磁性材料在漏电开关中的应用
Application of Magnetic Material in GFCI

摘 要：简要介绍了漏电开关（GFCI）的分类、要求、结构及工作原理。详细叙述了漏电开关零序电流互感器及其铁芯，脱扣器的工作特性、材料选用。
关键词：漏电开关 零序电流互感器 脱扣器 磁性材料

1 前言
目前国内市场销售常用的漏电开关有电磁式和电子式两种，它们均属于电流动作型漏电开关。电磁式漏电开关由零序电流互感器（下称互感器）、脱扣器等部件组成；电子式漏电开关除上述两部件外，在其两者之间还设有电子放大器。
漏电开关的零序电流互感器是漏电检测元件，它由软磁材料制成的铁芯及绕组组成。脱扣器中的磁轭、衔铁也是由软磁材料制成。电磁式漏电开关用的释放式灵敏脱扣器中还有永磁材料制成的元件。互感器和脱扣器对于漏电开关灵敏度，动作的可靠、稳定性具有重要意义，因此就有必要认真研究适用于漏电开关用磁性材料的组成、制造及性能〔1〕~〔3〕，〔6〕。

2 常用漏电开关的分类、要求、结构及工作原理
2.1漏电开关的分类和要求
低压电路用漏电开关分类方法很多，主要分类有：（1）按保护目的可分为防止人身触电的高灵敏度漏电开关及防止漏电引起火灾和设备事故的漏电开关。（2）按漏电开关的漏电检测信号方式可分为电压动作型和电流动作型。目前国内的漏电开关多为电流动作型。（3）按漏电开关动作驱动结构可分为电磁式和电子式，这两种均为电流动作型。目前国内电磁式用的较多，但今后将大力发展电子式。（4）按主开关极数和电流回路分，有单极二线、二极、二极三线、三极、三极四线，四极等漏电开关。工业多用三极四线，家用单极二线。
本文主要介绍的是电流动作型漏电开关，它具有工作性能稳定，保护可靠、安装方便等优点，所以成为国内外最广泛采用的一种漏电触电保护器。对电流动作型漏电开关要求具有高灵敏度、高速断开及高可靠性。
按国际GB6829-95规定漏电动作电流为6mA、10mA、30mA、50mA、100mA、300mA、500mA、1A等档〔4〕。其中≤30mA属于高灵敏度型，既可用于间接接触触电保护，也可用于直接触电补充保护。>50mA的一般用于防止电路、电气设备火灾事故和接地短路保护。
为了防止漏电开关误动作而影响电网正常运行，漏电开关还规定有额定漏电不动作电流，该电流接近额定漏电动作电流，一般不能小于额定漏电动作电流的1/2。
当电路或设备发生漏电触电时，漏电开关断开并迅即切断主电路所需时间，也是漏电开关重要技术指标。据国家标准在额定漏电动作电流下，最大断电的时间应小于0.2s。漏电动作电流越大，其断开时间应越短，这样才能起到触电保护作用。对于主干线上的漏电开关则要求延时断开。
2.2漏电开关的结构及工作原理
目前常用的电磁式、电子式电流动作型漏电开关，其结构基本相同。电磁式漏电开关由外壳、漏电信号检测器（即互感器）、脱扣释放机构、开关动作机构及试验装置等组成。电子式漏电开关除上述机构外在互感器与脱扣器之间没有电子放大器。其结构及工作原理（以单极二线为例）示意图如图1所示〔5〕。
在图1 中，相线和中性线穿过互感器，为互感器一次绕组。、分别为流入、流出互感器的电流。正常工作时，、应满足、=0，此时互感器二次绕组无感应电压，即无信号输出，漏电开关处于闭合状态（接通状态），对负载供电。当出现对地漏电或触电时，流过互感器的电流矢量和不再等于零，有+=，即漏电电流，这时互感器二次绕组中就产生感应电势，即有信号输出。电磁式漏电开关由该信号直接驱动脱扣器释放，带动开关或继电器接点切断电源，如图1a状态。而电子式漏电开关二次输出信号加到电子放大器上（需要辅助电源），信号经放大后输出使脱扣器释放，切断电源、如图1b所示状态。这样便达到漏电、触电保护目的。

