直流塑殼斷路器限流技術和滅弧室設計

余姚市供電局 葛文姚

0 引言

塑殼斷路器是低壓電器中使用廣泛的一種保護電器，有交流型和直流型兩種，其中交流型塑殼斷路器應用量較大而且應用范圍廣，以其性能優(yōu)越、使用方便、價格合理，被廣泛地應用在建筑工程、工廠配電等多種場合。隨著我國通信電源和光伏發(fā)電行業(yè)的快速增長，對直流型塑殼斷路器的需求也相應提高。各生產(chǎn)廠家相繼開發(fā)直流塑殼斷路器，如何在保持外形體積不變的前提下提高直流塑殼斷路器的分斷能力也成為各廠家技術人員的技術難點。其中提高塑殼斷路器的限流能力是提高分斷能力的常用手段。

1 直流塑殼斷路器的限流

塑殼斷路器在分斷短路電流時會產(chǎn)生電弧，這個迅速增長的電弧，通常稱為“動態(tài)電弧電阻”。維持電弧的穩(wěn)定燃燒需要一定的電壓，而“動態(tài)電弧電阻”相當于在電路中串聯(lián)一個電阻。滅弧室內(nèi)電弧被分成多個短電弧使電弧電壓迅速上升，當電弧電壓超過電源電壓的值，使得電源電壓無法維持電弧，從而完成熄弧限制短路電流。

由于直流電無過零點，所以直流塑殼斷路器在分斷電弧時較難，所以提高直流塑殼斷路器的限流能力是直流塑殼斷路器的設計關鍵。斷路器的限流方法有利用電斥力型觸頭限流、進步電弧靜態(tài)伏—安特性法等。各個限流技術都有優(yōu)點和缺點，合理選擇限流方法非常重要，在設計時應綜合應用。

1.1 電斥力型觸頭

電斥力型觸頭是常用而有效的一種限流方法，其原理為利用電流導向相斥將動觸頭斥開，提前引出電弧，抑制短路電流的增大。電斥力型觸頭有兩種結(jié)構(gòu)：動觸頭單斥開和動靜觸頭雙斥開（見圖1、圖2），250A殼架以下塑殼斷路器的觸頭系統(tǒng)就是此種結(jié)構(gòu)，普通型為單斥開結(jié)構(gòu)，高分斷型為雙斥開結(jié)構(gòu)。如圖1當短路電流來臨時動觸頭會因電斥力而被斥開。圖2當短路電流來臨時動觸頭和靜觸頭都會因電斥力而向上下兩個方向斥開。相比較圖2結(jié)構(gòu)限流效果更好，但斷路器的高度會增高。此種結(jié)構(gòu)的設計要點是動觸頭要有卡住結(jié)構(gòu)，即防止動觸頭跌落引起觸頭燒蝕熔焊。

圖1 動觸頭單斥開

圖2 動靜觸頭雙斥開

1.2 進步電弧靜態(tài)伏—安特性法

通常采用去離子柵法、絕緣柵法、窄縫法等。去離子柵法就是利用金屬柵片把電弧分割成若干個互相串聯(lián)的短弧，利用短弧的壓降來進步電弧電壓而使電弧熄滅；絕緣柵法:即柵片是絕緣的，其作用是導出電弧的熱量，以進步電弧的弧柱壓，同時，柵片將電弧分割成若干段的短弧，每一柵片就是短弧的電極，同時產(chǎn)生很多個陽極壓降和陰極壓降，對直流電弧而言，利用近極處的電弧電壓降加弧柱的電壓降一起滅??；窄縫法，通常采用多重窄縫，這樣，可以減少電弧進入上部窄縫的阻力，因而在驅(qū)動電弧運動的電磁力給定時，可以采用比單窄縫滅弧室更小的縫隙，一方面可將電弧直徑壓縮，使電弧同縫隙壁緊密接觸；另一方面，也使電弧面積增加，長度增長，這些都進一步加強了冷卻和去游離的作用，使電弧熄滅；以上這些方法通常綜合使用，以取得更好的限流分斷的效果。

2 直流塑殼斷路器的金屬柵片式滅弧室設計

此種滅弧室為金屬柵片式滅弧室，采用三聚氰胺板作為兩側(cè)絕緣板，冷軋鋼片作為柵片組成，滅弧室內(nèi)腔采用狹縫和上下錯開設計。 當電弧進入滅弧室內(nèi)被柵片切割為串聯(lián)的短電弧，每一個短電弧各有正負兩極電壓，總的電弧電壓會增加，當電弧電壓大于觸頭間恢復電壓，電弧將熄滅，如圖3所示。

圖3

電弧電壓

式中，U為電弧電壓；N為被柵片分割后的短電弧數(shù)量； U0為近極壓降；E為電弧電場強度；L為電弧長度。式（1）表明，增加串聯(lián)的短電弧數(shù)量N和電弧的長度L可有效增大電弧電壓。

2.1 滅弧室金屬柵片設計

柵片選擇1.5～2.5mm的冷軋鋼板，柵片間隙2～5mm之間，表面鍍鎳處理，也可鍍鋅處理，但實驗證明表面鍍鎳處理對滅弧更有效。柵片數(shù)量根據(jù)產(chǎn)品的體積和分斷能力有所不同。250A殼架產(chǎn)品，Icu=25kA的直流塑殼斷路器柵片數(shù)量設計為8片和13片兩種，對比試驗表明柵片數(shù)為13片的滅弧效果明顯比8片效果好。當然柵片的數(shù)量選擇并非越多越好。當斷路器尺寸確定后，滅弧室的柵片數(shù)量過多會導致柵片間隙過小，對電弧進入滅弧室產(chǎn)生很大阻力，導致電弧將柵片燒毀。

2.2 滅弧室的絕緣支撐板設計

滅弧室的絕緣支撐板既起到支撐滅弧室的金屬柵片的作用，同時也起到隔弧的作用。材料的選擇至關重要，在大短路電流分斷時會產(chǎn)生氣體，有利于氣吹滅弧，主要有環(huán)氧玻璃布板和三聚氰胺板等。三聚氰胺板在耐電弧、耐熱等方面優(yōu)于環(huán)氧玻璃布板，但價格較高。

3 直流塑殼斷路器的接線設計

由于直流電流不像交流有過零點的特性，直流的短路電流（甚至倍數(shù)不大的故障電流）的開斷；電弧的熄滅都有困難，特別是DC 500V以上的直流塑殼斷路器，由于電壓較高，電弧熄滅更困難。因此產(chǎn)品的設計接線應采用串聯(lián)的辦法，增加斷口，使各斷口承擔一部分電壓和電弧能量。配合滅弧室可提高產(chǎn)品的分斷能力。圖4、圖5為常見串聯(lián)接線方式。

圖4 三極直流塑殼斷路器串聯(lián)接線方法

圖5 四極直流塑殼斷路器串聯(lián)接線方法

4 結(jié)束語

本文針對直流塑殼斷路器的限流方法和直流塑殼斷路器滅弧室的設計的關鍵點做簡要介紹，同時闡述直流塑殼斷路器的幾種接線設計。

[1]陳德桂.低壓斷路器的開關電弧與限流技術[M].北京：機械工業(yè)出版社,2007.

[2]連理枝.低壓斷路器設計與制造[M].北京：中國電力出版社,2003.