剩余电流保护电器的结构设计

12.2.2.1 概述

剩余电流保护电器主要由剩余电流互感器、剩余电流脱扣器、信号放大装置、试验装置和执行元件（开关装置或报警装置）等部分组成。剩余电流互感器、剩余电流脱扣器、信号放大装置和试验装置主要用于剩余电流检测、判别和测试功能，通常称为剩余电流元件。根据剩余电流元件与开关装置的组合形式，可以分为整体式结构和拼装式结构两种形式。整体式结构的剩余电流元件和开关装置在一个壳体内（不带过电流保护），或与低压断路器组装在一个壳体内（带过电流保护）。拼装式结构开关装置（一般采用低压断路器）和剩余电流元件分别在两个壳体内，通过电气和机械连接组装在一起。图12-8a为拼装式剩余电流断路器，图12-8b为整体式剩余电流断路器。无论整体式结构或组装式结构的剩余电流保护电器，其剩余电流元件部分均由剩余电流互感器、剩余电流脱扣器、信号放大装置和试验装置等组成，图12-9是整体式剩余电流断路器内部结构，剩余电流元件部分各主要元器件的结构分述如下。

图12-8 整体式和拼装式剩余电流保护电器

a）拼装式剩余电流断路器 b）整体式剩余电流断路器

图12-9 整体式剩余电流断路器内部结构

12.2.2.2 剩余电流互感器

剩余电流互感器的主要功能是检测通过互感器铁心的主电路的剩余电流（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。二次回路输出电压直接或通过信号放大装置将信号放大以后施加到剩余电流脱扣器的脱扣线圈上，使脱扣器动作。剩余电流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。

1.剩余电流互感器的相量图

为了了解互感器的输入和输出工作特性，先介绍剩余电流互感器一次回路和二次回路的电流与电压的相量图，如图12-10所示。

图12-10 剩余电流互感器电流和电压关系的相量图

图12-10中N₁为互感器一次回路绕组匝数，对贯穿式环形互感器，即为穿过互感器主回路的导线数；N₂为二次回路绕组匝数，通常缠绕在环形铁心上，一次回路和二次回路通过铁心实现电磁耦合；为一次回路的电流；为二次回路的电流；为铁心的磁化电流，为二次回路的感应电压，θ为二次回路的电流滞后角。根据相量图，一次回路的电流、二次回路的电流及铁心的磁化电流之间的关系见式（12-7）和式（12-8）。

由式（12-8）可得出

式中 E₂——二次回路感应电压；

Z₀——励磁阻抗；

Z₂——二次回路阻抗。

由式（12-9）可以看出，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，应尽可能提高互感器的励磁阻抗Z₀。

根据磁路定律，铁心的励磁阻抗由下式所示：

式中 μ——铁心的磁导率；

l——铁心磁路的平均长度；

S——铁心截面积；

ω——电源角频率。

因此，要增大Z₀，提高互感器的检测灵敏度，应提高互感器铁心的磁导率、铁心的截面积和一次回路的匝数，减少铁心的磁路长度。

2.提高互感器检测灵敏度和可靠性的措施

为提高剩余电流保护电器的动作灵敏度和工作可靠性，首先要求剩余电流互感器应具有高的检测灵敏度和检测可靠性。

（1）提高检测灵敏度的措施 剩余电流互感器检测的电流范围一般从几个毫安至几百毫安，而互感器一次回路导线由于受到主回路导线截面积的限制，往往只有一匝或几匝，励磁安匝较小。因此互感器是处在弱磁场的条件下工作的，这就要求互感器的铁心具有较高的磁导率，尤其是要求有较高的初始磁导率。剩余电流互感器的铁心一般采用高磁导率的铁镍软磁合金制成，例如1J85，其最大磁导率μ_m可大于0.628H/m，初始磁导率μ₀也可达0.0628H/m以上，特别适合于在弱磁场条件下工作，可以制成高灵敏度的剩余电流互感器。

近年来，也有些产品采用高磁导率的非晶态或超微晶合金材料制造剩余电流互感器，非晶和超微晶合金材料具有较高的磁导率，铁心加工及热处理的工艺要求较低，成本也相应较低，近几年发展较快，其稳定性也逐渐提高，在剩余电流保护电器中应用逐渐增多。

