電磁式漏電斷路器的空間磁場(chǎng)抗擾分析及屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

李 奎 李常宇 牛 峰 羅 晨 武 一

（1. 省部共建電工裝備可靠性與智能化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（河北工業(yè)大學(xué)） 天津 300130 2. 河北省電磁場(chǎng)與電器可靠性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（河北工業(yè)大學(xué)） 天津 300130 3. 國(guó)網(wǎng)天津市電力公司城西供電分公司 天津 300190）

0 引言

在低壓配電系統(tǒng)中，漏電斷路器用于防止電氣火災(zāi)和保護(hù)人身觸電安全。當(dāng)電路發(fā)生漏電或有人觸電時(shí)，漏電斷路器能夠迅速切斷電源，防止因漏電引發(fā)的火災(zāi)、設(shè)備損壞及人身傷亡事故的發(fā)生[1]。由于電磁式漏電斷路器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作時(shí)不需要輔助電源，且工作穩(wěn)定可靠，在國(guó)內(nèi)外廣泛使用[2-4]。漏電斷路器在運(yùn)行過(guò)程中其動(dòng)作特性會(huì)受假剩余電流等干擾因素的影響[5]，除此之外，雷擊浪涌電流等大電流通過(guò)電磁式漏電斷路器時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)比較強(qiáng)，

很容易影響漏電斷路器的工作特性[6-8]，可能導(dǎo)致漏電斷路器誤動(dòng)作甚至損壞，因此必須對(duì)電磁式漏電斷路器進(jìn)行外界磁場(chǎng)干擾分析，找出敏感元件，并對(duì)其進(jìn)行屏蔽設(shè)計(jì)。為保證漏電斷路器的可靠工作，洪傳生等對(duì)電子式漏電斷路器的電子電路進(jìn)行了改進(jìn)，有效降低了浪涌電流沖擊試驗(yàn)的誤脫扣和失效率[9]。劉德勝等通過(guò)晶閘管和脫扣線(xiàn)圈的合理組合，增加了抗干擾電路，提高了漏電斷路器的可靠性[10]。目前，對(duì)電磁式漏電斷路器的抗干擾問(wèn)題的研究較少。

添加磁屏蔽措施可降低外界干擾磁場(chǎng)對(duì)電磁式漏電斷路器的影響，提高電磁式漏電斷路器抗雷擊浪涌電流干擾的能力，磁屏蔽可以分為恒定磁場(chǎng)屏蔽和交變磁場(chǎng)屏蔽。一般情況下，可以采用高磁導(dǎo)率的鐵磁材料進(jìn)行恒定磁場(chǎng)和低頻交變磁場(chǎng)的屏蔽，鐵磁材料可以改變磁力線(xiàn)的走向，將大部分磁通集中在鐵磁材料內(nèi)部，以達(dá)到屏蔽效果；可以采用高電導(dǎo)率的材料進(jìn)行高頻交變磁場(chǎng)的屏蔽，在時(shí)變磁場(chǎng)下導(dǎo)電材料內(nèi)部產(chǎn)生渦流，從而抵消大部分干擾磁場(chǎng)[11-16]。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于電磁屏蔽的分析已經(jīng)有很多研究。E. Cardelli等分析了幾種新型的屏蔽板結(jié)構(gòu)，用于屏蔽低頻磁場(chǎng)[17]；張晚英等利用三維有限元法建立了圓柱形屏蔽體模型，對(duì)屏蔽體厚度、層數(shù)和激勵(lì)頻率的影響進(jìn)行了分析[18]；焦重慶等根據(jù)屏蔽室法測(cè)量材料屏蔽效能的原理，提出了工頻電場(chǎng)和磁場(chǎng)屏蔽效能測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方案[19]。

