電磁式漏電保護(hù)脫扣器失效分析

胡建平

（湖南高速鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽 421500）

隨著電力網(wǎng)的發(fā)展，因漏電引起的火災(zāi)事故也越來越頻繁，剩余電流動(dòng)作斷路器已成為保護(hù)人身安全、火災(zāi)防止的重要終端保護(hù)電器。電磁式剩余電流動(dòng)作斷路器因其保護(hù)動(dòng)作與電網(wǎng)電壓無關(guān)被廣泛使用。因此剩余電流動(dòng)作斷路器動(dòng)作的可靠性越來越受到人們的重視，而作為RCD 的核心部件之一電磁脫扣器（EMR）能否可靠動(dòng)作直接關(guān)系到剩余電流動(dòng)作斷路器（RCCB）的可靠性。本文通過模擬剩余電流動(dòng)作斷路器在實(shí)際使用中的環(huán)境，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M，以試驗(yàn)中失效的電磁脫扣器（EMR）開始，對(duì)剩余電流動(dòng)作斷路器的失效進(jìn)行分析，找出其失效的原因，并提出改善方案，通過試驗(yàn)驗(yàn)證方案的可行性。

1 RCCB 原理與結(jié)構(gòu)

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(cè)互感器，電磁脫扣器（EMR）,操作機(jī)構(gòu)等構(gòu)成。主電路中的漏電信號(hào)通過電流互感器檢測(cè)出來后通過電互感器二次側(cè)繞組將信號(hào)傳遞給電磁脫扣器。當(dāng)剩余電流信號(hào)值達(dá)到產(chǎn)品整定值時(shí)，脫扣器頂桿推動(dòng)操作機(jī)構(gòu)鎖扣，使RCCB 動(dòng)作，完成電路主電路分?jǐn)嗳蝿?wù)。依據(jù)其工作原理可知，RCCB 能否可靠動(dòng)作，其結(jié)構(gòu)中的EMR 起到關(guān)鍵作用。

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(jié)構(gòu)如圖2所示。開關(guān)閉合時(shí)，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(dāng)EMR 線圈中有電流流過時(shí)，當(dāng)電流達(dá)到整定值時(shí)，線圈產(chǎn)生足夠磁場(chǎng)，此磁場(chǎng)與永久磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)抵消，電磁吸力小于彈簧反力，EMR 動(dòng)作。

圖2 電磁式脫扣器結(jié)構(gòu)圖

2 試驗(yàn)項(xiàng)目

我們選正常出廠的6 臺(tái)（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(guī)定進(jìn)行氣候可靠性試驗(yàn)?？煽啃栽囼?yàn)周期如圖3所示。

圖3 氣候可靠性試驗(yàn)周期

我們對(duì)試后品按如下方法做了測(cè)試：①按國家標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)試品通以1.25IΔn試驗(yàn)電流驗(yàn)證產(chǎn)品的動(dòng)作正確性；②直接檢測(cè)每只試品的具體剩余電流動(dòng)作值，試品試驗(yàn)前后的剩余電流動(dòng)作值進(jìn)行比較。計(jì)算試品試驗(yàn)前后的電流波動(dòng)幅度；③對(duì)試品試驗(yàn)前后的操作機(jī)構(gòu)脫扣力進(jìn)行測(cè)量記錄，脫扣力測(cè)量位置如圖4所示，試驗(yàn)數(shù)據(jù)偏差最大的6 只試品數(shù)據(jù)見表1。

從表1中我們可以得知，正常出廠的產(chǎn)品在進(jìn)行氣候試驗(yàn)后可能出現(xiàn)不動(dòng)作。當(dāng)我們對(duì)其具體動(dòng)作電流值進(jìn)行測(cè)量時(shí)，產(chǎn)品的第一次剩余動(dòng)作電流整定值變大，部分產(chǎn)品動(dòng)作電流值遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的37.5mA（1.25IΔn）而造成產(chǎn)品的不動(dòng)作，之后產(chǎn)品恢復(fù)正常動(dòng)作能力：操作機(jī)構(gòu)的脫扣力正常。

圖4 脫扣力測(cè)試點(diǎn)

