淺析電磁式剩余電流動作斷路器保磁能力的提升

朱 俊, 司鶯歌, 李 俐

(浙江正泰電器股份有限公司, 浙江 溫州 200063)

0 引 言

剩余電流動作斷路器(RCD)具有短路、過載及剩余電流動作保護功能,廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中,隨著終端負(fù)載功率的增加及用戶安全意識的提升,剩余電流動作斷路器呈現(xiàn)高短路電流分?jǐn)嗄芰案呖煽啃园l(fā)展的趨勢。大短路電流在載流體周圍形成強磁場,當(dāng)電磁式剩余電流動作斷路器中的永磁體工作點低于退磁曲線拐點時,永磁體內(nèi)的剩磁產(chǎn)生不可逆的磁化,改變磁回路元件間的磁吸附力,導(dǎo)致電磁式RCD保護功能失效。

本文闡述了電磁式剩余電流動作斷路器的工作原理,對電磁式RCD中永磁體的不可逆磁化原因進行分析,采取了減小永磁體的可感應(yīng)電場、選用高矯頑力永磁體材質(zhì)及增大外磁場與永磁體的距離等措施,提高了電磁式RCD的保磁能力。

1 電磁式RCD的工作原理

電磁式RCD工作原理如圖1所示。當(dāng)負(fù)載端出現(xiàn)接地故障漏電流Id時,線路電流的矢量和IL+IN≠0,磁環(huán)內(nèi)部產(chǎn)生交變磁通φ,互感器副邊繞組有感應(yīng)電動勢E輸出到電磁脫扣器(EMR)線圈兩端,產(chǎn)生激磁電流Ie,形成反向消磁力Fe。當(dāng)故障電流Id達到某一整定值時,激磁電流Ie形成的等效反向消磁力Fe使脫扣器內(nèi)部的銜鐵脫離磁軛,推動操作機構(gòu)動作,切斷故障電流回路[1]。

圖1 電磁式RCD工作原理

電磁脫扣器結(jié)構(gòu)如圖2所示。在磁回路中永磁體對軟磁材質(zhì)的銜鐵和磁軛進行磁化,形成磁回路,銜鐵與磁軛間由此形成克服彈簧反力Fs的磁吸附力Fm。當(dāng)Fx-Fe

圖2 電磁脫扣器結(jié)構(gòu)

因磁環(huán)輸出特性、元器件等存在差異,電磁系統(tǒng)的激磁能力也存在差異,為保證電磁式RCD產(chǎn)品剩余電流動作值,調(diào)整永磁體的Br進行適配。Br的大小直接影響銜鐵、磁軛間的磁吸力,也直接影響剩余動作電流值的大小,其出現(xiàn)的正向波動將使電磁式RCD剩余動作電流增大甚至不動作,而當(dāng)出現(xiàn)負(fù)向波動時,將使電磁式RCD剩余動作電流減小甚至滑扣,因此提高Br的穩(wěn)定性,即保磁能力,對電磁式RCD的可靠性至關(guān)重要[2]。

2 永磁體不可逆磁化機理及影響因素

永磁體的不可逆充磁或消磁稱為不可逆磁化。從永磁體磁化機理分析,無論是材料的不可逆充磁還是消磁都是磁疇壁由可逆壁移變?yōu)椴豢赡姹谝频倪^程,磁疇壁移的可逆與否取決于其能否脫離磁質(zhì)的釘扎作用。當(dāng)所加外磁場較弱時,不足以使磁疇壁脫離原磁質(zhì)的釘扎作用,而具有回到原狀態(tài)的傾向,這時磁疇壁移是可逆的;只有當(dāng)外磁場強度超過一定值時,磁疇壁才會脫離原雜質(zhì)的釘扎束縛,此時即使沒有外磁場,磁疇壁也不會復(fù)原,從而出現(xiàn)不可逆磁化[3]。

永磁體消磁原理如圖3所示。在永磁體周圍出現(xiàn)較大磁場時,其內(nèi)部場強將沿BM下降至M點,當(dāng)外場強消失,又沿MaN上升,如此反復(fù)形成MaNb磁滯回線,也可用MN近似表示該過程,稱為回復(fù)線,其斜率近似為可逆磁導(dǎo)率。逆磁導(dǎo)率取決于永磁體的矯頑力Hc,Hc越大,可逆磁導(dǎo)率越小,不同永磁材料的可逆磁導(dǎo)率各不相同[4]。