此外，還有一些學(xué)者通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)實(shí)際工況下的屏蔽形式進(jìn)行了結(jié)構(gòu)或材料方面的優(yōu)化。文獻(xiàn)[20-23]研究了電抗器的屏蔽，提出一種有效的屏蔽工頻磁場(chǎng)的高導(dǎo)磁材料層的排列方法，并對(duì)屏蔽結(jié)構(gòu)的屏蔽效能進(jìn)行了評(píng)估。文獻(xiàn)[24-25]對(duì)電磁軌道炮內(nèi)強(qiáng)電磁場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行分析及屏蔽研究，為優(yōu)化屏蔽措施提供了依據(jù)。

現(xiàn)有的磁場(chǎng)屏蔽研究主要針對(duì)工作磁場(chǎng)強(qiáng)、體積大的電氣設(shè)備，與工作磁場(chǎng)弱、體積小的電磁式漏電斷路器的磁屏蔽有一定區(qū)別。正常情況下通過(guò)漏電斷路器的負(fù)荷電流較小，因此正常負(fù)荷電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)其特性影響較小。如果線(xiàn)路發(fā)生過(guò)載或短路故障，其電流通過(guò)漏電斷路器時(shí)會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的干擾磁場(chǎng)。另外當(dāng)配電線(xiàn)路遭受雷擊時(shí)，由于雷擊浪涌電流非常大，也可能會(huì)導(dǎo)致漏電斷路器誤動(dòng)作甚至損壞。雷擊浪涌電流對(duì)漏電斷路器的影響非常復(fù)雜，包括線(xiàn)路傳導(dǎo)干擾和空間磁場(chǎng)耦合干擾?？臻g磁場(chǎng)耦合干擾主要是浪涌電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)直接對(duì)漏電斷路器造成干擾，因此本文重點(diǎn)針對(duì)大電流產(chǎn)生的空間磁場(chǎng)干擾問(wèn)題進(jìn)行研究，提出電磁式漏電斷路器內(nèi)部導(dǎo)線(xiàn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。同時(shí)，設(shè)計(jì)一種用于磁脫扣器的磁屏蔽罩，分析屏蔽材料、屏蔽結(jié)構(gòu)等的影響，可有效降低干擾磁場(chǎng)對(duì)電磁式漏電斷路器的影響，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 電磁式漏電斷路器內(nèi)部導(dǎo)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 電磁式漏電斷路器的敏感元件分析

典型的電磁式漏電斷路器漏電保護(hù)模塊是由零序電流互感器、電路板、電磁脫扣器、試驗(yàn)按鈕回路和動(dòng)作機(jī)構(gòu)等主要部分組成，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)主線(xiàn)路出現(xiàn)故障漏電流dI˙時(shí)，主線(xiàn)路電流的相量和不為0，剩余電流互感器輸出信號(hào)到電路板，電路板會(huì)產(chǎn)生一個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)使磁脫扣器動(dòng)作，切斷故障電流回路。

磁脫扣器是電磁式漏電斷路器的核心組件，主要由永久磁鐵、磁軛、銜鐵、線(xiàn)圈、彈簧等零件組成。磁脫扣器的運(yùn)動(dòng)方程為

圖1 典型電磁式漏電斷路器原理 Fig.1 The schematic diagram of residual current circuit-breaker

式中，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度；A為接觸面的面積；Fem、Fr分別為脫扣器的電磁吸力和彈簧反力；L1、L2分別為電磁吸力和彈簧反力的力臂；Tem、Tr分別為電磁吸力矩和彈簧反力矩；Φ為銜鐵與磁軛間的磁通；J、ω、θ分別為銜鐵的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、轉(zhuǎn)動(dòng)角速度和轉(zhuǎn)動(dòng)角度；μ0為空氣磁導(dǎo)率。由式（1）可知，電磁吸力Fem主要與磁脫扣器接觸面的磁通量有關(guān)。正常情況下，永磁體提供的電磁吸力矩大于彈簧反力矩，磁脫扣器保持穩(wěn)定吸合狀態(tài)；漏電故障情況下，電路板發(fā)出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)磁脫扣器線(xiàn)圈產(chǎn)生反向磁場(chǎng)，以抵消永久磁鐵在銜鐵與磁軛間產(chǎn)生的磁通，使電磁吸力矩小于彈簧反力矩，磁脫扣器不能維持吸合狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)漏電斷路器動(dòng)作。因此通過(guò)分析接觸面磁通的變化，就可以確定磁脫扣器的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

