交流斷路器在直流電路中的應用

吳曉雪

摘要：直流熄弧電流不存在自然的過零點，必須強制過零才能熄滅直流電弧，在直流電路中一般以交流斷路器代替直流斷路器提高分斷能力。結(jié)合西安地鐵二號線EPS事故照明裝置交流斷路器在直流電路中的實例，分析交流斷路器在直流回路中的實際應用。

關(guān)鍵字：交流斷路器 直流電路 熄弧

一、直流電路應用

1.附件

交流斷路器中含有分勵脫扣器、欠電壓脫扣器、電動操作機構(gòu)等附件。分勵、欠電壓脫扣器均為電壓線圈，只要電壓值一致，不需要做任何改變，就可用于直流系統(tǒng)。輔助、報警鋤頭，交直流通用。電動操作機構(gòu)，用于直流電路中需重新設計。

2.保護特性

2.1過載長延時保護特性

（1）熱動式（雙金屬元件脫扣器）

熱動元件采用熱雙金屬材料制成，通過雙金屬元件本身，或其傍側(cè)的電阻發(fā)熱元件，或雙金屬元件與電阻發(fā)熱元件串聯(lián)通電發(fā)熱，使雙金屬受熱膨脹，變形彎曲來推動斷路器跳閘，以切斷電路。由于直流電流平均值與交流的有效值的發(fā)熱效果是相同的，因此交流與直流基本上無變化。但當額定電流大于1500A時，因集膚效應等因素，交流電流有效值產(chǎn)生的熱量要大于直流，但影響不是太大，所以熱動式的雙金屬元件脫扣器用于直流是不需要作任何更改的。

但是熱動式中的有一些規(guī)格，如額定電流600A及以上采用CT式（電流互感器式），利用互感器的副邊電流供給雙金屬元件或發(fā)熱元件作發(fā)熱源，則不可能用于直流電路。

（2）全電磁式

全電磁式脫扣器的交流的斷路器在直流電路中使用時，動作特性要變化。考慮直流電源絕大部分經(jīng)交流整流和濾波后所得，整定值變化的范圍為110%—140%原動作電流。

2.2 瞬時脫扣器

采用電磁鐵作電磁脫扣器（瞬時動作脫扣器）斷路器，其瞬動電流整定值將有所變化，變化率取決于直流的波形。一般交流斷路器工廠瞬時脫扣值是按照有效值整定的，但實際上交流斷路器瞬時脫扣器是螺管線圈的構(gòu)造，它的脫扣電流是峰值電流，為有效值的1.414倍?？紤]對于經(jīng)交流整流、濾波的直流電路特點，其電流值對應交流有效值，短路電流不存在類似交流的峰值問題，所以交流斷路器在直流電路中應用時，瞬時脫扣值應乘以一個系數(shù)，約1.4。

2.3電子式脫扣器

無論是過載長延時或是短路瞬時，原按交流50Hz設汁的電子式脫扣器都無法使用在直流電路。

3.接線方式

50Hz交流電流每秒鐘有100次的電流過零點，在此瞬間無電流，即使斷路器的動、靜觸頭間有電壓（如是純電感或純電容負載，i=0時U最大；純電阻負載，i=0，U=0），電弧也比較容易熄滅。但直流電流無過零點這一特性，電弧切斷有相當大的困難。直流電路的電壓越高，電弧電壓大于電源電壓的熄弧條件越難滿足，電弧越不容易熄滅，故使用交流斷路器于直流電路作保護電器時，必須采取多斷點的接線方式。

3.1交流斷路器多斷點連接有以下兩個作用：

（1）在分斷直流短路電流時，相當在電路中增加若干個電弧動態(tài)電阻，電弧電阻起到對短路電流的限流作用，同時也提高電弧的燃弧電壓和減小電路的時間常數(shù)，從而可提高斷路器的直流分斷能力。

（2）降低每一弧隙電壓。例如，兩極斷路器串聯(lián)在250V的直流電源中，每弧隙電壓為125V，減少了1/2電壓，即燃弧時，弧隙電弧減少了1/2的能量，這樣有利與電弧的熄滅。

