一種采用雙斷點(diǎn)觸頭系統(tǒng)的新型塑殼斷路器

趙瑞峰 上海人民電器廠 (200072）

趙瑞峰 (1983年～), 男, 2006年加入上海人民電器廠，目前從事塑殼斷路器設(shè)計(jì)工作。

0引 言

塑料外殼式斷路器廣泛應(yīng)用在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域中，是低壓電器重要的基礎(chǔ)元件。當(dāng)線路中發(fā)生過載、短路和欠電壓故障時(shí)，塑殼斷路器可以對(duì)正在運(yùn)轉(zhuǎn)中的工業(yè)用電設(shè)備、民用電氣設(shè)備、電源設(shè)備起到相應(yīng)的保護(hù)作用。從20世紀(jì)90年代中期開始，國際上一些著名的電氣公司陸續(xù)推出了新一代塑殼斷路器產(chǎn)品。新產(chǎn)品在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、智能化、網(wǎng)絡(luò)化方面有較大突破。它們?cè)诎踩?、可靠性、?jīng)濟(jì)性、智能化和環(huán)保要求等方面更能適應(yīng)現(xiàn)代電網(wǎng)的需求。

1 塑殼斷路器的結(jié)構(gòu)與分類

1.1 塑殼斷路器的結(jié)構(gòu)

塑殼斷路器是一種能夠關(guān)合、承載和開斷正常回路條件下的電流，并能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)承載和開斷異?；芈窏l件(包括短路條件)下的電流的開關(guān)裝置。其一般由觸頭系統(tǒng)、滅弧系統(tǒng)、操作機(jī)構(gòu)、脫扣器、外殼等構(gòu)成。

圖1 塑殼斷路器結(jié)構(gòu)

1.2 塑殼斷路器的分類

按操作方式分為有電動(dòng)操作、儲(chǔ)能操作和手動(dòng)操作

按極數(shù)分為三極和四極

按安裝方式分：有插入式、固定式和抽屜式等

按接線方式分：板前接線和板后接線

按脫扣器的型式和特性分類：

(1)分勵(lì)脫扣器

分勵(lì)脫扣器為附件，由用戶單獨(dú)選配。

(2)欠電壓脫扣器

欠電壓脫扣器為附件，由用戶單獨(dú)選配。

(3)過電流脫扣器

(4)剩余電流脫扣器

剩余電流脫扣器按脫扣時(shí)間分有二種型式：非延時(shí)型、延時(shí)型。

剩余電流脫扣器按脫扣形式分有三種型式：脫扣、脫扣報(bào)警、報(bào)警不脫扣。

2 塑殼斷路器的應(yīng)用

塑殼斷路器適用于交流50Hz或60Hz，額定電流從16A至1250A，額定絕緣電壓750V，額定工作電壓690V及以下配電網(wǎng)絡(luò)，一般作為配電保護(hù)用。殼架額定電流630A及以下的斷路器亦可作為保護(hù)電動(dòng)機(jī)之用。在正常情況下，斷路器可分別作為線路的不頻繁轉(zhuǎn)換及電動(dòng)機(jī)的不頻繁起動(dòng)之用。

在低壓配電系統(tǒng)中，塑殼斷路器的應(yīng)用非常廣泛，它一般用于配電饋線控制和保護(hù)、小型配電變壓器的低壓側(cè)出線總開關(guān)，動(dòng)力配電終端控制和保護(hù)以及住宅配電終端控制和保護(hù)，也可用作各種生產(chǎn)機(jī)械的電源開關(guān)。

塑殼斷路器的保護(hù)功能由欠壓脫扣器、過電流脫扣器、分勵(lì)脫扣器等脫扣器來實(shí)現(xiàn)。欠壓脫扣器用來監(jiān)視工作電壓的波動(dòng)，當(dāng)電網(wǎng)電壓降低至70%～35%額定電壓或電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，斷路器可立即分?jǐn)?，在電源電壓低?5%額定電壓時(shí)，能防止斷路器閉合。分勵(lì)脫扣器用于遠(yuǎn)距離遙控分?jǐn)鄶嗦菲?。過電流脫扣器可分為熱過載脫扣器和短路脫扣器，用于防止過載和負(fù)載側(cè)短路。