根據(jù)各個(gè)零部件的實(shí)際尺寸建立磁脫扣器有限元仿真模型，銜鐵和磁軛的材料為坡莫合金1J50，為非線(xiàn)性高磁導(dǎo)率材料，永磁體材料為鋁鎳鈷，其剩磁和矯頑力按實(shí)際樣機(jī)參數(shù)選取，分別為0.772T、48kA/m。求解域范圍在±X、±Y、±Z方向上均為磁脫扣器尺寸的3倍。磁脫扣器的仿真實(shí)體模型如圖2所示，其主要參數(shù)見(jiàn)表1。

圖3為磁脫扣器銜鐵處于閉合位置，線(xiàn)圈電壓為0，外界干擾磁場(chǎng)為0時(shí)，磁脫扣器對(duì)稱(chēng)平面的計(jì)算結(jié)果，其銜鐵與磁軛接觸面間的磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到140mT，方向?yàn)?Z方向。

圖2 磁脫扣器仿真實(shí)體模型 Fig.2 Simulation entity model of magnetic release

表1 磁脫扣器主要參數(shù) Tab.1 Parameters of magnetic release

圖3 無(wú)干擾磁場(chǎng)時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度分布 Fig.3 Magnetic induction distribution without interference magnetic field

一般情況下漏電斷路器的動(dòng)作值小于30mA，且無(wú)輔助電源，在90~120mV電壓下磁脫扣器就會(huì)動(dòng)作。外界干擾磁場(chǎng)達(dá)到3.5mT時(shí)就會(huì)使磁脫扣器誤動(dòng)作，因此磁脫扣器為電磁式漏電斷路器中的敏感元件，極易受到外界磁場(chǎng)的影響。

1.2 磁脫扣器敏感方向分析

作為一種典型的電磁元件，當(dāng)外界存在干擾磁場(chǎng)時(shí)，磁脫扣器內(nèi)部磁路的磁場(chǎng)分布會(huì)受到影響，從而影響磁脫扣器的脫扣電壓，進(jìn)而可能導(dǎo)致磁脫扣器誤動(dòng)作甚至損壞，不同方向干擾磁場(chǎng)影響如圖4所示。

圖4 干擾磁場(chǎng)作用方向示意圖 Fig.4 Diagram of interference magnetic field under different direction

圖4中，BI為永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)，BX、BY、BZ為不同方向的外界干擾磁場(chǎng)。干擾磁場(chǎng)的BY和BZ方向平行于磁脫扣器磁路平面，其通過(guò)的磁路截面積與銜鐵、磁軛的寬度有關(guān)，長(zhǎng)度為銜鐵、磁軛的長(zhǎng)度。外界磁場(chǎng)為BY和BZ方向時(shí)，由于磁脫扣器磁路磁阻遠(yuǎn)小于空氣磁阻，會(huì)有更多的磁通穿過(guò)磁脫扣器，改變了磁脫扣器內(nèi)部磁場(chǎng)分布，因此BY和BZ方向的磁場(chǎng)對(duì)磁脫扣器內(nèi)部磁路分布的影響很大。BX方向磁場(chǎng)垂直穿過(guò)磁脫扣器磁路平面，其通過(guò)的磁路截面積與銜鐵、磁軛的厚度有關(guān)，長(zhǎng)度為銜鐵、磁軛的寬度，BX方向磁路較短且外界磁場(chǎng)方向與磁路內(nèi)磁場(chǎng)方向垂直，因此BX方向磁場(chǎng)對(duì)磁脫扣器內(nèi)部磁路分布的影響較小。當(dāng)外界磁場(chǎng)在磁脫扣器磁路中產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向與永久磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向相反且達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，銜鐵電磁吸力矩小于彈簧反力矩，銜鐵與磁軛不能保持吸合狀態(tài)，磁脫扣器誤動(dòng)作。

