设计要点：剩余电流脱扣器的优化方案

一般的电子式剩余电流保护电器，其剩余电流脱扣器主要是采用螺线管式电磁铁或拍合式电磁铁，结构较为简单，在设计上没有什么特殊要求。这里主要讲述电磁式剩余电流保护电器使用的释放式脱扣器的设计要点。释放式脱扣器的结构及工作原理如12.2.2.3节所述，设计时要考虑以下几点。

12.7.3.1 释放式脱扣器导磁回路及其材料选择

释放式脱扣器的磁轭和衔铁的材料选择，除了考虑较高的磁导率外，还应有足够的饱和磁通密度，以保证在磁钢的作用下有一定的吸力。此外脱扣器在加工及正常工作过程中均会受到一定的机械应力，材料的磁性能不能对机械应力太敏感。因此释放式脱扣器磁回路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（质量分数）约为50%左右，饱和磁通密度可达1.5T，其直流磁性能见表12-25。

图12-39 二次绕组缠绕不均匀时采样电阻上的电压仿真结果

表12-25 1J50铁镍软磁合金的直流磁性能

释放式脱扣器永久磁钢材料选择应考虑大电流或短路电流冲击、正常工作时的温升等环境因素对磁钢退磁的影响，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。永久磁钢磁能积的选择与释放式脱扣器机械输出力有关，释放式脱扣器机械输出力与剩余电流保护断路器的操作机构脱扣力有关，为了保证释放式脱扣器稳定性和可靠性（例如：主回路电磁场影响、环境温度及冲击振动影响等），又必须有一定的保持力，但是如果选择较大的磁能积磁钢，又会增大释放式脱扣器消磁功率，影响剩余电流保护断路器的脱扣灵敏度，因此要提高释放式脱扣器磁回路所用1J50铁镍软磁合金材料的磁性能（高导磁率和低矫顽力）。同时也与磁回路的设计有关。例如，图12-14中非磁性垫片5的厚度对磁钢的磁能积选择有较大的影响。一般讲，非磁性垫片厚度小，气隙减小，可减少交流消磁磁通回路的磁阻，有利于降低脱扣器的功耗，但气隙减小会减少永久磁钢磁通流过衔铁部分的分量，使衔铁的吸力降低。如能提高磁钢的磁能积，使得流过衔铁的直流磁通分量保持不变，则在设计时可减小非磁性气隙，降低功耗（详细工作原理可见12.7.3.2）。

释放式脱扣器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的磁路结构有关，如在脱扣器的动作过程中，不会使磁钢处于开路状态，则可以采用成本较低的铝镍钴磁钢。同时由于铝镍钴磁钢的充退磁比较方便，因而还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。表12-26为烧结钕铁硼永磁材料的磁性能，表12-27为烧结钐钴永磁材料的磁性能。设计时按所需的工作温度、矫顽力和磁能积等要求进行选择。

表12-26 钕铁硼永磁材料（烧结NdFeB）的磁性能

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（续）

表12-27 钐钴永磁材料（烧结SmCo）的磁性能

12.7.3.2 释放式脱扣器衔铁上的作用力配合

释放式脱扣器的衔铁上受到的作用力如图12-40所示。衔铁上受到以下几个力：磁钢产生的吸力F_m，用于将衔铁吸持在磁轭极面上；消磁线圈的交流输入电流产生的磁通与永久磁钢的直流磁通叠加，相当于产生一个交变力F₂，交流磁通在半个周期与直流磁通相反，相当于在半个周期与磁钢吸力F_m相反；释放弹簧的反力F_s，与剩余电流保护电器机构的脱扣力有关。在脱扣器设计时，施加在衔铁上的各作用力应符合下列要求：

1）释放弹簧的反力F_s与脱扣力有关，应使与衔铁相连的摆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；

2）磁钢吸力F_m不仅要克服释放弹簧的反力F_s，而且还要提供足够大的保持力F_p（F_p=F_m-F_s）（见图12-40）。剩余电流保护电器在通以0.5倍额定剩余动作电流时不能动作，此时的保持力F_p要使衔铁能保持在吸合面上，同时还要承受衔铁复位时的机械冲击力。因此，保持力F_p应大于F_s的1/3～1/2，F_m应为F_s的1.3～1.5倍。

3）由图12-40可见，当消磁磁通产生的力F₂达到保持力F_p时，脱扣器的衔铁脱扣，因此F_p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。