家用剩余電流動作斷路器失效分析

胡建平，龐文益

（1.湖南高速鐵路職業技術學院，湖南 衡陽 421002；2.德力西施耐德電器，上海 201707）

隨著國家電力系統改造的進行，用電安全日益被重視，剩余電流動作斷路器（RCCB）已成為保護人身安全、火災防止的重要終端保護電器。電磁式剩余電流動作斷路器因其保護動作與電網電壓無關被廣泛使用［1-2］。因此剩余電流動作斷路器動作的可靠性越來越受到人們的重視。國家針對剩余電流動作斷路器的可靠性提出了專門的試驗標準，以確保其可靠動作。其中GB 16916.1—2003《家用和類似用途的不帶過電流保護的剩余電流動作斷路器（RCCB）第1部分：一般規則》和GB 16917.1—2008《家用和類似用途的帶過電流保護的剩余電流動作斷路器（RCBO）第1部分：一般規則》對剩余電流動作斷路器做出了全套相關試驗規定。相關研究人員也做了許多改進研究，但僅限于對電子式剩余電流動作斷路器的線路板［3-4］或互感器的設計改進［5-7］等局部研究，很少對RCCB進行系統性的可靠性研究。本文參照國標中的相關規定，對RCCB進行氣候試驗、壽命試驗。模仿產品在正常工作時的工作環境，對其可靠性進行試驗驗證。對試驗中的失效RCCB進行失效機理分析，探究RCCB在使用中的各種失效原因。

1 RCCB原理與結構

1.1 電磁式RCCB工作原理

電磁式RCCB原理圖如圖1所示，其核心部件由主電路、剩余電流檢測互感器、電磁脫扣器（EMR）、操作機構等構成。主電路中的漏電信號通過電流互感器檢測出來后，通過電互感器二次側繞組將信號傳遞給電磁脫扣器。當剩余電流信號值達到產品整定值時，脫扣器頂桿推動操作機構鎖扣，使RCCB動作，從而完成電路主電路分斷任務［8］。

1.2 電磁式脫扣器（EMR）

圖1 電磁式RCCB原理圖

EMR由永久磁鐵、磁軛、銜鐵、EMR線圈、反力彈簧、頂桿等零件組成，具體結構如圖2所示。在開關閉合時，線圈中無電流，永久磁鐵吸力大于彈簧反力，磁軛與銜鐵吸合。當EMR線圈中有電流流過時，當電流達到整定值時，線圈產生足夠磁場，此磁場與永久磁鐵產生的磁場抵消，電磁吸力小于彈簧反力，EMR動作。

圖2 電磁式脫扣器結構圖

1.3 操作機構

操作機構主要由支架、彈簧、跳扣、推桿、鎖扣、杠桿、手柄等組成，具體結構如圖3所示。在產品閉合時，跳扣咬住鎖扣，形成四連桿機構。整個機構處于儲能狀態。當產品動作時，EMR頂桿推動推桿，跳扣與鎖扣分離，四連桿機構瓦解。正常情況下，機構的脫扣力為0.2～0.4N。

圖3 RCCB操作機構結構圖

2 試驗項目

2.1 氣候試驗

選正常出廠的12臺（2P／30mA）RCCB委托給上海低壓電器研究所按GB 16916.1—2008程序G的規定進行氣候可靠性試驗。可靠性試驗周期如圖4所示。對試后品按如下方法做了測試：①按國家標準要求對試品通以1.25IΔn試驗電流驗證產品的動作正確性；②直接檢測每只試品的具體剩余電流動作值，對試品試驗前后的剩余電流動作值進行比較，并計算試品試驗前后的電流波動幅度；③對試品試驗前后的操作機構脫扣力進行測量記錄，脫扣力測量位置如圖5所示。試驗數據偏差最大的6只試品數據如表1所示。