圖3 永磁體消磁原理

鋁鎳鈷充、退磁及回復(fù)曲線如圖4所示。從圖4(a)可以看出充磁場H/Hc<0.5時,Br接近于0,說明此時永磁體的磁疇壁移是可逆的;在充磁場H/Hc比值增大時,Br值開始增大,此時隨著比值逐步增大,磁疇壁的不可逆行為更加明顯。從圖4(b)可以看出,退磁場H/Hc>0.5時,回復(fù)曲線上的Br/Br(max)≈1,此時剩磁接近完全可逆,在退磁場H/Hc比值增大時不可逆現(xiàn)象逐步明顯。

圖4 鋁鎳鈷充、退磁及回復(fù)曲線

根據(jù)空間布局及結(jié)構(gòu)設(shè)計需要,電磁式RCD產(chǎn)品的載流體相對于永磁體多呈現(xiàn)非對稱式布局,因此各段載流體的不平衡電流產(chǎn)生較大的電場強度。永磁體外部電磁強度仿真分析如圖5所示。在產(chǎn)品載流體上模擬通入7 000 A的電流,在永磁體的磁力線方向產(chǎn)生的電場強度可以達到200 kA·m,超出常規(guī)鋁鎳鈷永磁體的Hc(約60 kA·m),H/Hc>3,此時極易出現(xiàn)不可逆的磁化情況,造成永磁體Br接近極值,永磁體將出現(xiàn)滿磁或近零磁的情況,電磁式RCD將出現(xiàn)不能合閘或不能分閘情況。根據(jù)圖5永磁體外部電磁強度仿真分析,可以看出不同的短路電流相位角對磁力線的方向及強度有直接的影響,0°相位角外電場磁力線與120°相位角外電場磁力線相反,正、反向的外電場對永磁體產(chǎn)生充磁或退磁的物理過程,這跟短路分?jǐn)嘣囼炦^程中不同相位角下電磁式RCD出現(xiàn)的不能分閘或不能合閘情況吻合。

圖5 永磁體外部電磁強度仿真分析

3 減小永磁體的可感應(yīng)電場

電磁式RCD內(nèi)部載流體通入電流,產(chǎn)生的電磁場對永磁體產(chǎn)生充退磁效應(yīng)。電磁場分析模型如圖6所示。對直導(dǎo)線上的任一電流元Idl,其大小為Idz,它到場點P的距離為r,θ為電流元Idl與矢量r之間的夾角,根據(jù)畢奧—薩伐爾定律,此電流元在P點所激發(fā)的磁感強度dB的大小為[5]

圖6 電磁場分析模型

(1)

取如圖6所示的直角坐標(biāo)系,C點坐標(biāo)(0,0,z1),D點坐標(biāo)(0,0,z2),L=z2-z1。而dB的方向由Idl×r確定,即沿著x軸的負(fù)方向。在直線上每一個電流元在P點激發(fā)的dB方向都是一致的,因此,可直接由上式積分求總的磁感強度B的大小,即

(2)

取積分上、下限分別為z2和z1,利用積分公式可得:

(3)

如果載流直導(dǎo)線為“無限長”,那么,z1→-∞,z2→+∞,可得:

(4)

雖然真正的無限長直導(dǎo)線并不存在,但是如果在閉合回路中有一段長度為L的直導(dǎo)線,那其附近r0?L的范圍內(nèi)式(2)成立。由此可知,在正常條件下,載流體產(chǎn)生電磁場大小的主要影響因素為電流值I及與永磁體間的距離r0。

在試驗預(yù)期電流為額定值的情況下,可以通過限流技術(shù)減小回路中的實際電流值,在線路產(chǎn)生短路電流時,可建立如下計算模型[6]:

(5)

式中:L——回路電感;

ih——電弧電流;

uh——電弧電壓;

R——回路電阻;

E——供電電壓。

實際線路中,線圈產(chǎn)生的電感L?R,ihR近似為0,則式(5)等效為

(6)

由式(6)可知,要使ih達到峰值,即dih/dt<0,決定條件是uh大于E,增大L可以加大ih單位下降幅度,表現(xiàn)在短路試驗波形上曲線斜率更大,可減小電弧電流持續(xù)的時間,因此在交流回路中限流的關(guān)鍵是快速地使uh大于E。