图1示出的是单极二线漏电开关，这种漏电开关适用的电源为交流220V，漏电动作电流30mA，动作时间≤0.1s。国产的有DZ12L-60，DZ25L系列。电磁式和电子式漏电开关的比较列于表1 。


3 零序电流互感器及铁芯工作点的确定
零序电流互感器（即剩余电流互感器）是漏电开关的重要部件，它对漏电开关的灵敏度，工作的可靠性、稳定性均有直接的关系。
如前所述，电网正常运行时，穿过互感器的电源线（相线与中性线），每个瞬时电流矢量和为零，因此根据电磁感应定律在互感器二次绕组中无感应电势。当发生触电漏电时，主电路中电流瞬时矢量和不等于零，为，即剩余电流，该电流使互感器二次绕组产生感应电势。漏电流越大，则二次绕组感应电势也就越大，两者关系即互感器工作特性如图2a所示，而传递能量的介质互感器铁芯的磁特性曲线如图2b所示。

图2a中~为互感器二次绕组断路情况下的空载特性，~为带脱扣器工作状态下的负载特性。由互感器工作特性曲线，可以确定铁芯的磁化电流，其方法是：由-曲线上根据额定漏电动作电流确定互感器的感应电压，假定忽略激磁电流的有功分量，便可由-由线上与相当的求出，即互感器铁芯的激磁电流。然后根据（1）式计算出额定漏电开关动作电流时铁芯中的磁场H大小。

其中：——一次绕组匝数，——互感器铁芯磁路长度即其平均直径，。然后在互感器铁芯的B-H、μ-H曲线上得到对应于H的B和μ值，从而得到铁芯的工作点。
此外，根据动态测试结果，可得到10~30mA漏电开关动作时的视在功率为100~200μVA，作为电磁式漏电开关它可以直接驱动脱扣器动作。而对于额定漏电动作电流为5、6mA，其互感器二次绕组感应电压很小，因此需采用电子放大器将信号放大，然后驱动脱扣器工作，这样形成电子式漏电开关。

4 脱扣器
如前所述现用漏电开关的脱扣器有释放式和拍合式〔6〕，前者用于电磁式漏电开关，后者用于电子式漏电开关。图3是两种脱扣器结构示意图。

拍合式脱扣器用于电子式漏电开关，它由衔铁、铁芯、绕组、轭铁构成。除绕组外其它部件由软磁材料制成，由于对其输入信号要求低，故用一般电工钢即可。该种脱扣器制造工艺简单，成本低。
释放式脱扣器由弹簧1，分磁板2，气隙3，永磁体4，磁轭5，绕组6及衔铁7组成。其磁路为交直流混合磁路，且“并联”。这是一种高灵敏度脱扣器，脱扣功率约100~200μVA。
当电路正常运行无触电漏电时互感器二次绕组无输出信号，永磁体的磁力克服弹簧拉力把衔铁吸合到轭铁的极面上，弹簧被拉伸。当发生触漏电时，互感器二次绕组有信号输出，轭铁上的激磁绕组有电流流过，如果由该电流产生的磁通与永磁体磁通方向一致，衔铁仍保持吸合状态，若相反则抵削了永磁体的磁通，其合力小于弹簧拉力时，衔铁迅速释放。弹簧恢复原状。对于50Hz市电，正负一周波为20ms，因此衔铁释放（脱扣）在10~20ms之间。当然切断电源总时间还包括触电信号检测时间、开关机构断开时间及电弧燃烧时间。由于触电时电流可达数百mA，因此要求尽快切断电流，所以脱扣器制造要求严、精度高。

