最大工作电流0.5mA),降压电阻R6选择不能大于120k,40,四、电子式剩余电流断路器电路设计,c)C7为滤波和稳压用，应选用大于等于1F电容器d)压敏电阻的压敏电压一般可按下式估算：Up=K1.11.41Un式中：Up压敏电压，单位：V；K安全系数,可取1.2-1.3；Un交流电源额定电压，单位：V；因此在单相电源时，压敏电压可取470V。如预期在电源电压波动较大的地区使用，压敏电压可适当增大。压敏电阻的通流容量不能小于3kA，因而压敏电阻的标称直径一般不能小于10mm如采用三相电源供电，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,41,四、电子式剩余电流断路器电路设计,2）信号采样电路信号采样电路由互感器二次回路，限压二极管Z1、Z2，电阻R1、R2，电容器C1、C2和C3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，经过电阻R1转换成电压信号，输入至集成电路的脚1和脚2，所以可通过调节R1可调节RCD的动作电流元器件参数选择a)Z1和Z2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。Z1和Z2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）b)R2为保护电阻，限制进入集成电路的电流，电阻值一般为100左右,42,四、电子式剩余电流断路器电路设计,c)C1、C2和C3为滤波电容。C1、C2用来滤除信号中高频噪声，可采用100P-200P的电容。C3为低频噪声滤流电容，可选用0.047F的电容。,信号采样电路,43,四、电子式剩余电流断路器电路设计,3)驱动输出电路由交流电源，脱扣线圈L，可控硅SCR，浪涌电压吸收回路R7、C8，集成电路输出脚7和滤波电容C6组成。集成电路的输入端脚1和脚2的输入电压达到规定值后，脚7输出一个高电平，可控硅SCR导通，脱扣线圈通电，使脱扣器动作元器件参数选择a)SCR的选择考虑电路额定工作电压和脱扣线圈电流，一般对220V的工作电压，可选SCR的耐受电压为600V，额定电流为0.3A-1A；b)滤波电容C6应小于1F，例如可选用0.47F的电容，C6过大会影响动作时间；,44,四、电子式剩余电流断路器电路设计,c)浪涌吸收回路可防止SCR免受浪涌电压的影响，同时可避免电路接通时，过高的dV/dt引起可控硅误动作，R7的阻值一般为100左右，C8可选择用0.022F电容。,45,四、电子式剩余电流断路器电路设计,2、采用M54133（VG54123）的典型运用电路M54133是延时型漏电专用集成电路。互感器二次回路输出电压输入到集成电路的输入端（端口13和15），当电压达到集成电路动作门电压（约为15mV）时，集成电路输出端（端口8）立即变成高电位，使SCR导通，电容器C10通过SCR对脱扣线圈KL放电，从而使脱扣器动作改变端口13和15的并联电阻R1阻值，可改变RCD的动作电流值M54133内置延时功能，可以通过端口7的外部电容调节延时时间电源回路采用恒流二极管限流，防止过电压影响,46,四、电子式剩余电流断路器电路设计,采用M54133集成电路的电气原理图,47,四、电子式剩余电流断路器电路设计,3、采用微处理器的信号处理电路整个电路也包括信号检测、电源、信号处理和驱动执行电路等，采用微处理器控制器对信号进行放大、,运算、处理和控制。可提高RCD的性能和可靠性，扩展功能，可具有测量、预报警、故障报警、显示及通信等多种功能。,采用微处理器的信号处理电路框图,48,四、电子式剩余电流断路器电路设计,4、电子式RCD动作电流调节电路设计要点电子式RCD一般通过改变采样电阻阻值和延时电路电容的方式来调整动作特性。如图所示，K1为调节动作电流的拨动开关，K2为调节动作时间的开关额