為驗(yàn)證不同方向磁場(chǎng)對(duì)磁脫扣器的影響，建立通電螺線(xiàn)管仿真模型產(chǎn)生均勻磁場(chǎng)來(lái)模擬不同方向外界干擾磁場(chǎng)，并通過(guò)施加不同電流來(lái)獲得不同幅值的磁場(chǎng)。由于施加磁場(chǎng)方向不同，磁脫扣器銜鐵與磁軛間接觸面處磁感應(yīng)強(qiáng)度不同。磁脫扣器銜鐵與磁軛間接觸面處磁感應(yīng)強(qiáng)度變化量越大，說(shuō)明外界磁場(chǎng)對(duì)磁脫扣器的干擾越嚴(yán)重。分別對(duì)磁脫扣器施加3.5mT和100mT的均勻磁場(chǎng)，記錄不同方向磁場(chǎng)下接觸面處磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化情況見(jiàn)表2。100mT大約相當(dāng)于漏電斷路器內(nèi)載流導(dǎo)體通過(guò)20kA電流時(shí)在磁脫扣器位置產(chǎn)生的外磁場(chǎng)。

表2 不同外磁場(chǎng)下銜鐵與磁軛間接觸面處 磁感應(yīng)強(qiáng)度變化量 Tab.2 The variation of magnetic induction at the contact surface between armature and yoke under different external magnetic fields

表2仿真結(jié)果驗(yàn)證了前面的分析，且±Z方向影響最大，該方向?yàn)榇琶摽燮鞯淖蠲舾蟹较?，最不敏感方向?yàn)椤繶方向。

1.3 電磁式漏電斷路器內(nèi)部導(dǎo)體最優(yōu)走線(xiàn)結(jié)構(gòu)

在電磁式漏電斷路器中，內(nèi)部載流導(dǎo)體是干擾磁場(chǎng)的直接來(lái)源，因此需要分析導(dǎo)體走線(xiàn)位置對(duì)磁脫扣器的影響。根據(jù)磁脫扣器與載流導(dǎo)體位置關(guān)系，可以將其歸算到沿坐標(biāo)軸X、Y、Z的三個(gè)方向，如圖5所示。由磁脫扣器的敏感方向分析可知，導(dǎo)體在Y2、Y4、Z2、Z4位置，即導(dǎo)體與磁脫扣器磁路處于同一平面內(nèi)時(shí)，載流導(dǎo)體產(chǎn)生的干擾磁場(chǎng)與磁脫扣器磁路平面垂直，即為圖4中的±X方向，幾乎不會(huì)對(duì)磁脫扣器工作特性造成影響；導(dǎo)體在其他位置，即導(dǎo)體與磁脫扣器磁路不在同一平面時(shí)，產(chǎn)生的干擾磁場(chǎng)主要為±Y和±Z方向，干擾磁場(chǎng)對(duì)磁脫扣器內(nèi)部磁路的影響較大。

圖5 載流導(dǎo)體與磁脫扣器的相對(duì)位置 Fig.5 Relative position of current-carrying wire and magnetic release

綜上所述，電磁式漏電斷路器內(nèi)部導(dǎo)體應(yīng)與磁脫扣器磁路在同一平面內(nèi)，避免在側(cè)方走線(xiàn)，可有效降低導(dǎo)體中電流對(duì)磁脫扣器的影響。同時(shí)，載流導(dǎo)體應(yīng)盡量遠(yuǎn)離磁脫扣器，以便降低載流導(dǎo)體在磁脫扣器處產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度，從而減輕對(duì)磁脫扣器的影響。

受斷路器結(jié)構(gòu)和空間的限制，內(nèi)部載流導(dǎo)體會(huì)有彎曲、偏移等情況，載流導(dǎo)體中電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)仍會(huì)影響磁脫扣器。由于彎曲或傾斜等原因，兩者之間會(huì)存在一定夾角，導(dǎo)體電流產(chǎn)生的干擾磁場(chǎng)可分解為兩個(gè)相互垂直的磁場(chǎng)分量B1和B2，如圖6所示。

