電磁式漏電斷路器的空間磁場抗擾分析及屏蔽結構設計

李 奎 李常宇 牛 峰 羅 晨 武 一

（1. 省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點實驗室（河北工業大學） 天津 300130 2. 河北省電磁場與電器可靠性重點實驗室（河北工業大學） 天津 300130 3. 國網天津市電力公司城西供電分公司 天津 300190）

0 引言

在低壓配電系統中，漏電斷路器用于防止電氣火災和保護人身觸電安全。當電路發生漏電或有人觸電時，漏電斷路器能夠迅速切斷電源，防止因漏電引發的火災、設備損壞及人身傷亡事故的發生[1]。由于電磁式漏電斷路器結構簡單，工作時不需要輔助電源，且工作穩定可靠，在國內外廣泛使用[2-4]。漏電斷路器在運行過程中其動作特性會受假剩余電流等干擾因素的影響[5]，除此之外，雷擊浪涌電流等大電流通過電磁式漏電斷路器時產生的磁場比較強，

很容易影響漏電斷路器的工作特性[6-8]，可能導致漏電斷路器誤動作甚至損壞，因此必須對電磁式漏電斷路器進行外界磁場干擾分析，找出敏感元件，并對其進行屏蔽設計。為保證漏電斷路器的可靠工作，洪傳生等對電子式漏電斷路器的電子電路進行了改進，有效降低了浪涌電流沖擊試驗的誤脫扣和失效率[9]。劉德勝等通過晶閘管和脫扣線圈的合理組合，增加了抗干擾電路，提高了漏電斷路器的可靠性[10]。目前，對電磁式漏電斷路器的抗干擾問題的研究較少。

添加磁屏蔽措施可降低外界干擾磁場對電磁式漏電斷路器的影響，提高電磁式漏電斷路器抗雷擊浪涌電流干擾的能力，磁屏蔽可以分為恒定磁場屏蔽和交變磁場屏蔽。一般情況下，可以采用高磁導率的鐵磁材料進行恒定磁場和低頻交變磁場的屏蔽，鐵磁材料可以改變磁力線的走向，將大部分磁通集中在鐵磁材料內部，以達到屏蔽效果；可以采用高電導率的材料進行高頻交變磁場的屏蔽，在時變磁場下導電材料內部產生渦流，從而抵消大部分干擾磁場[11-16]。目前，國內外對于電磁屏蔽的分析已經有很多研究。E. Cardelli等分析了幾種新型的屏蔽板結構，用于屏蔽低頻磁場[17]；張晚英等利用三維有限元法建立了圓柱形屏蔽體模型，對屏蔽體厚度、層數和激勵頻率的影響進行了分析[18]；焦重慶等根據屏蔽室法測量材料屏蔽效能的原理，提出了工頻電場和磁場屏蔽效能測試系統的實驗方案[19]。

此外，還有一些學者通過仿真與實驗對實際工況下的屏蔽形式進行了結構或材料方面的優化。文獻[20-23]研究了電抗器的屏蔽，提出一種有效的屏蔽工頻磁場的高導磁材料層的排列方法，并對屏蔽結構的屏蔽效能進行了評估。文獻[24-25]對電磁軌道炮內強電磁場環境進行分析及屏蔽研究，為優化屏蔽措施提供了依據。

現有的磁場屏蔽研究主要針對工作磁場強、體積大的電氣設備，與工作磁場弱、體積小的電磁式漏電斷路器的磁屏蔽有一定區別。正常情況下通過漏電斷路器的負荷電流較小，因此正常負荷電流產生的磁場對其特性影響較小。如果線路發生過載或短路故障，其電流通過漏電斷路器時會產生較強的干擾磁場。另外當配電線路遭受雷擊時，由于雷擊浪涌電流非常大，也可能會導致漏電斷路器誤動作甚至損壞。雷擊浪涌電流對漏電斷路器的影響非常復雜，包括線路傳導干擾和空間磁場耦合干擾。空間磁場耦合干擾主要是浪涌電流產生的磁場直接對漏電斷路器造成干擾，因此本文重點針對大電流產生的空間磁場干擾問題進行研究，提出電磁式漏電斷路器內部導線的優化設計方法。同時，設計一種用于磁脫扣器的磁屏蔽罩，分析屏蔽材料、屏蔽結構等的影響，可有效降低干擾磁場對電磁式漏電斷路器的影響，并進行實驗驗證。

