家用剩余電流動(dòng)作斷路器失效分析

胡建平，龐文益

（1.湖南高速鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)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(tǒng)改造的進(jìn)行，用電安全日益被重視，剩余電流動(dòng)作斷路器（RCCB）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［1-2］。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。國家針對剩余電流動(dòng)作斷路器的可靠性提出了專門的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，以確保其可靠動(dòng)作。其中GB 16916.1—2003《家用和類似用途的不帶過電流保護(hù)的剩余電流動(dòng)作斷路器（RCCB）第1部分：一般規(guī)則》和GB 16917.1—2008《家用和類似用途的帶過電流保護(hù)的剩余電流動(dòng)作斷路器（RCBO）第1部分：一般規(guī)則》對剩余電流動(dòng)作斷路器做出了全套相關(guān)試驗(yàn)規(guī)定。相關(guān)研究人員也做了許多改進(jìn)研究，但僅限于對電子式剩余電流動(dòng)作斷路器的線路板［3-4］或互感器的設(shè)計(jì)改進(jìn)［5-7］等局部研究，很少對RCCB進(jìn)行系統(tǒng)性的可靠性研究。本文參照國標(biāo)中的相關(guān)規(guī)定，對RCCB進(jìn)行氣候試驗(yàn)、壽命試驗(yàn)。模仿產(chǎn)品在正常工作時(shí)的工作環(huán)境，對其可靠性進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。對試驗(yàn)中的失效RCCB進(jìn)行失效機(jī)理分析，探究RCCB在使用中的各種失效原因。

1 RCCB原理與結(jié)構(gòu)

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(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，從而完成電路主電路分?jǐn)嗳蝿?wù)［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(jié)構(gòu)如圖2所示。在開關(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，此磁場與永久磁鐵產(chǎn)生的磁場抵消，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

1.3 操作機(jī)構(gòu)

操作機(jī)構(gòu)主要由支架、彈簧、跳扣、推桿、鎖扣、杠桿、手柄等組成，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。在產(chǎn)品閉合時(shí)，跳扣咬住鎖扣，形成四連桿機(jī)構(gòu)。整個(gè)機(jī)構(gòu)處于儲(chǔ)能狀態(tài)。當(dāng)產(chǎn)品動(dòng)作時(shí)，EMR頂桿推動(dòng)推桿，跳扣與鎖扣分離，四連桿機(jī)構(gòu)瓦解。正常情況下，機(jī)構(gòu)的脫扣力為0.2～0.4N。

圖3 RCCB操作機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

2 試驗(yàn)項(xiàng)目

2.1 氣候試驗(yàn)

選正常出廠的12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4所示。對試后品按如下方法做了測試：①按國家標(biāo)準(zhǔn)要求對試品通以1.25IΔn試驗(yàn)電流驗(yàn)證產(chǎn)品的動(dòng)作正確性；②直接檢測每只試品的具體剩余電流動(dòng)作值，對試品試驗(yàn)前后的剩余電流動(dòng)作值進(jìn)行比較，并計(jì)算試品試驗(yàn)前后的電流波動(dòng)幅度；③對試品試驗(yàn)前后的操作機(jī)構(gòu)脫扣力進(jìn)行測量記錄，脫扣力測量位置如圖5所示。試驗(yàn)數(shù)據(jù)偏差最大的6只試品數(shù)據(jù)如表1所示。

圖4 氣候可靠性試驗(yàn)周期

圖5 脫扣力測試點(diǎn)

從表1中可以得知，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)對其具體動(dòng)作電流值進(jìn)行測量時(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)的脫扣力也存在第一次偏大現(xiàn)象，而后恢復(fù)正常。

表1 RCCB氣候試驗(yàn)前后動(dòng)作電流、脫扣力

2.2 壽命試驗(yàn)

選正常出廠的3臺(tái)（2P／30mA）RCCB依據(jù)GB16916.1—2008程序D中9.10試驗(yàn)條款，開始1 000次操作循環(huán)用手動(dòng)操作件進(jìn)行斷開操作（不帶電操作）；接著500次操作循環(huán)用RCCB中試驗(yàn)裝置進(jìn)行操作；最后500次操作循環(huán)在一極通以IΔn的剩余動(dòng)作電流進(jìn)行斷開操作。對試后產(chǎn)品的剩余動(dòng)作電流值及操作機(jī)構(gòu)脫扣力進(jìn)行測量，具體測量數(shù)見表2。從表2中可以看出，RCCB在進(jìn)行壽命試驗(yàn)后產(chǎn)品操作機(jī)構(gòu)的脫扣力全部下降，其中8號(hào)試品出現(xiàn)滑扣失效。兩只試品的剩余動(dòng)作電流上升。

表2 RCCB壽命試驗(yàn)前后動(dòng)作電流、脫扣力

2.3 防塵試驗(yàn)

由于剩余電流動(dòng)作斷路器相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中暫無防塵試驗(yàn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，所以參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB4208—2008中有關(guān)粉塵試驗(yàn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。選正常出廠的3臺(tái)（2P／30mA）RCCB放進(jìn)IPX5、6防塵試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行IP20等級(jí)的粉塵試驗(yàn)。對試后產(chǎn)品的剩余動(dòng)作電流值及操作機(jī)構(gòu)脫扣力進(jìn)行測量，具體測量數(shù)見表3。從表3中可以看出。RCCB在進(jìn)行IP20等級(jí)的粉塵試驗(yàn)后，所有產(chǎn)品都無法動(dòng)作，產(chǎn)品操作機(jī)構(gòu)脫扣力非常大，超出了脫扣器的沖擊力，使得產(chǎn)品嚴(yán)重失效。