圖6 傾斜導(dǎo)體的干擾磁場(chǎng)分析 Fig.6 Analysis of interference magnetic field of inclined wire

干擾磁場(chǎng)B1的方向主要為Y和Z方向，為磁脫扣器易受磁場(chǎng)干擾的方向，因此導(dǎo)體傾斜角α越大，即B1磁場(chǎng)分量越大，磁脫扣器受到的影響越大；干擾磁場(chǎng)B2并非完全垂直穿過(guò)磁脫扣器磁路平面，其Z方向的磁場(chǎng)分量也會(huì)直接影響磁脫扣器內(nèi)部磁路。

偏移導(dǎo)體的方向與磁脫扣器磁路平面平行，如圖7所示。根據(jù)畢奧-薩伐爾公式得到偏移導(dǎo)體在磁脫扣器垂直接觸面方向產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度分量BZ為

式中，h為磁脫扣器與導(dǎo)體的垂直距離；x為磁脫扣器與導(dǎo)體的水平距離。

由式（2）可知，隨著導(dǎo)體與磁脫扣器磁路所在平面距離x的增加，干擾磁場(chǎng)BZ先增大后減小。當(dāng)x=h時(shí)干擾磁場(chǎng)BZ達(dá)到最大，若導(dǎo)體通過(guò)的電流較大可能會(huì)導(dǎo)致漏電斷路器誤動(dòng)作。

圖7 偏移導(dǎo)體的干擾磁場(chǎng)分析 Fig.7 Analysis of interference magnetic field of offset wire

2 磁脫扣器的空間干擾磁場(chǎng)屏蔽

2.1 雷擊浪涌電流模型磁脫扣器的屏蔽罩設(shè)計(jì)

采用屏蔽罩可以降低外界磁場(chǎng)對(duì)磁脫扣器的干擾，屏蔽罩應(yīng)緊貼磁脫扣器外殼，其尺寸為20mm×13mm×24mm，厚度為1mm，磁脫扣器的屏蔽罩仿真模型如圖8所示。內(nèi)部載流導(dǎo)線(xiàn)通過(guò)端子外接導(dǎo)線(xiàn)，一般情況下端子高于內(nèi)部導(dǎo)線(xiàn)位置，因此在仿真模型中載流導(dǎo)線(xiàn)兩端翹起。

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

高磁導(dǎo)率材料對(duì)弱磁場(chǎng)屏蔽有效，如果通過(guò)電磁式漏電斷路器的電流較大，產(chǎn)生的干擾磁場(chǎng)也較大，用作屏蔽罩的導(dǎo)磁材料可能會(huì)飽和，屏蔽效果大幅下降。坡莫合金1J50的磁導(dǎo)率μr較高但飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度H較低，而電工純鐵DT4和碳鋼Q235的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度較高但磁導(dǎo)率較低，其μr-H曲線(xiàn)如圖9所示。

采用不同導(dǎo)磁材料作為屏蔽罩，對(duì)其屏蔽效果進(jìn)行仿真，可以得到不同峰值電流下磁脫扣器銜鐵與磁軛間吸合面處的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化量，其結(jié)果如圖10所示。

圖9 導(dǎo)磁材料的μr-H曲線(xiàn) Fig.9 Relative permeability of magnetic material under different magnetic field strength

圖10 不同峰值電流下導(dǎo)磁材料的屏蔽效果 Fig.10 Shielding effectiveness of ferromagnetic material under different peak current