3.2 斷點接線圖

多斷點的接線方式有兩種，一是串聯(lián)，二是并聯(lián)。

二、實際應用

西安地鐵二號線EPS事故照明裝置工作原理：市電正常給負載供電時，充電機將交流電整流成電池組充電所需達到的充電電壓，加載至電池組“+”、“-”兩極。當市電不能正常供電時，啟動逆變器工作，將電池組“+”、“-”兩極之間的直流電壓逆變成交流電壓。

EPS事故照明裝置電池組逆變電路中未使用直流斷路器，而是采用交流斷路器，運用多斷點接線方式將電池組“+”極3極串聯(lián)，提高直流分斷能力。

1.交流斷路器選型

交流斷路器作用電池組直流電源的過流保護時，選型三要點：工作電流、額定短路能力、工作電壓。以鳳城五路站EPS事故照明裝置為例（電池組41節(jié)容量135Ah，電池組電壓548V，電池組內(nèi)阻2.7mΩ/節(jié)）說明。

（1）選擇斷路器的工作電流。I=U/Z，Z為電路和設備阻抗，Ri=0.0027*41=0.1Ω為電池內(nèi)阻Z=Ri+R=U/I，當R》mRi，Ri可忽略不計。R約為10Ω，I=548/10=54.8A，可選擇額定電流為63A、100A的斷路器。

（2）選擇斷路器的額定短路能力。Icu=U/Ri=548/0.1=5.5KA，可選擇10 kA或20kA的直流短路保護能力的斷路器。

也可近似計算所選用的斷路器的短路保護能力，用公式Ics=KC，C為電池容量，單位為Ah，K為系數(shù)，10≤K<20，一般選擇10，但不超過20。C=135，K取10，Ics=13.5KA，選擇20kA的直流短路保護能力的斷路器。

（3）選擇斷路器的工作電壓。根據(jù)電池的放電電壓？決定所選擇斷路器的工作電壓，斷路器的額定工作電壓要大于電池組的放電電壓。放電低壓為548V，可選擇額定電壓為690V的斷路器。

故鳳城五路站EPS事故照明裝置電池組“+”極交流斷路器選擇ABB S1N125R100，額定工作電流100A，額定短路能力20KA，工作電壓690V。

2.交流斷路器接線方式選擇

交流斷路器串聯(lián)極數(shù)選擇使用取決于直流工作電壓和直流供電系統(tǒng)。選擇原則：

（1）串聯(lián)的極數(shù)和直流電源電壓成正比，直流電壓越高，需要交流斷路器的串聯(lián)極數(shù)越多。同一直流電源電壓下，串聯(lián)的極數(shù)越多，斷路器的直流分斷能力越高。

（2）一般直流電源電壓在60V及以下時，選擇單極斷路器即可，在125V時可以選擇使用2？極串聯(lián)，在250V及以上時可以選擇3極或4極串聯(lián)使用，以提高斷路器的分斷能力。

（3）串聯(lián)后的直流短路分斷能力要遠高于交流斷路器本身的分斷能力。若無需過高分斷能力可根據(jù)負載和電路電壓的情況減少斷路器的串聯(lián)極數(shù)。

鳳城五路站EPS事故照明裝置電池組電池組電壓548V，在250V以上可以選擇3極或4極串聯(lián)使用。3極串聯(lián)時單極承受電壓180V左右，4極串聯(lián)時單極承受電壓130V左右，但回路中不需要過高分斷能力，故實際選擇斷路器3極串聯(lián)方式使用。

三、總結(jié)

結(jié)合交流斷流器在直流電路中的應用特點，分析直流供電系統(tǒng)、負載阻抗和短路電流等特性，交流斷路器應用于直流電路中要注意以下幾點：（1）改變電流保護整定值。（2）提高分斷能力，選擇合適的多斷點串聯(lián)或并聯(lián)連接方式。

參考文獻：

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