对于剩余动作电流较大的其他剩余电流保护电器，例如剩余电流继电器等，也可以采用硅钢片、铁淦氧等其他高磁导率材料制造的互感器铁心。

由式（12-9）和式（12-10）可知，剩余电流互感器的检测灵敏度还与互感器一次回路的绕组匝数N₁、铁心的截面积S和磁路平均长度l有关，增加一次回路绕组匝数、增大铁心截面积和缩短磁路平均长度都能提高检测灵敏度。但一次回路绕组匝数受到主回路温升及结构的限制不能过多，即使额定电流较小的剩余电流保护电器一般也不会多于5或6匝。额定电流较大的剩余电流保护电器，一次回路只能采用穿心式，不可能增加匝数。而增大铁心截面积和缩短磁路长度又受到几何尺寸的限制，根据剩余电流保护电器的结构没有很大的变动余地，需综合进行考虑。

（2）提高检测可靠性的措施 电路在正常情况下总存在一定的泄漏电流，剩余电流保护电器在正常泄漏电流时不能误动作，而超过设定值时必须正确动作，因此要求剩余电流互感器有高的检测可靠性。这与互感器铁心的材料、结构及加工工艺有很大关系。

从理论上讲，当没有接地故障时，通过互感器一次回路的每相电流在铁心中产生的磁通应相互抵消，剩余电流互感器的二次回路应该没有输出，即如式12-4所示。

实际上，由于漏磁通（尤其是互感器周边大电流回路产生的漏磁通）存在、一次回路导线布置不对称和互感器铁心的磁导率不均匀等影响，即使主电路没有接地故障时，一次回路电流产生的磁通也不会完全抵消，二次回路就有一个微弱残留信号输出。随着主回路工作电流的增大，不平衡的程度也会增大，尤其是大起动电流作用下，残留输出信号也会增大，甚至导致剩余电流保护电器误动作。为此，要尽量减少残留输出信号，因此要求剩余电流互感器的一次回路导线尽量对称布置，磁路的截面和磁导率均匀对称，以减少漏磁通的影响。互感器铁心形状一般为圆环形，采用带材卷绕或用板材冲成环形薄片重叠而成，并采用适当的屏蔽层对互感器的铁心进行屏蔽，以减少漏磁通的影响。对于大电流等级的剩余电流保护电器，因为额定电流较大，起动电流可达到几千安，漏磁通的影响更为明显，必须采用更为完善的屏蔽措施，才能达到平衡特性的要求。

此外，还要考虑温度变化和短路电流流过时对互感器特性的影响。因此要求铁心材料的磁导率具有较高的温度稳定性，防止温度变化引起动作特性的变化。同时要求制造铁心的材料具有较小的矫顽力H_c，减少剩磁的影响，防止大电流冲击后引起动作电流的变化。铁镍软磁合金制造的互感器具有较好的温度和磁性能稳定性，在温度变化时和短路电流冲击后，动作电流不会发生明显的变化。近年来，超微晶软磁材料制造工艺不断改进，材料的稳定性有了很大的提升，在剩余电流互感器中的应用也逐年增多。

3.剩余电流互感器的结构

图12-11为SA系列剩余电流断路器的互感器结构。它主要由铁心、绝缘罩壳、二次回路绕组、试验回路绕组、绝缘片、屏蔽片、屏蔽圈、二次回路和试验回路引出线和绝缘外壳等组成。整个互感器铁心，包括二次回路绕组、试验回路绕组和屏蔽等用环氧树脂封装在一个绝缘外壳中，二次回路绕组和试验回路绕组通过引出线引出。

图12-11 SA系列剩余电流断路器互感器的典型结构

1—屏蔽圈 2—屏蔽片 3—绝缘外壳 4—罩壳 5—屏蔽圈 6—绕组 7、9—罩壳 8—铁心 10—绝缘片 11—环氧树脂 12—二次回路和试验回路引出线

剩余电流断路器的主回路导体（一次回路）通过互感器的贯穿孔，图12-12为SL系列800A四极剩余电流断路器互感器一次回路导体的布置。主回路采用导电棒或导电排制成，相导体和中性线导体均通过互感器的贯穿孔。主电器导体在贯穿孔中对称排列，相互之间用绝缘隔板隔开，以提高互感器的平衡特性。

12.2.2.3 剩余电流脱扣器

剩余电流保护电器的脱扣器是一个判别元件，用它来判别剩余电流是否达到预定值，从而确定剩余电流装置是否应该动作。动作功能与电源电压无关的剩余电流保护电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保护电器采用拍合式电磁铁或螺线管电磁铁。(www.xing528.com)

1.释放式脱扣器

释放式脱扣器的典型结构如图12-13所示。图12-13a为直动式打击杆结构，图12-13b为转动式打击杆结构，目前采用直动式的结构形式较多。释放式脱扣器一般由磁轭、衔铁、永久磁钢、释放弹簧、消磁线圈、打击杆、外壳等部件组成。电路正常时衔铁吸合在磁轭上，当消磁线圈中的电流产生的磁通足以抵消永久磁钢磁通时，衔铁在弹簧的作用下释放，通过打击杆输出一个机械脱扣力。

