浅析电磁式剩余电流动作断路器保磁能力的提升

朱 俊, 司莺歌, 李 俐

(浙江正泰电器股份有限公司, 浙江 温州 200063)

0 引 言

剩余电流动作断路器(RCD)具有短路、过载及剩余电流动作保护功能,广泛应用于电力系统中,随着终端负载功率的增加及用户安全意识的提升,剩余电流动作断路器呈现高短路电流分断能力及高可靠性发展的趋势。大短路电流在载流体周围形成强磁场,当电磁式剩余电流动作断路器中的永磁体工作点低于退磁曲线拐点时,永磁体内的剩磁产生不可逆的磁化,改变磁回路元件间的磁吸附力,导致电磁式RCD保护功能失效。

本文阐述了电磁式剩余电流动作断路器的工作原理,对电磁式RCD中永磁体的不可逆磁化原因进行分析,采取了减小永磁体的可感应电场、选用高矫顽力永磁体材质及增大外磁场与永磁体的距离等措施,提高了电磁式RCD的保磁能力。

1 电磁式RCD的工作原理

电磁式RCD工作原理如图1所示。当负载端出现接地故障漏电流Id时,线路电流的矢量和IL+IN≠0,磁环内部产生交变磁通φ,互感器副边绕组有感应电动势E输出到电磁脱扣器(EMR)线圈两端,产生激磁电流Ie,形成反向消磁力Fe。当故障电流Id达到某一整定值时,激磁电流Ie形成的等效反向消磁力Fe使脱扣器内部的衔铁脱离磁轭,推动操作机构动作,切断故障电流回路[1]。

图1 电磁式RCD工作原理

电磁脱扣器结构如图2所示。在磁回路中永磁体对软磁材质的衔铁和磁轭进行磁化,形成磁回路,衔铁与磁轭间由此形成克服弹簧反力Fs的磁吸附力Fm。当Fx-Fe

图2 电磁脱扣器结构

因磁环输出特性、元器件等存在差异,电磁系统的激磁能力也存在差异,为保证电磁式RCD产品剩余电流动作值,调整永磁体的Br进行适配。Br的大小直接影响衔铁、磁轭间的磁吸力,也直接影响剩余动作电流值的大小,其出现的正向波动将使电磁式RCD剩余动作电流增大甚至不动作,而当出现负向波动时,将使电磁式RCD剩余动作电流减小甚至滑扣,因此提高Br的稳定性,即保磁能力,对电磁式RCD的可靠性至关重要[2]。

2 永磁体不可逆磁化机理及影响因素

永磁体的不可逆充磁或消磁称为不可逆磁化。从永磁体磁化机理分析,无论是材料的不可逆充磁还是消磁都是磁畴壁由可逆壁移变为不可逆壁移的过程,磁畴壁移的可逆与否取决于其能否脱离磁质的钉扎作用。当所加外磁场较弱时,不足以使磁畴壁脱离原磁质的钉扎作用,而具有回到原状态的倾向,这时磁畴壁移是可逆的;只有当外磁场强度超过一定值时,磁畴壁才会脱离原杂质的钉扎束缚,此时即使没有外磁场,磁畴壁也不会复原,从而出现不可逆磁化[3]。

永磁体消磁原理如图3所示。在永磁体周围出现较大磁场时,其内部场强将沿BM下降至M点,当外场强消失,又沿MaN上升,如此反复形成MaNb磁滞回线,也可用MN近似表示该过程,称为回复线,其斜率近似为可逆磁导率。逆磁导率取决于永磁体的矫顽力Hc,Hc越大,可逆磁导率越小,不同永磁材料的可逆磁导率各不相同[4]。

图3 永磁体消磁原理

铝镍钴充、退磁及回复曲线如图4所示。从图4(a)可以看出充磁场H/Hc<0.5时,Br接近于0,说明此时永磁体的磁畴壁移是可逆的;在充磁场H/Hc比值增大时,Br值开始增大,此时随着比值逐步增大,磁畴壁的不可逆行为更加明显。从图4(b)可以看出,退磁场H/Hc>0.5时,回复曲线上的Br/Br(max)≈1,此时剩磁接近完全可逆,在退磁场H/Hc比值增大时不可逆现象逐步明显。