1 電磁式漏電斷路器內部導體結構設計

1.1 電磁式漏電斷路器的敏感元件分析

典型的電磁式漏電斷路器漏電保護模塊是由零序電流互感器、電路板、電磁脫扣器、試驗按鈕回路和動作機構等主要部分組成，具體結構如圖1所示。當主線路出現故障漏電流dI˙時，主線路電流的相量和不為0，剩余電流互感器輸出信號到電路板，電路板會產生一個驅動信號使磁脫扣器動作，切斷故障電流回路。

磁脫扣器是電磁式漏電斷路器的核心組件，主要由永久磁鐵、磁軛、銜鐵、線圈、彈簧等零件組成。磁脫扣器的運動方程為

圖1 典型電磁式漏電斷路器原理 Fig.1 The schematic diagram of residual current circuit-breaker

式中，B為磁感應強度；A為接觸面的面積；Fem、Fr分別為脫扣器的電磁吸力和彈簧反力；L1、L2分別為電磁吸力和彈簧反力的力臂；Tem、Tr分別為電磁吸力矩和彈簧反力矩；Φ為銜鐵與磁軛間的磁通；J、ω、θ分別為銜鐵的轉動慣量、轉動角速度和轉動角度；μ0為空氣磁導率。由式（1）可知，電磁吸力Fem主要與磁脫扣器接觸面的磁通量有關。正常情況下，永磁體提供的電磁吸力矩大于彈簧反力矩，磁脫扣器保持穩定吸合狀態；漏電故障情況下，電路板發出的驅動信號經過磁脫扣器線圈產生反向磁場，以抵消永久磁鐵在銜鐵與磁軛間產生的磁通，使電磁吸力矩小于彈簧反力矩，磁脫扣器不能維持吸合狀態，驅動漏電斷路器動作。因此通過分析接觸面磁通的變化，就可以確定磁脫扣器的運動狀態。

根據各個零部件的實際尺寸建立磁脫扣器有限元仿真模型，銜鐵和磁軛的材料為坡莫合金1J50，為非線性高磁導率材料，永磁體材料為鋁鎳鈷，其剩磁和矯頑力按實際樣機參數選取，分別為0.772T、48kA/m。求解域范圍在±X、±Y、±Z方向上均為磁脫扣器尺寸的3倍。磁脫扣器的仿真實體模型如圖2所示，其主要參數見表1。

圖3為磁脫扣器銜鐵處于閉合位置，線圈電壓為0，外界干擾磁場為0時，磁脫扣器對稱平面的計算結果，其銜鐵與磁軛接觸面間的磁感應強度達到140mT，方向為-Z方向。

圖2 磁脫扣器仿真實體模型 Fig.2 Simulation entity model of magnetic release

表1 磁脫扣器主要參數 Tab.1 Parameters of magnetic release

圖3 無干擾磁場時磁感應強度分布 Fig.3 Magnetic induction distribution without interference magnetic field

一般情況下漏電斷路器的動作值小于30mA，且無輔助電源，在90~120mV電壓下磁脫扣器就會動作。外界干擾磁場達到3.5mT時就會使磁脫扣器誤動作，因此磁脫扣器為電磁式漏電斷路器中的敏感元件，極易受到外界磁場的影響。

1.2 磁脫扣器敏感方向分析

作為一種典型的電磁元件，當外界存在干擾磁場時，磁脫扣器內部磁路的磁場分布會受到影響，從而影響磁脫扣器的脫扣電壓，進而可能導致磁脫扣器誤動作甚至損壞，不同方向干擾磁場影響如圖4所示。

圖4 干擾磁場作用方向示意圖 Fig.4 Diagram of interference magnetic field under different direction