5 漏电开关用磁性材料的选择
5.1互感器铁芯材料的选用
互感器的灵敏度α根据磁路理论可由（2）式计算〔7〕：

其中：、分别为互感器一、二次侧绕组匝数；、分别为互感器激磁阻抗和二次阻抗；Φ为互感器二次总功率损耗角。
注意上式是在忽略互感器激磁损耗及二次漏抗下的结果。
由上式不难看出互感器灵敏度在一、二次绕组匝数确定时，与、有关，、越大，则灵敏度越高。激磁阻抗有如下关系：
=ω
其中μ是铁芯的磁导率；S铁芯的截面积；L铁芯的平均磁路长度。
由上式不难看出在给定铁芯尺寸后，构成铁芯材料的磁导率μ越大，一次匝数越多，其就越大，这样互感器的灵敏度就越高，也就是说，在相同的漏电动作电流下，二次绕组感应电势越大，则灵敏度就高。由此可见互感器铁芯所用材料对其灵敏有极重要影响。
同其它电器装置一样，漏电开关也是向小型轻量化方向发展，故互感器铁芯应尽量小，一般三极漏电开关磁芯孔径为20~40mm，高灵敏度单极的孔直径10mm，这样一次绕组匝数就受到限制，现一般为2~3匝，有的仅1匝，即电源线从互感器孔穿过。因此相同灵敏度的互感器铁芯应选用高性能的软磁合金，特别是防止人身触电的高灵敏度漏电开关，额定漏电流 5mA~10mA，其铁芯的激磁场仅有1A/m左右，所以要求使用具有高初始磁导率μ0、最大磁导率μm及低矫顽力Hc软磁合金。
高Ni坡莫合金经适当热处理后具有高μ0、高μm及低Hc的特性。继坡莫合金后二十世纪八十年代又开发出非晶态合金，其原子结构呈无序状态，因此矫顽力极小，磁导率与坡莫合金相当，甚至更高，而且它的电阻率很高，其铁损小。这两种合金均适用作互感器铁芯。
表2列出了常用的几种软磁合金性能及应用范围。


图4示出适用于制造漏电开关铁芯的两种坡莫合金和非晶合金的磁性能比较〔10〕。实际上，目前互感器铁芯晶态坡莫合金多用1J77A，其磁性能较1J85、1J79还好，且Ni含量还少；非晶态合金多用Fe-Ni基的。
众所周知，坡莫合金互感器铁芯的生产工艺比较复杂，且要求严格。在经过真空冶炼、铸造、锻造、热轧以及冷轧后得到所要求厚度的薄带后，还要经过剪切→打毛→卷绕、涂层→热处理→封装→检验等工序。涂层的薄厚及均匀性以及铁芯卷绕的松紧对于铁芯的填充系数有直接关系。而填充系数又影响铁芯二次绕组的感应电压大小，即直接关系到互感器的灵敏度。热处理制度的选择对于铁芯磁特性影响至关重要。为了提高材料初始磁导率，一般采用在氢气保护下的高温（1100~1200oC）中退火，保温及快冷等工艺。上述工艺目的是消除冷加工中应力感生各向异性，净化材料，使磁晶各向异性常数→0从而获得高初始磁导率。此外由于坡莫合金对应力极为敏感，因此在热处理后，要轻拿轻放，封装、检测时也要格外小心以免使磁性降低，影响互感器灵敏度。综上坡莫合金互感器铁芯制造工艺复杂、要求严格、价格贵，所以使漏电开关成本提高。
继坡莫合金后又开发了非晶态合金在漏电开关的应用。非晶态合金由于特殊的生产方法具有如下特点：利用急冷法由熔体合金一次成形薄带，省去了坡莫合金真空冶炼、铸造、锻造、热轧、冷轧、热处理一套复杂的传统工艺。非晶态的特殊加工法，使其金属原子排列处于无序状态，磁晶各向异性=0，磁致伸缩系数又很小，非晶态合金具有很高的磁导率和极低的矫顽力，磁性能优于坡莫合金，如图4所示及表2所列。由于加工工艺简单，Fe基非晶含Ni量又少所以其价格比坡莫合金降低30％~50％。故成为互感器铁芯理想材料，主要用于生产电子式，高灵敏度漏电开关。
用非晶态合金（Fe-Ni）制成的互感器铁芯，因非晶合金μm高于坡莫合金一个数量级，且矫顽力较坡莫合金小，所在同样尺寸、匝比，配同样脱扣器情况下非晶合金铁芯灵敏度高。对于要求相同灵敏度的漏电开关可减少一次绕组匝数，从而可相应减小漏电开关体积。
对互感器（铁芯）除要求高灵敏度外，还要求过载特性强，温度稳定性、时效性好〔11〕〔12〕，这样漏电开关才能稳定可靠的工作。实验表明，过载特性1J85、1J77A和Fe-Ni基非晶合金都是随着冲击电流增加，即铁芯磁化场增强，过载能力就好。当磁化场小于2A/m下其过截能力由强到弱顺序是1J77A、1J85、Fe-Ni非晶合金。但随着磁化场继续增加Fe-Ni基非晶合金过载能力优于1J85，这是由于非晶合金磁导率急剧增加，所以过载能力明显改善。在漏电动作的激磁场范围内三种合金的过载能力η≤10％，完全满足需要。温度稳定性方面非晶合金在低磁化场下较坡莫合金差，但随磁场增加三种合金的稳定系数均小于15％，能满足漏电开关要求。温度时效性方面低场下依然是非晶为差，但也满足漏电开关要求。出现上面情况主要与合金结构有关。
5.2脱扣器用磁性材料
前面已介绍漏电开关有拍合式、释放式两种脱扣器，前者用于电子式漏电开关，后者用于电磁式漏电开关。拍合式脱扣器的动作信号是来自（电子）放大器，其结构简单，衔铁、轭铁及铁芯用材性能要求一般，用电工钢，如冷轧硅钢制成。释放式脱扣器为高灵敏度脱扣器，其工作状态如图5所示。
释放式脱扣器是带永磁体的极化机构，动作功率100~200μVA，是一种高灵敏度脱扣器，它要求抗电磁、电源电压波动性好，能经受10倍额定电流冲击而动作电流不变。

