剩余电流互感器应用中应注意的一些问题

剩余电流互感器应用中应注意的一些问题

1 概述

1.1剩余电流互感器工作原理:

剩余电流互感器是一个检测元件，它的主要功能是把一次回路检测到的触电、漏电等接地故障电流I1 变换成二次回路的输出电压E2，E2施加到剩余电

流脱扣器的脱扣线圈上，推动脱扣器动作，或通过信号放大装置将信号放大以后施加到脱扣线圈上，使脱扣器动作。

1.2剩余电流互感器是剩余电流保护装置的一个重要元件，其工作性能的优劣将直接影响剩余电流保护装置的性能和工作可靠性。剩余保护保护装置的电流互感器一般采用穿心式的环形互感器，即主电路的导线（一次回路导线N1）从互感器中间穿过，二次回路导线（N2）缠绕在环形铁心上，通过互感器的铁心

实现一次回路和二次回路之间的电磁耦合。

图1为SA剩余电流断路器的剩余电流互感器典型结构；

图2为SA四极剩余电流互感器一次回路导线的布置；

图3为默勒公司L7互感器；

图4为富士公司SG63B互感器。

1 屏蔽 2 罩壳 3 屏蔽 4 罩壳 5 铁心 6 屏蔽

7 绝缘片 8 环氧树脂 9 二次回路(N2)引出线 10 试验回路引出线

图1 剩余电流互感器的典型结构

图2 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3 默勒公司L7互感器 图4 富士公司SG63B互感器

2．剩余电流互感器的几何形状及结构形式

2．1几何形状：

图5为圆形互感器；

图6为椭圆形互感器。

图5圆形互感器 图6椭圆形互感器

2．2结构形式

图5卷绕结构形式

图7叠片结构形式

图7叠片结构形式

3．剩余电流互感器的材料

3．1剩余电流互感器的材料一般选用高导磁率、低矫顽力的软磁材料：

① 高导磁率：当原边流过微小的电流时，就能在次级产生较大的输出电压。 ② 低矫顽力：由于剩余电流断路器可能会遇到单相对地短路的情况，此时的剩余电流值高于I△n的几千倍，甚至几万倍。经大电流冲击后，互感器铁芯已经达到饱和，但由于剩磁的影响，在单相对地短路电流消失后，互感器铁芯的工作点并不返回原点。如果，互感器铁芯材料的剩磁强度Br与矫顽力Hc都很大，那么当输入一个微弱的电流不足以克服Hc，消除Br的影响时，如此时再检测到一般的剩余电流信号，则二次回路输出电压会减小，灵敏度下降，甚至于拒动。

3．2互感器铁芯常用材料

① 铁镍软磁合金(坡莫合金)材料

铁镍软磁合金(坡莫合金)材料是一种在较弱磁场下有较高的磁导率的铁镍合金，常用的牌号有1J85、1J79等。

② 非晶材料

根据原子排列方式把物质划分为晶体和非晶体两类。物质里面的原子排列是整齐有序的叫做晶体，物质的原子排列是混乱的叫做非晶体。通常情况下，金属及合金在从液体凝固成固体时，原子总是从液体的混乱排列转变成整齐的排列，即成为晶体。但是，如果金属或合金的凝固速度非常快（例如用每秒高达一百万度的冷却速率将铁－硼合金熔体凝固），原子来不及整齐排列便被冻结住了，最终的原子排列方式类似于液体，是混乱的，这就是非晶合金（又称

为金属玻璃）。

非晶态材料是将熔融的金属直接喷在高速旋转的飞轮上，用每秒近100万℃的超急冷方法，使熔化的液态合金立即凝固成薄带。由于超急冷却凝固，合金来不及结晶而形成非晶态合金。

非晶态合金具有铁芯损耗小、电阻率高、频率特性好、磁感应强度高、抗腐蚀性强等优点，引起了人们的极大重视。在漏电保护器、电感滤波器、电力配电变压器和开关电源等方面均已得到应用

非晶态材料有：铁基非晶合金、铁镍基非晶合金、钴基非晶合金。 有关非晶软磁合金材料的几个问题

a. 温度稳定性(指非晶态合金的磁性能随使用温度的变化)