表1 RCCB 氣候試驗(yàn)前后動(dòng)作電流、脫扣力

3 失效分析

從試驗(yàn)結(jié)果我們可以得出，RCCB 在進(jìn)行可靠性試驗(yàn)之后，第一次測(cè)試電流偏大，部分動(dòng)作電流遠(yuǎn)大于其整定電流。而RCCB 的機(jī)構(gòu)脫扣力變化不大，由些可以初步得出失效的原因主要是由電磁脫扣器引起。我們將失效EMR 取出兩只，分別對(duì)兩只EMR 的磁軛、銜鐵的表面進(jìn)行電鏡分析，我們發(fā)現(xiàn)，在EMR 的磁軛、銜鐵的表面發(fā)現(xiàn)許多污點(diǎn)。具體如圖5所示。

進(jìn)一步對(duì)表面污點(diǎn)進(jìn)行取樣，檢測(cè)其成分，檢測(cè)到其中一組的元素成分圖如圖6所示。成分比例見表2。

從電鏡檢查及成份檢測(cè)我們可以看出，污點(diǎn)元素中含有大量碳、氧等非鐵磁成份，檢查結(jié)果說明試驗(yàn)后脫扣器工作面有氧化反應(yīng)和灰塵吸附現(xiàn)象。這也能很好地解釋了脫扣器長期合閘后出現(xiàn)第一次動(dòng)作電流偏大或失效現(xiàn)象。針對(duì)氧化反應(yīng)和灰塵吸附現(xiàn)象，我們對(duì)脫扣器進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)所示EMR的保護(hù)外殼密封性差。底蓋與側(cè)蓋結(jié)合卡扣處縫隙太寬，使用環(huán)境中的灰塵顆粒容易進(jìn)入EMR 內(nèi)部。具體如圖7所示。

圖5 電鏡下EMR 磁軛、銜鐵表面污點(diǎn) （上下各為一對(duì)磁軛、銜鐵）

圖6 污點(diǎn)元素成分圖

表2 污點(diǎn)元素成分比例表

圖7 EMR 罩殼縫隙

同時(shí)銜鐵的縱向移動(dòng)沒有被限制，引起表面接觸不均。容易引起積灰產(chǎn)生氧化反應(yīng)，具體如圖8所示。

圖8 銜鐵的縱向移動(dòng)沒有被限制

4 改進(jìn)方案

從原因分析可以得知，要提高EMR 的可靠性，必需降低鐵磁材料表面的灰程吸附性以及氧化能力、改善EMR 的密封性能、限制銜鐵的縱向移動(dòng)及。EMR 電磁脫扣器銜鐵為1J50 鐵鎳合金軟磁材料制成，原銜鐵磨削加手工研磨后未進(jìn)行表面處理，表面狀態(tài)不穩(wěn)定，且易磨損，致使合格率低，壽命低。采用物理氣相沉積TiN 的表面處理工藝，可獲得表面高的耐磨層（厚度在0.3～1.0μm，表層硬度可達(dá)2100HV），且由于物理氣相沉積過程中的高能離子轟擊作用，能使沉積層附著強(qiáng)度高，均勻，清潔度提高，因而顯著提高EMR 繼電器的使用壽命和可靠性。同時(shí)，我們對(duì)EMR 的外殼進(jìn)行修模。將卡扣由明裝更改為隱性的安裝，同時(shí)對(duì)EMR 的銜鐵槽進(jìn)行尺寸修正，寬度由原來的89.7mm 修正為70.0mm。修正后的EMR 如圖9所示。將改進(jìn)后的RCCB 再次進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)產(chǎn)品全部合格，且無第一次動(dòng)作電流偏大現(xiàn)象。具體數(shù)據(jù)見表3。

同樣取氣候試驗(yàn)之后的EMR 進(jìn)行電鏡檢查及元素成份分析。發(fā)現(xiàn)EMR 銜鐵表面非常光潔，并沒有污點(diǎn)產(chǎn)品，具體如圖10所示。而且成份單一，僅有鐵磁材料。具體見表4。

圖9 修正后的EMR

表3 改進(jìn)EMR 后RCCB 可靠性試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表4 處理后表面元素成份表

圖10 改進(jìn)后EMR 電鏡檢查圖

5 結(jié)論

本文通過對(duì)漏電保護(hù)器RCCB 中EMR 的失效原理進(jìn)行查找分析，確定了RCCB 第一次動(dòng)作電流偏大或失效的主要原因是EMR 中工作面發(fā)生灰塵吸附及氧化作用導(dǎo)致。通過改進(jìn)EMR 的外殼設(shè)計(jì)、銜鐵槽的尺寸以及采用采用物理氣相沉積TiN 的表面處理工藝，提高接觸表面高的耐磨層等方法。解決了EMR 失效問題。

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