圖4中，BI為永磁體產生的磁場，BX、BY、BZ為不同方向的外界干擾磁場。干擾磁場的BY和BZ方向平行于磁脫扣器磁路平面，其通過的磁路截面積與銜鐵、磁軛的寬度有關，長度為銜鐵、磁軛的長度。外界磁場為BY和BZ方向時，由于磁脫扣器磁路磁阻遠小于空氣磁阻，會有更多的磁通穿過磁脫扣器，改變了磁脫扣器內部磁場分布，因此BY和BZ方向的磁場對磁脫扣器內部磁路分布的影響很大。BX方向磁場垂直穿過磁脫扣器磁路平面，其通過的磁路截面積與銜鐵、磁軛的厚度有關，長度為銜鐵、磁軛的寬度，BX方向磁路較短且外界磁場方向與磁路內磁場方向垂直，因此BX方向磁場對磁脫扣器內部磁路分布的影響較小。當外界磁場在磁脫扣器磁路中產生的磁場方向與永久磁鐵產生的磁場方向相反且達到一定強度時，銜鐵電磁吸力矩小于彈簧反力矩，銜鐵與磁軛不能保持吸合狀態，磁脫扣器誤動作。

為驗證不同方向磁場對磁脫扣器的影響，建立通電螺線管仿真模型產生均勻磁場來模擬不同方向外界干擾磁場，并通過施加不同電流來獲得不同幅值的磁場。由于施加磁場方向不同，磁脫扣器銜鐵與磁軛間接觸面處磁感應強度不同。磁脫扣器銜鐵與磁軛間接觸面處磁感應強度變化量越大，說明外界磁場對磁脫扣器的干擾越嚴重。分別對磁脫扣器施加3.5mT和100mT的均勻磁場，記錄不同方向磁場下接觸面處磁感應強度的變化情況見表2。100mT大約相當于漏電斷路器內載流導體通過20kA電流時在磁脫扣器位置產生的外磁場。

表2 不同外磁場下銜鐵與磁軛間接觸面處 磁感應強度變化量 Tab.2 The variation of magnetic induction at the contact surface between armature and yoke under different external magnetic fields

表2仿真結果驗證了前面的分析，且±Z方向影響最大，該方向為磁脫扣器的最敏感方向，最不敏感方向為±X方向。

1.3 電磁式漏電斷路器內部導體最優走線結構

在電磁式漏電斷路器中，內部載流導體是干擾磁場的直接來源，因此需要分析導體走線位置對磁脫扣器的影響。根據磁脫扣器與載流導體位置關系，可以將其歸算到沿坐標軸X、Y、Z的三個方向，如圖5所示。由磁脫扣器的敏感方向分析可知，導體在Y2、Y4、Z2、Z4位置，即導體與磁脫扣器磁路處于同一平面內時，載流導體產生的干擾磁場與磁脫扣器磁路平面垂直，即為圖4中的±X方向，幾乎不會對磁脫扣器工作特性造成影響；導體在其他位置，即導體與磁脫扣器磁路不在同一平面時，產生的干擾磁場主要為±Y和±Z方向，干擾磁場對磁脫扣器內部磁路的影響較大。

圖5 載流導體與磁脫扣器的相對位置 Fig.5 Relative position of current-carrying wire and magnetic release

綜上所述，電磁式漏電斷路器內部導體應與磁脫扣器磁路在同一平面內，避免在側方走線，可有效降低導體中電流對磁脫扣器的影響。同時，載流導體應盡量遠離磁脫扣器，以便降低載流導體在磁脫扣器處產生的磁場強度，從而減輕對磁脫扣器的影響。

受斷路器結構和空間的限制，內部載流導體會有彎曲、偏移等情況，載流導體中電流產生的磁場仍會影響磁脫扣器。由于彎曲或傾斜等原因，兩者之間會存在一定夾角，導體電流產生的干擾磁場可分解為兩個相互垂直的磁場分量B1和B2，如圖6所示。

圖6 傾斜導體的干擾磁場分析 Fig.6 Analysis of interference magnetic field of inclined wire

干擾磁場B1的方向主要為Y和Z方向，為磁脫扣器易受磁場干擾的方向，因此導體傾斜角α越大，即B1磁場分量越大，磁脫扣器受到的影響越大；干擾磁場B2并非完全垂直穿過磁脫扣器磁路平面，其Z方向的磁場分量也會直接影響磁脫扣器內部磁路。

