剩余电流互感器设计中应注意的一些问题
1 剩余电流互感器的矢量图
剩余电流互感器的主要功能是检测通过互感器铁心的主电路(一次回路)的剩余电流（接地故障电流），并将一次回路的剩余电流变换成二次回路的输出电压。二次回路输出电压直接，或通过信号放大装置将信号放大以后施加到剩余电流脱扣器的脱扣线圈上，使脱扣器动作。剩余电流互感器工作性能直接影响剩余电流保护电器的性能和可靠性。剩余电流互感器一次回路和二次回路的电流与电压关系的矢量图见图1。
图1 剩余电流互感器电流和电压关系的矢量图
图1中N 1为互感器一次回路导线，对贯穿式环形互感器，即为穿过互
感器主电路的导线；N 2为二次回路导线，通常缠绕在环形铁心上，一次回路
和二次回路通过铁心实现电磁耦合；I 1为一次回路的电流；I 2为二次回路的电流；I 0为铁心的磁化电流，E 2为二次回路的感应电压，θ为二次回路的电
流滞后角。根据矢量图，一次回路的电流、二次回路的电流及铁心的磁化电流之间的关系见式(1)和式(2)
I 1
I 2
N 1 N 2 E 2 Z 2
E 2
N 1I 1 N 2I 2
N 2I 2 N 1I 0 Φ θ θ
N 1I 1＝N 2I 2+N 1I 0 （1）
N 1I 1＝22222201)cos ()sin (θθI N I N I N ++ (2)
由式（2）可得出：
I 1＝1
2
N E 22
22222021)cos ()sin (θθZ N Z N N Z N ++ (3) 式中E 2为二次回路感应电压，Z 0为激磁阻抗，Z 2为二次回路阻抗。
由式（3）可以看出，在N 1、N 2等参数确定的条件下，相对于一次回路确
定的电流值I 1，要提高二次回路的感应电压E 2，应尽可能提高互感器的激
磁阻抗Z 0。
根据磁路定律，铁心的激磁阻抗由下式所示：
Z 0＝l S
N μω21 (4)
式中μ为铁心的导磁率，l 为铁心磁路的平均长度，S 为铁心截面积，ω为电源角频率。
2 提高互感器检测灵敏度和可靠性的措施
剩余电流互感器应具有高的检测灵敏度和检测可靠性。
2.1 提高检测灵敏度的措施
a) 选用高导磁率的材料
剩余电流互感器检测的电流范围一般从几个毫安至几百毫安，而互感器一次回路导线由于受到主电路导线截面积的限制往往只有一匝或几匝，激磁安匝较小。互感器是处在弱磁场的条件下工作，这就要求互感器的铁心具有较高的导磁率，尤其是要求有较高的初始导磁率。剩余电流互感器的铁心一般采用高导磁率的铁镍软磁合金制成，例如1J85，其最大导磁率μm
可大于0.628 H/m，初始导磁率μ0也可达0.0628 H/m以上，特别适合于在弱磁场条件下工作，可以制成高灵敏度的剩余电流互感器。
近年来也有些产品采用高导磁率的非晶态或微晶态合金材料制造剩余电流互感器，非晶和微晶合金材料具有较高的导磁率，铁心加工及热处理的工艺要求较低，成本也相应较低，但其材料的稳定性相对铁镍软磁合金还有差距。对于剩余动作电流较大的其它剩余电流保护电器，例如剩余电流继电器等，也可以采用硅钢片、铁淦氧等其它高导磁材料制造的互感器铁心。
b) 提高互感器的激磁阻抗
根据式(3)可知，剩余电流互感器的检测灵敏度还与互感器的激磁阻抗有关，即与一次回路的匝数N1、铁心的截面S和磁路平均长度l等有关。增加一次回路匝数、增大铁心截面尺寸和减少磁路平均长度都能提高检测灵敏度。但一次回路匝数受到主回路温升及结构的限制不能过多，即使额定电流较小的剩余电流保护电器一般也不会大于5-6匝。额定电流较大的剩余电流保护电器，一次回路只能采用穿心式，不可能增加匝数。而增大铁心截面尺寸和减少磁路长度又受到几何尺寸的限制，应根据剩余电流保护电器的结构综合进行考虑。
2.2 提高检测可靠性的措施
剩余电流互感器的检测可靠性与互感器铁心的材料、结构及加工工艺有关。
a) 提高互感器的平衡特性
从理论上讲，当没有接地故障时，通过互感器一次回路的每相电流在铁
心中产生的磁通应相互抵消，剩余电流互感器的二次回路应该没有输出。实际上，由于漏磁通的存在、一次回路导线布置不对称和互感器铁心周边方向导磁率的不均匀，即使主电路没有接地故障时，一次回路电流产生的磁通也不会完全抵消，二次回路就有一个微弱残留信号输出。随着主回路工作电流的增大，不平衡的程度也会增大，尤其是电动机或用电设备起动时产生的大起动电流作用下，残留输出信号也会增大，甚至导致剩余电流保护电器误动作。为此，要尽量减少残留输出信号，因此要求剩余电流互感器的一次回路导线尽量对称布置，磁回路的截面和导磁率均匀对称，以减少漏磁通的影响。互感器铁心形状一般为圆环形，采用带材卷绕或用板材冲成环形薄片重叠而成，并采用适当的屏蔽层对互感器的铁心进行屏蔽，以减少漏磁通的影响。对于大电流等级的剩余电流保护电器，因为额定电流较大，起动电流可达到几千安培，漏磁通的影响更为明显，必须采用更为完善的屏蔽措施，才能达到平衡特性的要求。
图2为某一型号剩余电流断路器互感器的结构，主要由铁心、绝缘罩壳、二次回路线圈、试验回路线圈、绝缘片、屏蔽片、屏蔽圈、二次回路和试验回路线圈引出线和绝缘外壳等组成。整个互感器铁心，包括二次回路线圈、试验回路线圈和屏蔽等用环氧树脂封装在一个绝缘外壳中，二次回路线圈和试验回路线圈通过引出线引出。
1－屏蔽圈 2－屏蔽片 3－绝缘外壳 4－罩壳 5－屏蔽圈
6－线圈 7－罩壳
8－铁心 9－罩壳 10－绝缘片 11－环氧树脂 12－二次回路
和试验回路引出线
图2 剩余电流断路器互感器的典型结构
b) 提高铁心材料的温度稳定性
剩余电流保护电器要求在基准温度和极限温度下，其动作特性均应符合规定的要求。因此必须考虑温度变化对互感器特性的影响。如果温度变化时，导磁率或饱和磁感应密度产生较大的波动，有可能引起动作特性产生较大的波动，使剩余电流动作特性在极限温度下超出规定的要求。因此要选用具有较高的温度稳定性的高导磁率的软磁合金材料，防止温度变化引起动作特性的变化。
c) 减小铁心材料的矫顽力
在电路故障产生短路电流时，会对互感器产生较大的磁冲击，由于剩磁
A 放大