图5示出了三种状态下的磁路，不难看出该磁路是永磁磁路与电磁磁路的混合磁路，且两者“并联”。图5a为无漏电情况下闭合状态；图5b为漏电瞬时，但直流磁通与交流瞬时磁通同向，衔铁被紧吸合于轭铁极面；图5c为两磁通方向相反时，衔铁瞬时断开状态。
这种脱扣器所用永磁体一般为磁能积适中的铝镍钴系列的、，也有用稀土钴永磁，如、的，其性能如表3所列〔13〕〔14〕。

衔铁、轭铁及分磁板由坡莫合金制成，常用1J85。

6 开发新软磁材料适应漏电开关发展
漏电开关生产近年来有很大发展，每年都有数百万台投入市场。其发展方向是高灵敏度、高可靠稳定性，多品种。上面主要介绍了常用的电流动作型漏电开关及其互感器铁芯、脱扣器工作特性及使用的材料，随着漏电开关的发展，目前已开发出漏电动作电流为5、6mA的高灵敏度漏电开关，国外已大量生产，国内也已研制开发。这种高灵敏度漏电开关体积小，可以直接装于电源插头中，在手持电动工具中使用极为方便，可以起到防止人身触电的重要作用。这些漏电开关的互感器铁芯除用坡莫合金、非晶态合金外，近年又采用了一种Fe基纳米晶软磁材料〔10〕，其磁特性与坡莫合金（1J85）相比，示于图6。图可知Fe基纳米晶合金磁性能优于坡莫合金。此外根据实验它的过载能力、温度及时效稳定性也更好，故可以满足高灵敏度漏电开关的需求，再者电子式漏电开关中的放大器已由早期的分立元件发展为集成元件，进而发展为适应高交谐波浪涌的集成元件。因此这此材料、新元件的采用使漏电开关向小型、微型化发展。

另外在现代电气设备中常用直流电源，如直流电机调速，需用单相或三相可控硅整流供电系统。该系统输出的直流是经半波或全波整流后的脉动直流（输出电压大小可变）。这种电源就不能用交流漏电开关，因为直流的单极性使互感器铁芯仅在一个方向磁化，即工作于磁化曲线的第一象限，所以要获取大的互感二次感应电势，就必须△B=B-Br尽量大，这样就要求铁芯材料具有饱和磁感Bs高，剩磁感Br低的特点，即这种软磁合金的磁滞回线应为扁平形。为此目的就必须调整合金成分，改进生产工艺，如采用横磁场处理，铁芯采多层卷绕技术以增加气隙等。以此满足该类型漏电开关的技术指标。■
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