3 失效分析

從試驗(yàn)結(jié)果可以得出，RCCB失效的可能原因主要有3個(gè)：產(chǎn)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(hào)變少。

3.1 機(jī)構(gòu)脫扣力變化

從試驗(yàn)結(jié)果可以得出兩種原因可以使RCCB機(jī)構(gòu)脫扣力變大：一是機(jī)構(gòu)內(nèi)部構(gòu)件受潮膨脹，導(dǎo)致配合過緊所致；二是粉塵進(jìn)入機(jī)構(gòu)內(nèi)部，導(dǎo)致活動(dòng)部位配合過緊摩擦力增大所致。而脫扣力變少則是由于機(jī)構(gòu)磨損嚴(yán)重，導(dǎo)致配合過松所致。根據(jù)以上判斷，取脫扣力變化的支架，利用三坐標(biāo)測量儀對機(jī)構(gòu)內(nèi)部的部件尺寸進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)所有尺寸都符合圖紙要求，因此機(jī)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)沒有問題，為進(jìn)一步研究機(jī)構(gòu)部件之間的配合公差。對整個(gè)機(jī)構(gòu)的四連桿進(jìn)行了尺寸計(jì)算書的計(jì)算驗(yàn)證，以驗(yàn)證配合公差的正確性。本文僅以跳扣、鎖扣的尺寸計(jì)算書為例，操作機(jī)構(gòu)運(yùn)行中的2種狀態(tài)如圖6所示。

圖6 操作機(jī)構(gòu)運(yùn)行中的2種狀態(tài)

在圖6中，6位置表示閉合狀態(tài)，5位置為斷開狀態(tài)。脫扣器的頂桿推動(dòng)機(jī)構(gòu)的推桿，而推桿與杠桿連成一桿件傳動(dòng)使杠桿偏轉(zhuǎn)，造成鎖扣支點(diǎn)瓦解，操作機(jī)構(gòu)脫扣。因此，本機(jī)構(gòu)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(guān)系，在圖6中表示為a。依據(jù)機(jī)構(gòu)閉合圖樣原始數(shù)據(jù)分析（根據(jù)操作機(jī)構(gòu)的脫扣行程為1.70 mm），7.90mm為推桿中心到其與杠桿接觸點(diǎn)的距離，圖樣上標(biāo)示為未注公差。b表示推桿與杠桿接觸點(diǎn)在EMR頂桿運(yùn)動(dòng)1.7mm后的距離，55°為推桿上兩運(yùn)動(dòng)點(diǎn)與轉(zhuǎn)動(dòng)圓心的夾角。111°為杠桿臂到轉(zhuǎn)動(dòng)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(dāng)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(dāng)2.5的尺寸取下偏差2.52時(shí)，推桿轉(zhuǎn)動(dòng)角度為arctg（1.72／10.5）=9°18’，根據(jù)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(dāng)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(dāng)2.5的尺寸取下偏差2.57時(shí)，推桿轉(zhuǎn)動(dòng)角度為arctg（1.77／10.5）=9°38’，根據(jù)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(dāng)推桿φ2.5尺寸分別取上下差時(shí)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(shù)影響不大。保持原有公差。

分析3：當(dāng)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(guān)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(dāng)杠桿φ2.5尺寸分別取上下差時(shí)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(shù)影響大。保持原有公差，但此尺寸公差要嚴(yán)格控制。

分析4：當(dāng)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(dāng)7.9的尺寸取上偏差8.14時(shí)，觸頭支持轉(zhuǎn)動(dòng)角度為arctg（1.7／10.5）=9°12’，根據(jù)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(dāng)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(dāng)7.9的尺寸取下偏差7.66時(shí)，觸頭支持轉(zhuǎn)動(dòng)角度為arctg（1.7／10.5）=9°12’，根據(jù)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(dāng)7.9±0.24尺寸分別取上下差時(shí)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(shù)影響較大，建議更改為±0.10mm。

3.2 EMR整定電流變大

由試驗(yàn)可知，RCCB正常工作時(shí)，其剩余動(dòng)作電流可能會(huì)增大，出現(xiàn)不動(dòng)作。通過對EMR進(jìn)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(dòng)勢；PC——導(dǎo)磁系數(shù)；I2——線圈電流；W2——線圈匝數(shù)；Pcm——永久磁鐵與線圈交鏈的平均磁通；PCC——線圈的磁導(dǎo)系數(shù)。

由吸力公式，可以繪制出EMR的動(dòng)作特性圖，見圖12。

圖12 EMR的動(dòng)作特性圖

由于機(jī)構(gòu)的脫扣力為0.2～0.4N。從EMR的動(dòng)作特性圖中可以看出，正常時(shí)當(dāng)機(jī)構(gòu)的脫扣力等于0.4N時(shí)，EMR的銜鐵開始釋放。如果機(jī)構(gòu)的脫扣力大于0.4N時(shí)，銜鐵的釋放電流就會(huì)隨之增大，直至無法脫扣。這也說明了RCCB在試驗(yàn)過程中第一次脫扣電流變大的現(xiàn)象。

4 結(jié)語

在正常使用中，RCCB失效的主要原因是機(jī)構(gòu)的脫扣力變化，導(dǎo)致脫扣器無法使操作機(jī)構(gòu)瓦解。本文通過試驗(yàn)驗(yàn)證了脫扣力變大是RCCB失效的主要原因，通過對操作機(jī)構(gòu)的尺寸計(jì)算書，驗(yàn)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(yàn)證了RCCB存在第一次動(dòng)作電流偏大現(xiàn)象。這要求在RCCB安裝使用過程中，一定要做好防塵工作。同時(shí)定期或不定期使用RCCB的試驗(yàn)按鈕，以保證RCCB的正常使用。

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