释放式脱扣器的工作原理如图12-14所示，图中I₂为消磁线圈中流过的交流电流，Φ₁为衔铁上的直流磁通，Φ_s为短路磁铁的直流磁通，Φ₂为衔铁上的交流磁通；W为消磁线圈的匝数，R_g为衔铁与磁轭吸合面的磁阻，R_s为非磁性垫片间隙的磁阻，R_m为永久磁钢的磁阻，Φ_m为永久磁钢产生的总直流磁通，U₀为永久磁钢的磁动势，R₁为磁轭上半部分的磁阻，R₂为短路磁铁磁阻，R₃为磁轭下半部分的磁阻，R₄为衔铁的磁阻。短路磁铁主要有两个功能：一是为交流磁通Φ₂提供一个低磁阻的通路，二是当衔铁打开时为磁钢提供一个低磁阻的通路，可加速衔铁打开，并防止因磁路开路对磁钢产生的退磁作用。

图12-12 SL系列800A四极剩余电流断路器

互感器一次回路导体的布置

1—一次回路导体 2—剩余电流互感器

图12-13 释放式脱扣器的典型结构

a）直动式打击杆结构 b）转动式打击杆结构

图12-14 释放式脱扣器的结构原理

1—消磁线圈 2—衔铁 3—反作用弹簧 4—短路磁铁 5—非磁性垫片 6—永久磁钢 7—磁轭

在正常情况下，衔铁在磁钢产生的直流磁通Φ₁的作用下，克服弹簧的反作用力保持在吸合位置。当剩余电流保护电器所控制的电路存在接地故障时，剩余电流互感器的二次回路有一个电压输出，在脱扣器的消磁线圈中就有一个电流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Φ₂，该交流磁通有半个周期与直流磁通Φ₁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。正常工作时，衔铁处于闭合状态，交流消磁磁通的磁回路基本上处于闭合状态，磁阻很小，只需要很小的励磁功率就能使衔铁释放，所以释放式脱扣器能达到较高的动作灵敏度。

释放式脱扣器一般采用高磁导率铁镍合金材料制成，例如1J50铁镍软磁合金。衔铁和磁轭极面经过高精度精密研磨，保证极面光洁平整，使工作极面的磁阻尽可能小，以提高脱扣器的灵敏度。为了保证脱扣器工作的可靠性和稳定性，应防止灰尘、水汽、油污，尤其是磁性粒子等对工作气隙的影响。工作极面还要进行机械老化工艺处理，确保极面吸合的稳定性。在整个装配过程中必须保持零部件的清洁，并经过净化清洗后密封安装在一个塑料或金属的外壳中。

2.拍合式电磁铁和螺线管式电磁铁脱扣器

拍合式电磁铁和螺线管式电磁铁脱扣器的典型结构见图12-15，其中图12-15a为拍合式电磁铁，图12-15b为螺线管式电磁铁。在正常工作时，衔铁处于打开位置。当线圈中通以励磁电流I并达到规定的数值时，衔铁被吸合，同时带动与衔铁相连的打击杆，使断路器脱扣跳闸。在正常工作时，衔铁处于开启位置，磁回路的磁阻比较大，因此需要较大的励磁电流才能使衔铁吸合，脱扣器的动作灵敏度较低，动作电流一般在几百毫安至几千毫安，互感器二次回路的输出信号必须经过放大以后才能推动这种型式的脱扣器动作。但是，这种型式的脱扣器结构比较简单、制造工艺要求不高，制造成本相对较低，一般适用于动作功能与电源电压有关的剩余电流保护电器。

图12-15 拍合式和螺线管式电磁铁结构

a）拍合式电磁铁 b）螺线管式电磁铁

12.2.2.4 电子信号放大装置

剩余电流互感器二次回路的输出功率很小，一般仅达到微伏安级。在剩余电流互感器和脱扣器之间增加一个信号放大装置，不仅可以降低对脱扣器的灵敏度要求，而且可以减少对剩余电流互感器输出信号的要求，减轻互感器的负担，从而可以减小互感器的重量和体积，降低剩余电流保护电器的成本。信号放大装置一般采用电子式放大器，有以下几种形式。

1.采用分立元器件的电子放大装置

图12-16为采用分立元器件电子放大装置电路，CT是剩余电流互感器，W是剩余电流脱扣器的脱扣线圈，VD₁～VD₄组成的桥式整流电路对晶闸管VT和脱扣线圈组成的电路供电。互感器二次回路输出信号经过VD₅整流以后触发VT的门极，晶闸管导通，接通L的供电回路，使剩余电流脱扣器动作。