傳統(tǒng)的塑殼斷路器采用熱動(dòng)式脫扣控制方式，利用負(fù)荷電流的熱效應(yīng)使雙金屬片受熱彎曲產(chǎn)生變形控制脫扣。由于雙金屬片的形狀結(jié)構(gòu)和熱變形精度難以保證，因而斷路器脫扣延時(shí)時(shí)間難以精確控制，斷路器斷流精度不高。智能化脫扣器的使用，不僅可以提高保護(hù)精度，還可以提供三段保護(hù)：長延時(shí)、短延時(shí)和瞬時(shí)保護(hù)。三段保護(hù)的實(shí)現(xiàn)可以使選擇性保護(hù)成為可能。帶通信接口的智能化斷路器可用在現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)中，可與多種現(xiàn)場(chǎng)總線或工業(yè)以太網(wǎng)聯(lián)接組成智能化配電監(jiān)控系統(tǒng)。

圖2 帶三段保護(hù)特性的選擇型斷路器的特性曲線

保護(hù)電動(dòng)機(jī)用斷路器，在400V配電網(wǎng)絡(luò)中用作鼠籠型電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和運(yùn)轉(zhuǎn)中分?jǐn)嗉捌溥^載、短路和欠電壓保護(hù)，額定電流160A及以下還可作缺相保護(hù)。

帶剩余電流保護(hù)的斷路器可以作為人身觸電和設(shè)備漏電保護(hù)之用，也防止因設(shè)備絕緣損壞，產(chǎn)生接地故障電流而引起的火災(zāi)危險(xiǎn)。

3 塑殼斷路器的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

3.1 國內(nèi)塑殼斷路器現(xiàn)狀

我國20世紀(jì)90年代中期以來開發(fā)的一系列塑殼斷路器產(chǎn)品在產(chǎn)品性能以及技術(shù)指標(biāo)有了長足進(jìn)步和突破，基本能滿足目前低壓電網(wǎng)的要求。但這些產(chǎn)品基本上是以仿制、改進(jìn)為主，在結(jié)構(gòu)、技術(shù)、材料和性能指標(biāo)方面只能相當(dāng)于國外老一代產(chǎn)品。與國外新一代塑殼斷路器產(chǎn)品比較有較大差距，主要表現(xiàn)在：

(1)短路分?jǐn)嗄芰Σ粔蚋摺?/p>

國內(nèi)產(chǎn)品Icu多為70~80kA，而Ics僅為50%~60%Icu，運(yùn)行可靠性不夠好。

(2)結(jié)構(gòu)仍為敞開式，未采用模塊化結(jié)構(gòu)，短路分?jǐn)嘣囼?yàn)時(shí)金屬粒子卡死機(jī)構(gòu)和燒斷彈簧的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。

(3)產(chǎn)品體積較大，技術(shù)經(jīng)濟(jì)落后。

(4)電子線路可靠性較差，損壞率比較高。

(5)附件性能可靠性較差，尤其是欠電壓脫扣器運(yùn)行中比較容易失效

3.2 塑殼斷路器的發(fā)展趨勢(shì)

隨著現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)、智能化技術(shù)、可靠性技術(shù)、測(cè)試技術(shù)的發(fā)展以及新工藝的出現(xiàn)，未來塑殼斷路器在技術(shù)上和功能上都會(huì)有很大的提高。微機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字通信技術(shù)以及人工智能技術(shù)在低壓電器中的應(yīng)用，智能電器將會(huì)從簡(jiǎn)單的采用微機(jī)控制取代傳統(tǒng)繼電器功能的單一封閉裝置，發(fā)展到具有完整的理論體系和多學(xué)科交叉的電器智能化系統(tǒng)。這將成為電氣工程領(lǐng)域中電力開關(guān)設(shè)備、電力系統(tǒng)繼電保護(hù)、工業(yè)供配系統(tǒng)及工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)新的發(fā)展方向。

