设计剩余电流互感器技巧优化

如12.2.2.2节所述，剩余电流互感器是采用电磁感应原理，检测被保护电路中的剩余电流，要求具有高的检测灵敏度、高的检测可靠性和稳定性，在设计时要注意以下几点。

12.7.1.1 互感器铁心材料选用

剩余电流互感器一次回路的励磁电流很小，处于弱磁场条件下工作，对额定剩余动作电流为0.006A的剩余电流保护电器，最小的工作磁场强度只有0.080A/m左右。在工作时，主电路经常会受到几百安至上千安大起动电流或几万安的短路电流冲击，剩余电流互感器处于极端的饱和状态。在这种情况下，互感器不能因冲击电流产生的剩磁影响动作特性。因此剩余电流互感器的铁心材料一般采用具有高起始磁导率、高的最大磁导率和低矫顽力铁镍软磁合金材料，例如1J76、1J79、1J80、1J85等。铁镍软磁合金材料具有极高的起始磁导率和最大磁导率、极低的矫顽力、较低的饱和磁通密度，以及良好的温度稳定性。高起始磁导率的铁镍软磁合金的材料化学成分见表12-22，磁特性见表12-23。

由表12-23可见，1J85冷轧带材II级和1J86冷轧带材，在0.08A/m磁场强度下的磁导率可达到62.5mH/m以上，最大磁导率可达225～325mH/m以上，矫顽力在1.2A/m以下，适合于制造高灵敏度要求的剩余电流互感器铁心，尤其是电磁式的剩余电流互感器的铁心。对电子式剩余电流保护电器的互感器铁心也可采用1J79等牌号的铁镍软磁合金。

剩余电流互感器铁心制造方式有卷绕成环形和环形冲片两种，卷绕铁心的材料一般选用厚度为0.10～0.20mm的冷轧带材，冲片铁心的材料一般选用厚度为0.3～1.00的冷轧带材。

除了铁镍软磁合金外，也有采用非晶态或超微晶态的软磁合金材料制造剩余电流互感器铁心。非晶态和超微晶态软磁合金具有制造工艺和热处理工艺简单、成本较低，最大磁导率和饱和磁通密度高等优点，但起始磁导率较低，不适合于对起始磁导率和灵敏度要求较高的剩余电流保护电器使用，例如，电磁式剩余电流保护电器。此外，非晶态和超微晶态材料存在质地较脆、易碎裂等缺陷，在设计时应考虑适当的保护措施。

表12-22 高磁导率铁镍软磁合金的主要化学成分

表12-23 高起始磁导率铁镍软磁合金的直流磁性能

12.7.1.2 互感器结构设计要点

1）剩余电流互感器的铁心一般采用环形结构，可采用卷绕铁心或冲片铁心。铁心的尺寸根据剩余电流保护电器的结构、一次回路导体尺寸和灵敏度要求而定。

根据12.2.2.2节所述，要提高互感器的灵敏度和输出功率，应尽可能提高铁心的励磁阻抗，从式（12-10）励磁阻抗：Z₀=ωN₁²μS/l可以看出，要提高Z₀，除了提高磁导率μ以外，还可通过提高铁心截面积S、增加一次回路匝数N₁、缩短平均磁路长度l等。

根据结构，一次回路一般均设计为一匝，对额定电流较小的电磁式剩余电流保护电器也可以设计为几匝。

电子式剩余电流保护电器，对互感器的输出功率要求不高，铁心截面尺寸可设计得小一点。对额定电流较小的剩余电流保护电器，互感器直径较小，如采用高磁导率的铁镍软磁合金，截面积可设计为10～20mm²之间；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30～50mm²之间。对电磁式剩余电流保护电器，要求互感器有较高的灵敏度和较高的输出功率，因此要增大铁心的截面积，例如额定电流为40～63A的剩余电流保护电器，如采用高磁导率的铁镍软磁合金，铁心的截面积约在100～200mm²之间。对A型剩余电流保护电器，要提高脉动电流时的输出，除了采取其它相应措施外（例如，改变磁滞回线形状，增加脉动直流时输出），也可增大互感器铁心截面积的尺寸。具体铁心尺寸应根据剩余电流保护电器的整体结构、一次回路的导体尺寸及检测灵敏度的要求综合考虑。(www.xing528.com)

2）高磁导率的铁镍软磁合金材料的铁心在卷绕或加工完成后，要经过高温热处理后才能达到磁性能要求。经过高温热处理的铁心对机械应力很敏感，在受到机械应力或冲击后，磁性能会急骤下降，使动作特性发生变化，因此在互感器设计时应对铁心采取足够的防护措施，防止正常使用过程中受机械应力的影响。非晶态合金或超微晶态合金铁心的磁性能对机械应力的敏感度要低于铁镍软磁合金，但经过时效处理后易碎裂，也应有足够的防护措施。因此，互感器铁心一般应放置在高强度工程塑料制成的外壳中，并采取适当的防振措施，如增加防振垫片或充填防振硅脂等。在剩余电流保护电器结构设计时，也要防止一次回路导体或其它部件对互感器施加过大应力。

12.7.1.3 剩余电流互感器工作点选择

剩余电流互感器在设计时还应考虑工作点在软磁合金材料磁化曲线上的位置，工作点应位于磁化曲线上的直线段，例如图12-32中a点～b点之间。如选择在磁化曲线的饱和段，例如b点和c点之间，则动作电流的波动范围要大大增加。在磁化曲线上磁通密度B与剩余电流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。如对应一定的二次回路输出电压变化，磁通密度B的变化范围为0.2T（例如图12-39中a与b点，或b与c点之间B的变化）。对应于同样的B变化范围，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。

图12-32 磁化曲线工作点的选择

互感器在磁化曲线上的工作点的位置，与互感器的尺寸（尤其是铁心截面积）、材料、一次回路和二次回路匝数以及二次回路负载有关，在设计时要统筹考虑。

12.7.1.4 剩余电流互感器二次回路阻抗与励磁阻抗匹配

在剩余电流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，还应使二次回路阻抗与互感器的励磁阻抗匹配。阻抗匹配对电磁式剩余电流保护电器的互感器设计尤其重要，电磁式剩余电流保护电器在互感器输出与脱扣器之间没有任何放大，因而要尽可能提高互感器的输出功率，在设计时必须使二次回路的阻抗与互感器的励磁阻抗匹配。

一般情况下，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，12.2.2.2节中式（12-9）可简化为

要提高灵敏度，即对应于一定的二次回路电压输出E₂，I₁越小越好，由式（12-13）可见，二次回路绕组匝数N₂变化时，对应一定E₂值时，I₁越小，则式（12-13）括号内的值应越小。当N₂变化时，括号内的值的变化如图12-33所示。双曲线N²₁/（Z₀N₂）与直线N₂/Z₂相交于M点，该交点的N²₁/（Z₀N₂）+N₂/Z₂值最小。M点的N²₁/（Z₀N₂）=N₂/Z₂，即Z₂=（N₂/N₁）²Z₀时，互感器的灵敏度最高。

对电子式剩余电流保护电器，二次回路的信号经过电子放大装置放大，灵敏度不是主要矛盾，因而不必考虑阻抗的匹配问题。

图12-33 互感器的阻抗匹配