图4 铝镍钴充、退磁及回复曲线

根据空间布局及结构设计需要,电磁式RCD产品的载流体相对于永磁体多呈现非对称式布局,因此各段载流体的不平衡电流产生较大的电场强度。永磁体外部电磁强度仿真分析如图5所示。在产品载流体上模拟通入7 000 A的电流,在永磁体的磁力线方向产生的电场强度可以达到200 kA·m,超出常规铝镍钴永磁体的Hc(约60 kA·m),H/Hc>3,此时极易出现不可逆的磁化情况,造成永磁体Br接近极值,永磁体将出现满磁或近零磁的情况,电磁式RCD将出现不能合闸或不能分闸情况。根据图5永磁体外部电磁强度仿真分析,可以看出不同的短路电流相位角对磁力线的方向及强度有直接的影响,0°相位角外电场磁力线与120°相位角外电场磁力线相反,正、反向的外电场对永磁体产生充磁或退磁的物理过程,这跟短路分断试验过程中不同相位角下电磁式RCD出现的不能分闸或不能合闸情况吻合。

图5 永磁体外部电磁强度仿真分析

3 减小永磁体的可感应电场

电磁式RCD内部载流体通入电流,产生的电磁场对永磁体产生充退磁效应。电磁场分析模型如图6所示。对直导线上的任一电流元Idl,其大小为Idz,它到场点P的距离为r,θ为电流元Idl与矢量r之间的夹角,根据毕奥—萨伐尔定律,此电流元在P点所激发的磁感强度dB的大小为[5]

图6 电磁场分析模型

(1)

取如图6所示的直角坐标系,C点坐标(0,0,z1),D点坐标(0,0,z2),L=z2-z1。而dB的方向由Idl×r确定,即沿着x轴的负方向。在直线上每一个电流元在P点激发的dB方向都是一致的,因此,可直接由上式积分求总的磁感强度B的大小,即

(2)

取积分上、下限分别为z2和z1,利用积分公式可得:

(3)

如果载流直导线为“无限长”,那么,z1→-∞,z2→+∞,可得:

(4)

虽然真正的无限长直导线并不存在,但是如果在闭合回路中有一段长度为L的直导线,那其附近r0≪L的范围内式(2)成立。由此可知,在正常条件下,载流体产生电磁场大小的主要影响因素为电流值I及与永磁体间的距离r0。

在试验预期电流为额定值的情况下,可以通过限流技术减小回路中的实际电流值,在线路产生短路电流时,可建立如下计算模型[6]:

(5)

式中:L——回路电感;

ih——电弧电流;

uh——电弧电压;

R——回路电阻;

E——供电电压。

实际线路中,线圈产生的电感L≫R,ihR近似为0,则式(5)等效为

(6)

由式(6)可知,要使ih达到峰值,即dih/dt<0,决定条件是uh大于E,增大L可以加大ih单位下降幅度,表现在短路试验波形上曲线斜率更大,可减小电弧电流持续的时间,因此在交流回路中限流的关键是快速地使uh大于E。

比较有效的措施是电流回路中串联双断点,相当于电路中再串联1个断开的动态电弧电阻Rx,使Rx成倍增大,E趋于分压减半,大幅降低uh大于E的实现难度,增强限流效果。同时,在引弧通道靠近灭弧装置的适当位置局部强化引弧能力,有助于电弧的快速进入灭弧室建立起uh。基于以上改进思路在某系列小型化电磁式RCD上开展的试验对比,短路试验电流均为10 000 A。短路试验数据及试后对比如表1所示。

表1 短路试验数据及试后对比

由表1可知,改进后的方案有效地降低了电流峰值Ip及燃弧时间Tarc,而电磁式RCD的剩余电流动作值Itrip相比整定范围(20～22 mA)波动幅度明显降低,Itrip的稳定也反映出永磁体的保磁能力得到提升。

4 提高永磁体抗磁化能力

永磁体磁滞曲线如图7所示。图中,横坐标为外电场强度H,纵坐标为永磁体磁感应强度B,Br(max)为永磁体的饱和剩磁。从图7可以看出,要提高保磁能力,有效的措施是增大永磁体的Hc,以增大使Br趋零所需的外磁场。Kroneberg K J等[4]指出,矫顽力越高,磁钢剩磁越稳定,当Hcj>2 000 Oe时,Br可以保持一年不发生变化;充磁后部分退磁,可以增加剩磁的稳定性。

图7 永磁体磁滞曲线

目前行业内电磁式RCD普遍采用的永磁体材质是铝镍钴,因其是目前磁稳定性最好的一类永磁合金。20世纪30年代,日本发现了AlNi合金永磁体,在其基础上通过添加Co元素来调整成分、改进工艺,进而发展为一类具有优异的温度稳定性的永磁合金。永磁合金的主要性能参数有最大磁能积BHmax、剩磁Br及矫顽力等[7]。铝镍钴永磁合金的磁特性如表2所示。其中,AlNiCo28/6应用最为广泛,可以满足常规的设计需求。而在小体积及高分断的电磁式RCD中,则存在保磁能力不足的问题,需要进一步改进。