由于非晶态合金在高温下会发生晶化，由此它的使用温度受到晶化温度的限制。通常情况下，非晶态合金必须满足如下要求： 温度范围：-55℃—+130℃ ，

b. 时效稳定性（指在一定温度下，非晶态合金的磁性能随时间的变化） 由于非晶态合金处于亚稳态，在一定条件下有晶化的趋势。我国自八十年代起将非晶态合金应用于开关电源、中频变压器及漏电保护开关等多种场合，至今没有因为铁心性能恶化导致漏电保护开关失效的报道

c. 磁冲击稳定性（非晶纳米晶铁心经过强磁场的冲击后保持原有磁性能的能力）：

非晶铁心在使用过程中，有时会受到来自电源内部或外部的强磁场冲击。在强磁场冲击后，铁心保持原有性能是非常关键的。

d.机械稳定性（指非晶态合金经过机械冲击振动后磁性能的变化）： 非晶态合金在使用前，一般都要经过热处理。而经过热处理后，材料比较

脆。但无论什

么材料，作为铁心使用时，大多数要放在保护盒中使用。对于非晶态合金，在铁心装入保护盒时通常还要加入某些衬垫物，如硅脂、海绵等。

e.由于非晶合金中原子的排列是混乱无序的这种特殊结构，使得非晶合金具有一些独特的性质。所以，在非晶合金在使用时，必须保证它们处于非晶态。一般的非晶合金存在着发生晶化的可能性，一旦在晶化温度以上退火，材料内部的原子排列就变成了有序的，也就是说成为晶体，而且晶粒组织很粗大，这时非晶合金原有的磁性能就会丧失。因此，一般的非晶合金都要在非晶状态下使用。

③ 超微晶(纳米晶)材料

含有Cu和Nb的铁基非晶合金在晶化温度以上退火时，会形成非常细小的晶粒组织，晶粒尺寸仅有10－20纳米。这时材料磁性能不仅不恶化，反而非常优良。这种非晶合金经过特殊的晶化退火而形成的晶态材料称为超微晶合金（也称为纳米晶合金）。

超微晶(纳米晶)材料的综合性能相比非晶材料要好，但同样在温度稳定性、时效稳定性、磁冲击稳定性、机械稳定性等方面要进一步研究和积累运行经验。

④ 对于剩余动作电流较大的剩余电流保护装置，例如：剩余电流继电器、接地故障保护断路器等，也可以采用硅钢片、铁氧体等其他高导磁材料制造互感器铁芯。

⑤ 性能与价格比较：

a.价格：非晶和超微晶是1J85软磁合金价格的40～60%左右。

b.1J85软磁合金制造互感器一般用0.1mm厚材料，性能稳定韧性好，价格

高；非晶和超微晶一般材料0.02～0.03mm厚，性能相对不是很稳定脆性大易碎，价格相对低。

c.性能比较见表

4．剩余电流互感器的工艺

4．1 铁芯的制造工艺

① 剩余电流互感器的铁芯一般用0.1mm的1J79、1J85铁镍软磁合金材料带（又称：坡膜合金）卷绕而成。

制造工艺程序：

剪裁→去毛刺→清洗→涂氧化镁（或涂干粉）→烘干→卷绕→点焊→真空（或氢气保护）热处理。

涂氧化镁（或涂干粉）主要是减小材料的涡流损耗。

② 剩余电流互感器的铁芯也可用0.1～0.3mm的1J79、1J85软磁合金材

料带（又称：坡膜合金）冲成圆环片→真空（或氢气保护）热处理→涂氧化镁

干粉（或涂干粉）→叠成铁芯。

4，2 铁芯的热处理

1J79、1J85铁芯热处理是在真空（或氢气保护）炉内进行，加热1150～1200℃，保温3～6h，以100～200℃/h 的冷却速度降温至500℃左右，再以30～50℃/h 的冷却速度冷至200℃以下出炉。

4．3 剩余电流互感器绕线

① 电子式的二次回路绕组一般要绕500～1200圈，用环形绕线机；而一次回路绕组一般只有1圈，用手工绕。

② 电磁式的一次和二次回路绕组一般只有1～6圈，目前都是用手工绕。

4．4 剩余电流互感器引出线

① 用耐高温线（例如：聚四氟乙烯铜引出线）。

② 与二次回路漆包线焊接可靠，用胶带固定，并能承受一定的拉力（例如：承受10N的拉力，引出线不脱开）。

4．5 剩余电流互感器封装及固化

① 环氧树脂

例如：634环氧树脂50%和650固化剂50%，封装后在室温下放置24h进行固化。

② 硅橡胶

例如：703硅橡胶封装后在室温下放置24h进行固化。

4．6 剩余电流互感器主回路的绝缘层

① 材料:

a.涤沦薄膜胶带；

b.硅橡胶管；

c.聚酰亚胺薄膜胶带。

② 绝缘层覆盖时应注意:

a.铜件上不允许有毛刺；

b.薄膜胶带要后层覆盖住前层的三分之二，保证导体有三层薄膜胶带覆盖。

4．7 剩余电流互感器与外壳的配合

a.铁芯与外壳要有大于0.1mm的间隙；

b.铁芯与外壳之间要充填少量的硅脂，可以保证在受冲振时磁性能不变化。

4．8 剩余电流互感器搬运及安置

① 加工、装配、运输、存储过程中，不得经受冲击和碰撞；

② 要用专用的工位器具。

5．剩余电流互感器检验

① 材料磁性能

主要测量材料的µ0、µm、Hc，用磁性测量仪。

② “电流-电压”伏-安特性

例如：原边1匝，副边500匝。原边输入30mA工频交流电流，副边并联一个300Ω电阻，副边的输出电压不小于12mV。

③ 重量不小于规定值。

例如：SA-800 8AR.636.059 铁心 重量不小于5g。

6．剩余电流互感器与主开关的配合

6．1在过电流条件下验证不动作电流的极限值

在GB14048.2附录B第B8.5条的在过电流条件下验证不动作电流的极限值（即6In平衡特性）规定：

在剩余电流断路器的电源侧施加额定电压，调节试验电路的阻抗使电路中流过6In的电流或瞬时脱扣电流整定值的80%（二者取较小值）。

闭合开关，2s后断开，对每一个可能组成的电流回路重复试验3次，相邻两次闭合操作之间的时间间隔至少1min。试验过程中剩余电流断路器应不动作。

6．2 由于漏磁通的存在、一次回路导线布置不对称，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，尤其是用电设备起动时产生瞬时大起动电流的作用下，这个残留输出也会增大，甚至导致剩余电流保护装置误动作。因此，为了防止过电流条件下误动作，剩余电流互感器都要采取屏蔽措施，一般用铁磁性材料制成外壳、环、片，在一次回路和铁心之间进行漏磁通屏蔽。 一般来说，壳架等级额定电流Inm比较大的，例如，Inm400A以上规格，要符合6In平衡特性，一定要采取相应的措施。

6．3 采取的措施

① 屏蔽材料一般有：

a. 铁片;

b. 硅钢片。

② 屏蔽材料的形状、结构和厚度要根据剩余电流互感器的的额定电流大小、与主回路导体的相互位置有关。例如，图8、图9。

图8 图9

③ 一次回路导线布置要对称

a. 一般大电流等级开关的主回路要采取措施将主回路导体固定在对称的位置，例如，

图10、图11；

图

10

图11

b. 一次回路导线布置对称性的影响。

③ 互感器铁心周边方向导磁率要均匀

一般采用高导磁率软磁材料卷绕成圆形铁芯，经过真空（或氢气保护）热处理，在磁路的整个圆周上的导磁率基本一致的。

6．4 剩余电流互感器的试验回路

① 试验回路要求

试验装置产生的安匝数应小于剩余电流断路器的一极通以IΔn的剩余电流

时所产生的安匝数的2.5倍。

② 调整试验装置在剩余电流互感器上的匝数可以提高可靠性，降低试验试验电阻的功

率，特别是具有延时功能的剩余电流断路器。

例如：SA-400剩余电流断路器 I△n500mA 电压220V 试验回路穿过剩余

电流互感器1匝，则2.5×0.5A×1匝=1.25A·匝，则1.25A×220V=275W。

经试验，试验电阻选3～5 W（瞬时动作）。

如果试验回路穿过剩余电流互感器50匝，则1.25A·匝÷50匝=0.025A，则0.025A×220V=5.5W。

试验电阻选2W。

6． 5 剩余电流互感器的截面和内孔

经分析计算，电磁式剩余电流断路器：增加一次线圈匝数、铁芯截面增加、提高铁芯材料导磁率、减小磁路长度，都可以提高灵敏度特性。

电子式剩余电流断路器，因为有电子线路进行放大与计算，上述要求可以适当调整。

一般来说：

① 在开关体积允许的情况下，互感器的截面大一些好，当然，也要考虑

经济成本。

② 互感器的内孔主要能容纳壳架等级额定电流的主回路的导线及其相间绝缘的空间

位置。