圖4 氣候可靠性試驗周期

圖5 脫扣力測試點

從表1中可以得知，正常出廠的產品在進行氣候試驗后可能出現不動作。當對其具體動作電流值進行測量時，產品的第一次剩余動作電流整定值變大，部分產品動作電流值遠大于標準規定的37.5mA（1.25IΔn）而造成產品的不動作，之后產品恢復正常動作能力；操作機構的脫扣力也存在第一次偏大現象，而后恢復正常。

表1 RCCB氣候試驗前后動作電流、脫扣力

2.2 壽命試驗

選正常出廠的3臺（2P／30mA）RCCB依據GB16916.1—2008程序D中9.10試驗條款，開始1 000次操作循環用手動操作件進行斷開操作（不帶電操作）；接著500次操作循環用RCCB中試驗裝置進行操作；最后500次操作循環在一極通以IΔn的剩余動作電流進行斷開操作。對試后產品的剩余動作電流值及操作機構脫扣力進行測量，具體測量數見表2。從表2中可以看出，RCCB在進行壽命試驗后產品操作機構的脫扣力全部下降，其中8號試品出現滑扣失效。兩只試品的剩余動作電流上升。

表2 RCCB壽命試驗前后動作電流、脫扣力

2.3 防塵試驗

由于剩余電流動作斷路器相關標準中暫無防塵試驗相關標準，所以參照國家標準GB4208—2008中有關粉塵試驗相關標準。選正常出廠的3臺（2P／30mA）RCCB放進IPX5、6防塵試驗機進行IP20等級的粉塵試驗。對試后產品的剩余動作電流值及操作機構脫扣力進行測量，具體測量數見表3。從表3中可以看出。RCCB在進行IP20等級的粉塵試驗后，所有產品都無法動作，產品操作機構脫扣力非常大，超出了脫扣器的沖擊力，使得產品嚴重失效。

3 失效分析

從試驗結果可以得出，RCCB失效的可能原因主要有3個：產品脫扣力變大或變小、EMR整定電流變大、剩余電流檢測互感器信號變少。

3.1 機構脫扣力變化

從試驗結果可以得出兩種原因可以使RCCB機構脫扣力變大：一是機構內部構件受潮膨脹，導致配合過緊所致；二是粉塵進入機構內部，導致活動部位配合過緊摩擦力增大所致。而脫扣力變少則是由于機構磨損嚴重，導致配合過松所致。根據以上判斷，取脫扣力變化的支架，利用三坐標測量儀對機構內部的部件尺寸進行測量，發現所有尺寸都符合圖紙要求，因此機構尺寸設計沒有問題，為進一步研究機構部件之間的配合公差。對整個機構的四連桿進行了尺寸計算書的計算驗證，以驗證配合公差的正確性。本文僅以跳扣、鎖扣的尺寸計算書為例，操作機構運行中的2種狀態如圖6所示。

圖6 操作機構運行中的2種狀態

在圖6中，6位置表示閉合狀態，5位置為斷開狀態。脫扣器的頂桿推動機構的推桿，而推桿與杠桿連成一桿件傳動使杠桿偏轉，造成鎖扣支點瓦解，操作機構脫扣。因此，本機構脫扣力與脫扣行程的大小與鎖扣與杠桿的搭扣尺寸有直接關系，在圖6中表示為a。依據機構閉合圖樣原始數據分析（根據操作機構的脫扣行程為1.70 mm），7.90mm為推桿中心到其與杠桿接觸點的距離，圖樣上標示為未注公差。b表示推桿與杠桿接觸點在EMR頂桿運動1.7mm后的距離，55°為推桿上兩運動點與轉動圓心的夾角。111°為杠桿臂到轉動圓心之間的夾角。尺寸a的大小直接影響脫扣力和脫扣行程的變化量。

分析1：當其他尺寸取名義尺寸，推桿φ2.5的尺寸取下偏差。尺寸變化情況如圖7所示。

圖7 推桿φ2.5的尺寸取下偏差

當2.5的尺寸取下偏差2.52時，推桿轉動角度為arctg（1.72／10.5）=9°18’，根據勾股定律，尺寸b的變化量=2.52xsin9°18’=0.403mm，尺寸a的變化量=0.403xsin111°=0.377mm。