由圖10可知，在浪涌電流較小時(shí)，磁導(dǎo)率較高的坡莫合金1J50的屏蔽效果最好，磁導(dǎo)率較低的碳鋼Q235的屏蔽效果最差；隨著浪涌電流峰值的增加，飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度較高的碳鋼Q235的屏蔽效果較好，而坡莫合金1J50的屏蔽效果最差。這是由于浪涌電流較小時(shí)，產(chǎn)生的空間干擾磁場(chǎng)較小，磁導(dǎo)率較高的導(dǎo)磁材料沒(méi)有飽和，其屏蔽效果最好；而隨著干擾電流增大，其產(chǎn)生的空間干擾磁場(chǎng)變強(qiáng)，高磁導(dǎo)率材料飽和，其屏蔽效果變差，而飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度較高的導(dǎo)磁材料仍有較好的屏蔽效果。浪涌電流繼續(xù)變大，由于電工純鐵、碳鋼、坡莫合金三種屏蔽材料均趨于深度飽和狀態(tài)，屏蔽效果均大幅下降。因此，在干擾磁場(chǎng)幅值較小時(shí)應(yīng)使用高磁導(dǎo)率的屏蔽材料，而在干擾磁場(chǎng)幅值較大時(shí)，應(yīng)使用高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度的屏蔽材料。

2.2 屏蔽罩開(kāi)槽形式對(duì)屏蔽效果的影響

磁脫扣器工作時(shí)會(huì)有頂桿驅(qū)動(dòng)漏電斷路器而動(dòng)作，因此需要在屏蔽罩上開(kāi)槽，以便其頂桿能驅(qū)動(dòng)漏電斷路器。采用碳鋼Q235作為屏蔽罩材料，在有頂桿一面的中心處可以沿坐標(biāo)軸Y方向開(kāi)槽，如圖11所示，也可以沿X方向開(kāi)槽。開(kāi)槽方向和寬度對(duì)屏蔽效果產(chǎn)生影響，在20kA浪涌電流下進(jìn)行仿 真計(jì)算，其結(jié)果見(jiàn)表3。

圖11 屏蔽罩開(kāi)槽方向 Fig.11 Slot direction of the shield

表3 不同開(kāi)槽形式下的屏蔽效果 Tab.3 Shielding effectiveness of different slot forms

由表3可知，增加屏蔽罩開(kāi)槽寬度后，兩種開(kāi)槽方向的屏蔽效果均會(huì)下降，二者影響相差不大。但沿X方向開(kāi)槽，會(huì)降低Y方向干擾磁場(chǎng)的屏蔽效果，而Y方向干擾磁場(chǎng)對(duì)磁脫扣器內(nèi)部磁場(chǎng)影響較大；沿Y方向開(kāi)槽會(huì)降低X方向干擾磁場(chǎng)的屏蔽效果，而X方向干擾磁場(chǎng)對(duì)磁脫扣器內(nèi)部磁場(chǎng)影響較小。因此應(yīng)盡可能沿磁脫扣器磁路平行方向開(kāi)槽。

2.3 屏蔽罩裝配面對(duì)屏蔽效果的影響

除了在屏蔽罩與磁脫扣器頂桿配合面開(kāi)槽，還應(yīng)去掉屏蔽罩的一面，以便將磁脫扣器裝配到屏蔽罩內(nèi)。在磁脫扣器磁路平面平行方向開(kāi)槽的基礎(chǔ)上，分別去掉屏蔽罩的±X、±Y、-Z面，分析其屏蔽效果。在20kA的浪涌電流下進(jìn)行仿真計(jì)算，其結(jié)果見(jiàn)表4。

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

由表4可知，相較于未去掉裝配面，屏蔽罩去掉+X面后，磁脫扣器內(nèi)的磁通變化量增大127.6%，屏蔽效果下降最大，磁脫扣器容易誤動(dòng)作；屏蔽罩去掉+Y面后，磁脫扣器內(nèi)的磁通變化量提高了20.5%，屏蔽效果下降最小。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