偏移導體的方向與磁脫扣器磁路平面平行，如圖7所示。根據畢奧-薩伐爾公式得到偏移導體在磁脫扣器垂直接觸面方向產生的磁感應強度分量BZ為

式中，h為磁脫扣器與導體的垂直距離；x為磁脫扣器與導體的水平距離。

由式（2）可知，隨著導體與磁脫扣器磁路所在平面距離x的增加，干擾磁場BZ先增大后減小。當x=h時干擾磁場BZ達到最大，若導體通過的電流較大可能會導致漏電斷路器誤動作。

圖7 偏移導體的干擾磁場分析 Fig.7 Analysis of interference magnetic field of offset wire

2 磁脫扣器的空間干擾磁場屏蔽

2.1 雷擊浪涌電流模型磁脫扣器的屏蔽罩設計

采用屏蔽罩可以降低外界磁場對磁脫扣器的干擾，屏蔽罩應緊貼磁脫扣器外殼，其尺寸為20mm×13mm×24mm，厚度為1mm，磁脫扣器的屏蔽罩仿真模型如圖8所示。內部載流導線通過端子外接導線，一般情況下端子高于內部導線位置，因此在仿真模型中載流導線兩端翹起。

圖8 屏蔽罩仿真模型 Fig.8 Simulation model of the shield

高磁導率材料對弱磁場屏蔽有效，如果通過電磁式漏電斷路器的電流較大，產生的干擾磁場也較大，用作屏蔽罩的導磁材料可能會飽和，屏蔽效果大幅下降。坡莫合金1J50的磁導率μr較高但飽和磁感應強度H較低，而電工純鐵DT4和碳鋼Q235的飽和磁感應強度較高但磁導率較低，其μr-H曲線如圖9所示。

采用不同導磁材料作為屏蔽罩，對其屏蔽效果進行仿真，可以得到不同峰值電流下磁脫扣器銜鐵與磁軛間吸合面處的磁感應強度變化量，其結果如圖10所示。

圖9 導磁材料的μr-H曲線 Fig.9 Relative permeability of magnetic material under different magnetic field strength

圖10 不同峰值電流下導磁材料的屏蔽效果 Fig.10 Shielding effectiveness of ferromagnetic material under different peak current

由圖10可知，在浪涌電流較小時，磁導率較高的坡莫合金1J50的屏蔽效果最好，磁導率較低的碳鋼Q235的屏蔽效果最差；隨著浪涌電流峰值的增加，飽和磁感應強度較高的碳鋼Q235的屏蔽效果較好，而坡莫合金1J50的屏蔽效果最差。這是由于浪涌電流較小時，產生的空間干擾磁場較小，磁導率較高的導磁材料沒有飽和，其屏蔽效果最好；而隨著干擾電流增大，其產生的空間干擾磁場變強，高磁導率材料飽和，其屏蔽效果變差，而飽和磁感應強度較高的導磁材料仍有較好的屏蔽效果。浪涌電流繼續變大，由于電工純鐵、碳鋼、坡莫合金三種屏蔽材料均趨于深度飽和狀態，屏蔽效果均大幅下降。因此，在干擾磁場幅值較小時應使用高磁導率的屏蔽材料，而在干擾磁場幅值較大時，應使用高飽和磁感應強度的屏蔽材料。

2.2 屏蔽罩開槽形式對屏蔽效果的影響

磁脫扣器工作時會有頂桿驅動漏電斷路器而動作，因此需要在屏蔽罩上開槽，以便其頂桿能驅動漏電斷路器。采用碳鋼Q235作為屏蔽罩材料，在有頂桿一面的中心處可以沿坐標軸Y方向開槽，如圖11所示，也可以沿X方向開槽。開槽方向和寬度對屏蔽效果產生影響，在20kA浪涌電流下進行仿 真計算，其結果見表3。

圖11 屏蔽罩開槽方向 Fig.11 Slot direction of the shield

表3 不同開槽形式下的屏蔽效果 Tab.3 Shielding effectiveness of different slot forms

由表3可知，增加屏蔽罩開槽寬度后，兩種開槽方向的屏蔽效果均會下降，二者影響相差不大。但沿X方向開槽，會降低Y方向干擾磁場的屏蔽效果，而Y方向干擾磁場對磁脫扣器內部磁場影響較大；沿Y方向開槽會降低X方向干擾磁場的屏蔽效果，而X方向干擾磁場對磁脫扣器內部磁場影響較小。因此應盡可能沿磁脫扣器磁路平行方向開槽。