(1)高性能、高可靠、小型化

新型塑殼斷路器的高性能除了提高其主要技術(shù)性能外，重點(diǎn)追求綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，除了提高短路分?jǐn)嗄芰ν?，特別關(guān)注飛弧距離的減小，同時(shí)要求小型化。這對(duì)發(fā)展新一代緊湊型低壓成套開關(guān)設(shè)備十分重要。

(2)電器智能化、電子化

電器智能化是以智能電器這種有形產(chǎn)品為基礎(chǔ)建立的相關(guān)學(xué)科知識(shí)及應(yīng)用技術(shù)的系統(tǒng)集成。隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的同步發(fā)展，智能電器經(jīng)歷了半導(dǎo)體、電子式、智能式等幾個(gè)階段。目前，隨著專用集成電路和高性能的微處理器的出現(xiàn)，智能斷路器、智能控制保護(hù)器、智能接觸器等功能完善的智能電器元件和智能型配網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將應(yīng)運(yùn)而生。

未來脫扣器的智能化不僅體現(xiàn)在可實(shí)現(xiàn)長延時(shí)、短延時(shí)、瞬時(shí)過流保護(hù)、接地、欠保護(hù)等保護(hù)功能、可顯示電壓、電流、頻率、有功功率、無功功率、功率因數(shù)等系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)。而且具備更強(qiáng)的分析能力和綜合能力。另外，由于在供電系統(tǒng)中大量使用軟起動(dòng)器、變頻器、電力電子調(diào)速裝置、不間斷電源等裝置，使電網(wǎng)和配電系統(tǒng)中出現(xiàn)大量的高次諧波，而模擬式電子脫扣器一般只反映故障電流的峰值，造成斷路器在高次波的影響下發(fā)生誤動(dòng)作。帶微處理器智能化斷路器反映的是負(fù)載電流的真實(shí)有效值，因此可避免高次諧波的影響。

(3)智能電器網(wǎng)絡(luò)化

近年來, 現(xiàn)場(chǎng)總線的出現(xiàn)給工業(yè)自動(dòng)化帶來了革命性的變革?，F(xiàn)場(chǎng)總線是一種造價(jià)低、可靠性強(qiáng)并適合工業(yè)環(huán)境使用的通信系統(tǒng)，僅需要一根雙芯電纜，使布線非常簡(jiǎn)單，減少了安裝維護(hù)費(fèi)用。

將智能電器—中央控制設(shè)備、智能電器與智能電器之間，通過總線連接起來，在低壓配電系統(tǒng)和電動(dòng)機(jī)控制中心統(tǒng)一就形成了一個(gè)智能化監(jiān)控、保護(hù)與信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。這種系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：當(dāng)系統(tǒng)中電器設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，通信電器與現(xiàn)場(chǎng)總線器能夠顯示故障信號(hào)，便于排除故障，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行；系統(tǒng)傳輸?shù)男盘?hào)量增加，提高了系統(tǒng)自動(dòng)化程度；信號(hào)傳輸?shù)木忍岣?，保證了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。因此，這種系統(tǒng)使操作人員在控制室中能夠方便地控制各種現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，并且能夠及時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行情況,處理各種故障。

4 新一代塑殼斷路器

在低壓輸配電網(wǎng)絡(luò)中, 塑殼斷路器是重要的基礎(chǔ)元件之一。一般應(yīng)用于那些經(jīng)常會(huì)發(fā)生用電設(shè)備過載、短路的場(chǎng)合，它們能安全、可靠地切斷故障電流，防止事故擴(kuò)大危及到整個(gè)輸配電系統(tǒng)。國際上一些著名的電氣公司已經(jīng)推出新一代產(chǎn)品，其主要技術(shù)特征為：高性能的觸頭滅弧系統(tǒng)、模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、智能化脫扣器、安裝方式簡(jiǎn)便多樣，與現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行通訊等。

4.1 高性能觸頭接觸系統(tǒng)