采用分立元器件的电子放大器结构简单、成本较低。但二次回路输出直接触发门极，调整动作电流比较困难，动作电流分散性也大。此外，电路中缺乏必要的抑制电磁干扰的措施，因此可靠性及抗干扰能力均较差，误动作也较多，目前仅在一些廉价的家用剩余电流断路器中还有应用。

图12-16 采用分立元器件的电子放大装置电路

2.采用专用集成电路的电子放大装置

剩余电流保护电器的专用集成电路是专门为剩余电流保护电器的特殊要求而设计的电路，使电路能以最少的外接元器件完成剩余电流保护电器信号放大和处理的要求。专用集成电器在单片芯片上集成了稳压回路、基准电源、干扰抑制、差分放大、电平判别、整形驱动等多种功能单元，具有功耗小（静态功耗约为5mW，动态功耗约为200mW）、工作电压范围大、抗干扰能力强等优点。目前国内常用的专用集成电路有上海复旦微电子公司的VG54123、FM2140、FM2145，无锡华润矽科微电子公司的CS54123，日本三菱电气公司的M54123、M54133，美国Fairchild半导体公司的RV4141、RV4141A等。

图12-17为采用VG54123（M54123）高速集成电路的电气原理电路。互感器二次回路的输出电压输入到集成电路的输入端（端口1和2），当输入电压达到集成电路的动作门电压（约为10mV左右）时，集成电路的输出端（端口7）电位立即变成高电位，使晶闸管VT导通，电容器C₈通过VT对脱扣线圈W放电，从而使脱扣器动作。通过改变输入端口1和2的并联电阻R₁，可以改变剩余电流保护电器的剩余电流动作值。VG54123的动作时间没有延时，集成电路的响应时间小于6ms，一般用于快速动作的剩余电流保护电器。集成电路输入端的二极管VD₁和VD₂是钳位二极管，防止瞬态过电压的影响。电容C₁、C₂和电阻R₂组成高频滤波电路，防止高频干扰。

图12-17 采用VG54123集成电路的电气原理电路

图12-18为采用M54133集成电路的电气原理电路。互感器二次回路的输出电压输入到集成电路的输入端（端口13和15），当输入电压达到集成电路的动作门槛电压（约为15mV左右）时，集成电路的输出端（端口8）电位立即变成高电位，使晶闸管VT导通，电容器C₁₀通过VT对脱扣线圈W放电，从而使脱扣器动作。通过改变输入端口13和15的并联电阻R₁，可以改变剩余电流保护电器的剩余电流动作值。M54133内置延时调节功能，可以通过端口7的外部电容调节延时时间，即通过开关S可选择端口7的并联电容C₁₈或C₁₉调节延时动作时间。

图12-18 采用M54133集成电路的电气原理电路

3.采用微处理器的信号处理放大装置

随着微电子技术和计算机技术的发展，有的剩余电流保护电器开始采用微处理器控制器对信号进行放大、运算、处理和控制，不仅进一步提高了装置的保护性能和可靠性，扩展了剩余电流保护电器的功能，使剩余电流保护电器具有剩余电流测量、预报警、故障报警、显示及通信等多种功能，而且可以简化硬件结构。图12-19为采用微处理器的剩余电流保护电器原理框图。

图12-19 采用微处理器的剩余电流保护电器原理框图

12.2.2.5 执行元件

根据剩余电流保护电器所执行的功能不同，其执行元件也不同。对剩余电流断路器，其执行元件是一个可开断主电路的机械开关电器。对剩余电流继电器，其执行元件一般是一对或几对控制触头，输出机械开闭信号。对剩余电流监视器，其执行元件是报警装置。

剩余电流断路器一般由断路器派生而成，执行元件即为断路器。断路器和剩余电流元件可位于同一壳体中，组成整体式的剩余电流断路器，也可以由剩余电流元件模块与断路器拼装，组成拼装式的剩余电流断路器。无论整体式或拼装式，机械结构上均是成为一体的，如图12-8所示。

剩余电流继电器与交流接触器或断路器通过电气连接可以组装成剩余电流断开装置，剩余电流继电器的输出触头执行元件控制接触器的控制线圈或断路器的分励脱扣器，控制主电路的接通和分断。

剩余电流继电器的输出触头执行元件也可控制可视报警或声音报警装置的电路，组装成剩余电流报警装置，当剩余电流超过整定值时发出报警信号。

由剩余电流继电器和机械开关装置或报警装置组成的剩余电流断开或报警装置，剩余电流继电器与相应的功能执行装置在结构上是分开的，相互之间通过电气连接组合在一起。