表2 铝镍钴永磁合金的磁特性

由表2可知,AlNiCo32/10、AlNiCo72/12的矫顽力达到100 kA/m以上,AlNiCo28/6的矫顽力为58 kA/m,前两种材质在矫顽力方面具有明显的优势。为验证改进的效果,选取3种材质各3台小型化电磁式RCD进行10 000 A的运行短路试验,试验前剩余动作电流均整定在21.2～22.0 mA,试验操作顺序为O—O—CO。试验后的动作电流显示,选用AlNiCo72/12的电磁式RCD动作电流基本没有发生变化,而其他两款材质的永磁体变化幅度在30%～60%,根据动作电流的稳定性排序依次是AlNiCo72/12>AlNiCo32/10>AlNiCo28/6。短路试验后动作电流对比如表3所示。高矫顽力永磁体在电磁式RCD抗磁化方面的优势得到明显的体现。

表3 短路试验后动作电流对比

永磁体材质的选用,需要结合实际的生产工艺综合考虑。如AlNiCo32/10虽然有较大的矫顽力,但饱和剩磁Br有一定幅度的减小,在电磁式RCBO类剩余电流动作断路器单极整定过电流特性时可能存在剩余电流误动作的情况,但其可用于不带过电流保护的电磁式RCCB或其他可采用回路串联的带过电流保护的电磁式RCBO,如1P+N、3P+N类电磁式RCBO。在选用高矫顽力永磁材质时,需要配置充磁、退磁功率更高的设备,一般充退磁磁场应能达到15 000 Gs,以满足剩余动作电流的整定。

5 增大外磁场与永磁体间距的设计

由式(4)可知,外部磁场强度B与r成反比关系,因此增大载流体与永磁体的距离可以较大幅度降低外部磁场强度对永磁体的影响。现有高灵敏的30 mA及以下规格电磁式RCD的电磁系统多采用原边2次穿心结构,为提高灵敏度,10 mA规格需要采用多达3次以上的原边穿心结构。该类结构的载流体绕制于磁环的内、外两侧,绕制于外侧的载流体形成的磁场距离永磁体更近。

原边穿心结构如图8所示。在该类布局的结构中,相比于二次穿心,一次穿心结构可以减小的距离最小应为磁环的外径D与内径d的差值。在小型剩余电流动作断路器中d2≥2d1,按理论计算载流体对永磁体的磁场强度可减小一半以上。原边采用一次穿心,零序互感器的输出功率也相应减少,需要提升磁环的输出性能及对电磁系统的激磁阻抗及负载阻抗进行匹配设计,来提高整个系统的输出功率,以满足剩余电流保护特性的可靠性。IΔn=30 mA规格原边采用二次穿心和一次穿心的阻抗匹配设计如表4所示。

表4 IΔn=30 mA规格原边采用二次穿心和一次穿心的阻抗匹配设计

现有磁环材质配方与热处理工艺的改进可以大幅提升单位输出,通过匹配调整激磁阻抗与负载阻抗,可以实现原边一次穿心驱动电压与原边二次穿心驱动电压的变化趋势基本吻合,从而保证实现原边一次穿心。线路板输出侧电压如图9所示。由图9的线路板输出侧电压可以看出,原边一次穿心与原边二次穿心的驱动电压在输入电流为10～80 mA的情况下基本重合,而后由于原边二次绕组的驱动电压饱和更快,导致原边一次穿心的驱动电压高于原边二次穿心的驱动电压。通过提升磁环的性能,并结合激磁阻抗与负载阻抗匹配设计,一次穿心的驱动功率可以达到二次穿心的驱动功率,保证了剩余电流动作特性的可靠。

图9 线路板输出侧电压

原边一次绕组原理的实现一定程度上增大了永磁体与原边的距离,减小了大电流通过原边时产生的大磁场对永磁体的影响,保证了永磁体剩磁的稳定性,这也在产品进行10 kA短路分断试验时得到较好的体现。10 kA短路试验后剩余电流动作值对比如表5所示。由表5可见一次穿心在做完10 kA短路试验后,剩余电流动作值仍满足0.5IΔn～IΔn的标准要求。

表5 10 kA短路试验后剩余电流动作值对比

6 结 语

永磁体的保磁能力对电磁式RCD的可靠性至关重要。本文结合仿真对载流体的外电场形成、永磁体自身抗外电场能力影响因素进行分析,增加断点结构实现限流、选用高矫顽力的材质及一次穿心结构增大载流体与永磁体间的距离,以提高永磁体的抗磁化能力。实际的解决方案不限于此,应从永磁体所处的磁、热、振等环境具体分析,结合生产工艺的可实现性及经济性综合评估。提升电磁式RCD的保磁能力有助于解决小体积、高分断产品的瓶颈问题,从而推进断路器在往小体积方向发展的同时保证可靠性。