新一代塑殼斷路器廣泛采用了轉(zhuǎn)動(dòng)式雙斷點(diǎn)觸頭接觸系統(tǒng)（見圖3）。這種新型雙斷點(diǎn)觸頭系統(tǒng)，加強(qiáng)了短弧度近陰極效應(yīng)，具有較高的電弧電壓，便于提高分?jǐn)嗄芰Γ⑹∪ボ涍B接，從而提高了運(yùn)行可靠性和電氣機(jī)械壽命。兩個(gè)觸頭的電動(dòng)斥力迭加，可使斥開速度大大提高，并且轉(zhuǎn)動(dòng)式雙斷點(diǎn)結(jié)構(gòu)在有限的空間內(nèi)加大了觸頭開距，從而提高短路分?jǐn)嗄芰?。為了防止交流電流過零時(shí)，電流減小時(shí)觸頭回彈或重新閉合，斷路器專門設(shè)計(jì)了觸頭斥開卡住自鎖結(jié)構(gòu)，使觸頭斥開后卡住在最大斥開位置，待操作機(jī)構(gòu)動(dòng)作后方能使卡住機(jī)構(gòu)解鎖。觸頭斥開卡住機(jī)構(gòu)配合快速動(dòng)作的操作機(jī)構(gòu)，可以使塑殼斷路器在幾個(gè)ms之內(nèi)完成斷路電流分?jǐn)?，大大提高了短路分?jǐn)嗄芰Α?/p>

圖3 轉(zhuǎn)動(dòng)式雙斷點(diǎn)觸頭及卡住機(jī)構(gòu)

4.2 全封閉觸頭滅弧結(jié)構(gòu)

將U形靜觸頭、轉(zhuǎn)動(dòng)式雙斷點(diǎn)動(dòng)觸頭及其支撐件、觸頭彈簧、金屬柵片滅弧室、導(dǎo)磁體等封閉于一個(gè)塑料盒內(nèi)，每一極為一個(gè)獨(dú)立單元，通過聯(lián)動(dòng)桿組合成三極或四極觸頭，其結(jié)構(gòu)見圖4。

應(yīng)用全封閉觸頭滅弧結(jié)構(gòu)，可以將生弧瞬間產(chǎn)生的強(qiáng)大氣流引導(dǎo)到特別設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，應(yīng)用氣體壓力脫扣新技術(shù)，加速機(jī)構(gòu)脫扣，提高短路分?jǐn)嗄芰?。我們?cè)O(shè)計(jì)了一種兩側(cè)厚度不對(duì)稱，并且把靜觸頭作為嵌件壓制在塑料件內(nèi)的新型全封閉觸頭滅弧腔體，使動(dòng)、靜觸頭接觸更加可靠。

新一代塑殼斷路器的觸頭滅弧系統(tǒng)基本上采用封閉式的結(jié)構(gòu)，把單相動(dòng)靜觸頭和滅弧室罩一起用耐電弧的塑料材料封閉起來，形成一個(gè)封閉結(jié)構(gòu)。封閉式的觸頭滅弧系統(tǒng)與傳統(tǒng)的敞開式結(jié)構(gòu)比較有以下明顯優(yōu)點(diǎn)：

(1)可以有效地防止短路分?jǐn)鄷r(shí)產(chǎn)生的金屬粒子噴濺到操作機(jī)構(gòu)，造成機(jī)構(gòu)卡死或燒斷主彈簧；

(2)有效地防止熾熱的金屬噴濺到動(dòng)靜觸頭彈簧，燒斷彈簧或使彈簧退火；

(3)防止電弧反吹而不能進(jìn)入滅弧室，影響短路電流分?jǐn)啵?/p>

(4)在封閉的腔體內(nèi)產(chǎn)生電弧時(shí)，空氣壓力急劇上升產(chǎn)生強(qiáng)大的氣流加速電弧冷卻并向噴弧口噴出，有利于電弧的熄滅；

(5)保證相間絕緣。

圖4 封閉式的觸頭模塊

4.3 產(chǎn)品小型化和模塊化

在具備相同功能、相近體積的前提下新一代塑殼斷路器與國內(nèi)各電器公司的塑殼斷路器相比，各項(xiàng)主要技術(shù)性能指標(biāo)均有了很大提高，真正實(shí)現(xiàn)了高性能情況下的小型化。