2.3 屏蔽罩裝配面對屏蔽效果的影響

除了在屏蔽罩與磁脫扣器頂桿配合面開槽，還應去掉屏蔽罩的一面，以便將磁脫扣器裝配到屏蔽罩內。在磁脫扣器磁路平面平行方向開槽的基礎上，分別去掉屏蔽罩的±X、±Y、-Z面，分析其屏蔽效果。在20kA的浪涌電流下進行仿真計算，其結果見表4。

表4 不同裝配面下的屏蔽效果 Tab.4 Shielding effectiveness of different assembly surfaces

由表4可知，相較于未去掉裝配面，屏蔽罩去掉+X面后，磁脫扣器內的磁通變化量增大127.6%，屏蔽效果下降最大，磁脫扣器容易誤動作；屏蔽罩去掉+Y面后，磁脫扣器內的磁通變化量提高了20.5%，屏蔽效果下降最小。

3 實驗驗證

雷擊浪涌電流磁場變化為μs級，一般情況下很難在雷擊過程中對磁脫扣器銜鐵與磁軛接觸面處的磁感應強度進行測量。但可以通過在雷擊浪涌電流下電磁式漏電斷路器是否誤動作來間接衡量不同屏蔽形式的屏蔽效果。引起誤動作的雷擊浪涌電流越大，屏蔽效果越好。圖12為雷擊浪涌電流干擾實驗設備，該設備可產生最高峰值30kA的8/20μs的浪涌電流。

圖12 雷擊浪涌電流干擾實驗設備 Fig.12 Experimental equipment for lightning surge current interference

首先對電磁式漏電斷路器內部導體結構進行驗證。某電磁式漏電斷路器的內部載流導線在磁脫扣器的側面，如圖13a所示，電流通過導體產生的磁場相當于表2中的Z方向，抗雷擊電流能力較低，只有1.0kA。而對其進行改進設計，將其內部導體優化為在磁脫扣器的下方，基本保持導體與磁脫扣器磁路在同一平面內，如圖13b所示，電流通過導體產生的磁場相當于表2中的X方向，其抗雷擊電流能力大幅提高，到達15.4kA，不同走線形式的實驗結果見表5。實驗結果驗證了內部導體結構對抗雷擊干擾能力的差異，內部載流導體與磁脫扣器的磁路在同一平面時，導體中電流對磁脫扣器影響最小。

圖13 漏電斷路器內部結構 Fig.13 Internal structure diagram of RCD

表5 不同走線形式的實驗結果 Tab.5 Experiment results of wire with different forms

在電磁式漏電斷路器內部導體在磁脫扣器正下方，進行屏蔽罩的屏蔽效果驗證。當屏蔽罩為厚度1mm的碳鋼Q235時，進行雷擊浪涌電流干擾實驗，其結果見表6。

表6 添加屏蔽罩的實驗結果 Tab.6 Experimental results of installing the shield

由表6可知，無任何屏蔽形式，漏電斷路器誤動作時的雷電流峰值為15.4kA，當屏蔽罩采用高飽和磁感應強度的碳鋼Q235時，誤動作的雷電流峰值提高到21.2kA，抗干擾能力提高了30%以上。

4 結論

本文對電磁式漏電斷路器的空間磁場干擾問題進行了研究，確定了磁脫扣器的敏感方向，并對導體走線結構和屏蔽結構進行了優化設計，使其抗干擾能力達到20kA以上。主要結論如下：

1）外界磁場方向與磁脫扣器磁路平面平行時，外界磁場對磁脫扣器磁路中的磁場影響最大；而外界磁場方向與磁脫扣器磁路平面垂直時，外界磁場影響最小。

2）電磁式漏電斷路器內部導體應盡量遠離磁脫扣器，且其走線方向應與磁脫扣器磁路處于同一平面，電流通過內部導體產生的磁場對磁脫扣器影響最小。

3）采用高飽和磁感應強度的鐵磁材料設計磁脫扣器屏蔽罩，可以減少大電流產生的空間磁場對磁脫扣器的干擾，同時應避免屏蔽罩沿磁脫扣器磁路面的垂直方向開槽，防止屏蔽罩屏蔽效果的降低。