比較有效的措施是電流回路中串聯(lián)雙斷點,相當(dāng)于電路中再串聯(lián)1個斷開的動態(tài)電弧電阻Rx,使Rx成倍增大,E趨于分壓減半,大幅降低uh大于E的實現(xiàn)難度,增強限流效果。同時,在引弧通道靠近滅弧裝置的適當(dāng)位置局部強化引弧能力,有助于電弧的快速進入滅弧室建立起uh。基于以上改進思路在某系列小型化電磁式RCD上開展的試驗對比,短路試驗電流均為10 000 A。短路試驗數(shù)據(jù)及試后對比如表1所示。

表1 短路試驗數(shù)據(jù)及試后對比

由表1可知,改進后的方案有效地降低了電流峰值Ip及燃弧時間Tarc,而電磁式RCD的剩余電流動作值Itrip相比整定范圍(20～22 mA)波動幅度明顯降低,Itrip的穩(wěn)定也反映出永磁體的保磁能力得到提升。

4 提高永磁體抗磁化能力

永磁體磁滯曲線如圖7所示。圖中,橫坐標(biāo)為外電場強度H,縱坐標(biāo)為永磁體磁感應(yīng)強度B,Br(max)為永磁體的飽和剩磁。從圖7可以看出,要提高保磁能力,有效的措施是增大永磁體的Hc,以增大使Br趨零所需的外磁場。Kroneberg K J等[4]指出,矯頑力越高,磁鋼剩磁越穩(wěn)定,當(dāng)Hcj>2 000 Oe時,Br可以保持一年不發(fā)生變化;充磁后部分退磁,可以增加剩磁的穩(wěn)定性。

圖7 永磁體磁滯曲線

目前行業(yè)內(nèi)電磁式RCD普遍采用的永磁體材質(zhì)是鋁鎳鈷,因其是目前磁穩(wěn)定性最好的一類永磁合金。20世紀(jì)30年代,日本發(fā)現(xiàn)了AlNi合金永磁體,在其基礎(chǔ)上通過添加Co元素來調(diào)整成分、改進工藝,進而發(fā)展為一類具有優(yōu)異的溫度穩(wěn)定性的永磁合金。永磁合金的主要性能參數(shù)有最大磁能積BHmax、剩磁Br及矯頑力等[7]。鋁鎳鈷永磁合金的磁特性如表2所示。其中,AlNiCo28/6應(yīng)用最為廣泛,可以滿足常規(guī)的設(shè)計需求。而在小體積及高分?jǐn)嗟碾姶攀絉CD中,則存在保磁能力不足的問題,需要進一步改進。

表2 鋁鎳鈷永磁合金的磁特性

由表2可知,AlNiCo32/10、AlNiCo72/12的矯頑力達到100 kA/m以上,AlNiCo28/6的矯頑力為58 kA/m,前兩種材質(zhì)在矯頑力方面具有明顯的優(yōu)勢。為驗證改進的效果,選取3種材質(zhì)各3臺小型化電磁式RCD進行10 000 A的運行短路試驗,試驗前剩余動作電流均整定在21.2～22.0 mA,試驗操作順序為O—O—CO。試驗后的動作電流顯示,選用AlNiCo72/12的電磁式RCD動作電流基本沒有發(fā)生變化,而其他兩款材質(zhì)的永磁體變化幅度在30%～60%,根據(jù)動作電流的穩(wěn)定性排序依次是AlNiCo72/12>AlNiCo32/10>AlNiCo28/6。短路試驗后動作電流對比如表3所示。高矯頑力永磁體在電磁式RCD抗磁化方面的優(yōu)勢得到明顯的體現(xiàn)。

表3 短路試驗后動作電流對比

永磁體材質(zhì)的選用,需要結(jié)合實際的生產(chǎn)工藝綜合考慮。如AlNiCo32/10雖然有較大的矯頑力,但飽和剩磁Br有一定幅度的減小,在電磁式RCBO類剩余電流動作斷路器單極整定過電流特性時可能存在剩余電流誤動作的情況,但其可用于不帶過電流保護的電磁式RCCB或其他可采用回路串聯(lián)的帶過電流保護的電磁式RCBO,如1P+N、3P+N類電磁式RCBO。在選用高矯頑力永磁材質(zhì)時,需要配置充磁、退磁功率更高的設(shè)備,一般充退磁磁場應(yīng)能達到15 000 Gs,以滿足剩余動作電流的整定。