斷路器本體由觸頭滅弧系統(tǒng)模塊、脫扣器模塊、操作機(jī)構(gòu)系統(tǒng)和塑料外殼四部分組成。同一殼架產(chǎn)品熱磁脫扣器和智能脫扣器外形尺寸統(tǒng)一設(shè)計(jì)?？梢詫?shí)現(xiàn)同一電流殼架等級(jí)下脫扣器互換。

4.4 采用智能型脫扣器

電子脫扣器是微電子、計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)的結(jié)合,具有傳統(tǒng)熱磁脫扣器不可比擬的優(yōu)勢(shì)。脫扣特性穩(wěn)定，不受環(huán)境溫度及氣候的影響，脫扣電流和時(shí)間的精度較高，整定電流可調(diào),可設(shè)置不同的特性曲線以適應(yīng)各種負(fù)載保護(hù)的要求，可以派生通信功能,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化控制。還可派生區(qū)域聯(lián)鎖、電量監(jiān)控及電能分析等輔助功能。新一代塑殼斷路器均可安裝電子脫扣器,并逐漸向160A及以下的小容量額定電流殼架發(fā)展。

智能脫扣器基本功能有：

過電流保護(hù)：過載長延時(shí)反時(shí)限，短延時(shí)反時(shí)限，短延時(shí)定時(shí)限，短路瞬時(shí)動(dòng)作。

脫扣器整定電流（Ir）可調(diào)，可由用戶自行設(shè)定。

短延時(shí)動(dòng)作電流可調(diào)，可由用戶自行設(shè)定。

用戶可選擇配電保護(hù)或電動(dòng)機(jī)保護(hù)切換。

預(yù)警功能：負(fù)載電流為整定電流（Ir）的70%～90%LED燈閃爍；超過115%，IED燈點(diǎn)亮。

過熱保護(hù)：當(dāng)脫扣器溫度>85℃時(shí)，斷路器脫扣斷開。

缺相保護(hù)：設(shè)定為電動(dòng)機(jī)保護(hù)，當(dāng)一相電流與三相電流平均值之值達(dá)到20%時(shí)，斷路器自動(dòng)斷開。

智能脫扣器派生功能：

(1)通信接口：可與多種現(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)以太網(wǎng)連接，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量、自動(dòng)控制

(2)接地故障保護(hù)

(3)脫扣原因顯示

(4)液晶顯示和觸摸式控制。

圖5 RMM2通訊模塊

4.5 具有剩余電流脫扣器

剩余電流脫扣器由零序電流互感器、電子線路和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，剩余電流脫扣器要提高剩余電流保護(hù)的可靠性，擴(kuò)大應(yīng)用范圍。

(1)正弦交流剩余電流和含有直流分量的剩余電流都能可靠動(dòng)作的A型產(chǎn)品。

(2)剩余動(dòng)作電流和動(dòng)作時(shí)間可調(diào)：0.03～10A、0～300ms。

(3)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方指示剩余電流動(dòng)作脫扣。

剩余電流脫扣器設(shè)計(jì)為獨(dú)立模塊，需要時(shí)拼接在斷路器下側(cè)。應(yīng)用靈活、方便。

圖6 RMM2L-250/4剩余電流保護(hù)器

5 結(jié) 語

目前，我國正在致力于建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)可靠、自愈、安全、經(jīng)濟(jì)、清潔的智能電網(wǎng)。

智能電網(wǎng)要求低壓電器產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)智能化、網(wǎng)絡(luò)化。新一代塑殼斷路器在智能化，網(wǎng)絡(luò)化方面有了很大提高，功能更加完善、性能更加優(yōu)良、可靠性更好。借著智能電網(wǎng)的東風(fēng)，新一代塑殼斷路器一定能很好的推廣，而新型塑殼斷路器的廣泛使用，也可以為智能電網(wǎng)提供更好的保障。