分析2：當其他尺寸取名義尺寸，2.5的尺寸取上偏差2.57，尺寸變化情況如圖8所示。而當2.5的尺寸取下偏差2.57時，推桿轉動角度為arctg（1.77／10.5）=9°38’，根據勾股定律，尺寸b的變化量=2.57xsin9°38’=0.426mm，尺寸a的變化量=0.426xsin111°=0.398mm。

圖8 推桿φ2.5的尺寸取上偏差

因此，當推桿φ2.5尺寸分別取上下差時推桿跟杠桿的搭扣尺寸變化量為0.398-0.377=0.021（mm），所以此尺寸公差改變對參數影響不大。保持原有公差。

分析3：當其他尺寸取名義尺寸，杠桿φ2.5的尺寸取下偏差2.52。尺寸變化情況如圖9所示。從圖9中可以看出，這些公差的大小直接關系到尺寸a的變化量a=0.07-0.02=0.05（mm）。

圖9 杠桿φ2.5的尺寸取下偏差

因此，當杠桿φ2.5尺寸分別取上下差時超程和開距變化量為0.070-0.022=0.048（mm），所以此尺寸公差改變對參數影響大。保持原有公差，但此尺寸公差要嚴格控制。

分析4：當其他尺寸取名義尺寸，7.90的尺寸取上偏差8.14，尺寸變化情況如圖10所示。當7.9的尺寸取上偏差8.14時，觸頭支持轉動角度為arctg（1.7／10.5）=9°12’，根據勾股定律，尺寸b變化量=8.14cos9°12’=8.03mm，尺寸a的變化量=8.03xsin111°=7.496mm。

圖10 7.90的尺寸取上偏差8.14

分析5：當其他尺寸取名義尺寸，7.9的尺寸取下偏差7.66，尺寸變化情況如圖11所示。當7.9的尺寸取下偏差7.66時，觸頭支持轉動角度為arctg（1.7／10.5）=9°12’，根據勾股定律，尺寸b變化量=7.66xcos9°12’=7.56，尺寸a的變化量=7.56xsin111°=7.05mm。

因此，當7.9±0.24尺寸分別取上下差時杠桿與鎖扣的搭扣尺寸變化量為7.496-7.05=0.489（mm）。

圖11 7.9的尺寸取下偏差7.66

所以此尺寸公差改變對參數影響較大，建議更改為±0.10mm。

3.2 EMR整定電流變大

由試驗可知，RCCB正常工作時，其剩余動作電流可能會增大，出現不動作。通過對EMR進行受力分析，對EMR中的磁路建立模型，可以推出EMR的吸力公式：

式中Um——永久磁動勢；PC——導磁系數；I2——線圈電流；W2——線圈匝數；Pcm——永久磁鐵與線圈交鏈的平均磁通；PCC——線圈的磁導系數。

由吸力公式，可以繪制出EMR的動作特性圖，見圖12。

圖12 EMR的動作特性圖

由于機構的脫扣力為0.2～0.4N。從EMR的動作特性圖中可以看出，正常時當機構的脫扣力等于0.4N時，EMR的銜鐵開始釋放。如果機構的脫扣力大于0.4N時，銜鐵的釋放電流就會隨之增大，直至無法脫扣。這也說明了RCCB在試驗過程中第一次脫扣電流變大的現象。

4 結語

在正常使用中，RCCB失效的主要原因是機構的脫扣力變化，導致脫扣器無法使操作機構瓦解。本文通過試驗驗證了脫扣力變大是RCCB失效的主要原因，通過對操作機構的尺寸計算書，驗證了公差配合的重要性及合理性。通過對EMR的脫扣特性分析，驗證了RCCB存在第一次動作電流偏大現象。這要求在RCCB安裝使用過程中，一定要做好防塵工作。同時定期或不定期使用RCCB的試驗按鈕，以保證RCCB的正常使用。

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