5 增大外磁場與永磁體間距的設(shè)計

由式(4)可知,外部磁場強度B與r成反比關(guān)系,因此增大載流體與永磁體的距離可以較大幅度降低外部磁場強度對永磁體的影響。現(xiàn)有高靈敏的30 mA及以下規(guī)格電磁式RCD的電磁系統(tǒng)多采用原邊2次穿心結(jié)構(gòu),為提高靈敏度,10 mA規(guī)格需要采用多達3次以上的原邊穿心結(jié)構(gòu)。該類結(jié)構(gòu)的載流體繞制于磁環(huán)的內(nèi)、外兩側(cè),繞制于外側(cè)的載流體形成的磁場距離永磁體更近。

原邊穿心結(jié)構(gòu)如圖8所示。在該類布局的結(jié)構(gòu)中,相比于二次穿心,一次穿心結(jié)構(gòu)可以減小的距離最小應(yīng)為磁環(huán)的外徑D與內(nèi)徑d的差值。在小型剩余電流動作斷路器中d2≥2d1,按理論計算載流體對永磁體的磁場強度可減小一半以上。原邊采用一次穿心,零序互感器的輸出功率也相應(yīng)減少,需要提升磁環(huán)的輸出性能及對電磁系統(tǒng)的激磁阻抗及負(fù)載阻抗進行匹配設(shè)計,來提高整個系統(tǒng)的輸出功率,以滿足剩余電流保護特性的可靠性。IΔn=30 mA規(guī)格原邊采用二次穿心和一次穿心的阻抗匹配設(shè)計如表4所示。

表4 IΔn=30 mA規(guī)格原邊采用二次穿心和一次穿心的阻抗匹配設(shè)計

現(xiàn)有磁環(huán)材質(zhì)配方與熱處理工藝的改進可以大幅提升單位輸出,通過匹配調(diào)整激磁阻抗與負(fù)載阻抗,可以實現(xiàn)原邊一次穿心驅(qū)動電壓與原邊二次穿心驅(qū)動電壓的變化趨勢基本吻合,從而保證實現(xiàn)原邊一次穿心。線路板輸出側(cè)電壓如圖9所示。由圖9的線路板輸出側(cè)電壓可以看出,原邊一次穿心與原邊二次穿心的驅(qū)動電壓在輸入電流為10～80 mA的情況下基本重合,而后由于原邊二次繞組的驅(qū)動電壓飽和更快,導(dǎo)致原邊一次穿心的驅(qū)動電壓高于原邊二次穿心的驅(qū)動電壓。通過提升磁環(huán)的性能,并結(jié)合激磁阻抗與負(fù)載阻抗匹配設(shè)計,一次穿心的驅(qū)動功率可以達到二次穿心的驅(qū)動功率,保證了剩余電流動作特性的可靠。

圖9 線路板輸出側(cè)電壓

原邊一次繞組原理的實現(xiàn)一定程度上增大了永磁體與原邊的距離,減小了大電流通過原邊時產(chǎn)生的大磁場對永磁體的影響,保證了永磁體剩磁的穩(wěn)定性,這也在產(chǎn)品進行10 kA短路分?jǐn)嘣囼灂r得到較好的體現(xiàn)。10 kA短路試驗后剩余電流動作值對比如表5所示。由表5可見一次穿心在做完10 kA短路試驗后,剩余電流動作值仍滿足0.5IΔn～IΔn的標(biāo)準(zhǔn)要求。

表5 10 kA短路試驗后剩余電流動作值對比

6 結(jié) 語

永磁體的保磁能力對電磁式RCD的可靠性至關(guān)重要。本文結(jié)合仿真對載流體的外電場形成、永磁體自身抗外電場能力影響因素進行分析,增加斷點結(jié)構(gòu)實現(xiàn)限流、選用高矯頑力的材質(zhì)及一次穿心結(jié)構(gòu)增大載流體與永磁體間的距離,以提高永磁體的抗磁化能力。實際的解決方案不限于此,應(yīng)從永磁體所處的磁、熱、振等環(huán)境具體分析,結(jié)合生產(chǎn)工藝的可實現(xiàn)性及經(jīng)濟性綜合評估。提升電磁式RCD的保磁能力有助于解決小體積、高分?jǐn)喈a(chǎn)品的瓶頸問題,從而推進斷路器在往小體積方向發(fā)展的同時保證可靠性。