雷擊浪涌電流磁場(chǎng)變化為μs級(jí)，一般情況下很難在雷擊過(guò)程中對(duì)磁脫扣器銜鐵與磁軛接觸面處的磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量。但可以通過(guò)在雷擊浪涌電流下電磁式漏電斷路器是否誤動(dòng)作來(lái)間接衡量不同屏蔽形式的屏蔽效果。引起誤動(dòng)作的雷擊浪涌電流越大，屏蔽效果越好。圖12為雷擊浪涌電流干擾實(shí)驗(yàn)設(shè)備，該設(shè)備可產(chǎn)生最高峰值30kA的8/20μs的浪涌電流。

圖12 雷擊浪涌電流干擾實(shí)驗(yàn)設(shè)備 Fig.12 Experimental equipment for lightning surge current interference

首先對(duì)電磁式漏電斷路器內(nèi)部導(dǎo)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證。某電磁式漏電斷路器的內(nèi)部載流導(dǎo)線(xiàn)在磁脫扣器的側(cè)面，如圖13a所示，電流通過(guò)導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場(chǎng)相當(dāng)于表2中的Z方向，抗雷擊電流能力較低，只有1.0kA。而對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，將其內(nèi)部導(dǎo)體優(yōu)化為在磁脫扣器的下方，基本保持導(dǎo)體與磁脫扣器磁路在同一平面內(nèi)，如圖13b所示，電流通過(guò)導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場(chǎng)相當(dāng)于表2中的X方向，其抗雷擊電流能力大幅提高，到達(dá)15.4kA，不同走線(xiàn)形式的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了內(nèi)部導(dǎo)體結(jié)構(gòu)對(duì)抗雷擊干擾能力的差異，內(nèi)部載流導(dǎo)體與磁脫扣器的磁路在同一平面時(shí)，導(dǎo)體中電流對(duì)磁脫扣器影響最小。

圖13 漏電斷路器內(nèi)部結(jié)構(gòu) Fig.13 Internal structure diagram of RCD

表5 不同走線(xiàn)形式的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 Tab.5 Experiment results of wire with different forms

在電磁式漏電斷路器內(nèi)部導(dǎo)體在磁脫扣器正下方，進(jìn)行屏蔽罩的屏蔽效果驗(yàn)證。當(dāng)屏蔽罩為厚度1mm的碳鋼Q235時(shí)，進(jìn)行雷擊浪涌電流干擾實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 添加屏蔽罩的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 Tab.6 Experimental results of installing the shield

由表6可知，無(wú)任何屏蔽形式，漏電斷路器誤動(dòng)作時(shí)的雷電流峰值為15.4kA，當(dāng)屏蔽罩采用高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度的碳鋼Q235時(shí)，誤動(dòng)作的雷電流峰值提高到21.2kA，抗干擾能力提高了30%以上。

4 結(jié)論

本文對(duì)電磁式漏電斷路器的空間磁場(chǎng)干擾問(wèn)題進(jìn)行了研究，確定了磁脫扣器的敏感方向，并對(duì)導(dǎo)體走線(xiàn)結(jié)構(gòu)和屏蔽結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其抗干擾能力達(dá)到20kA以上。主要結(jié)論如下：

1）外界磁場(chǎng)方向與磁脫扣器磁路平面平行時(shí)，外界磁場(chǎng)對(duì)磁脫扣器磁路中的磁場(chǎng)影響最大；而外界磁場(chǎng)方向與磁脫扣器磁路平面垂直時(shí)，外界磁場(chǎng)影響最小。

2）電磁式漏電斷路器內(nèi)部導(dǎo)體應(yīng)盡量遠(yuǎn)離磁脫扣器，且其走線(xiàn)方向應(yīng)與磁脫扣器磁路處于同一平面，電流通過(guò)內(nèi)部導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)磁脫扣器影響最小。

3）采用高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度的鐵磁材料設(shè)計(jì)磁脫扣器屏蔽罩，可以減少大電流產(chǎn)生的空間磁場(chǎng)對(duì)磁脫扣器的干擾，同時(shí)應(yīng)避免屏蔽罩沿磁脫扣器磁路面的垂直方向開(kāi)槽，防止屏蔽罩屏蔽效果的降低。