低壓直流斷路器時間常數(shù)探討

王興利 趙科達 胡浪濤 潘禮云

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低壓直流斷路器時間常數(shù)探討

王興利 趙科達 胡浪濤 潘禮云

（浙江天正電氣股份有限公司，浙江 溫州 325604）

直流供配電系統(tǒng)應用越來越廣泛，時間常數(shù)是直流供配電系統(tǒng)以及低壓直流斷路器的重要參數(shù)，對直流斷路器分斷電流性能影響很大，不同的直流應用領域，其負載的時間常數(shù)不同，直流供配電系統(tǒng)保護斷路器應選擇直流專用產(chǎn)品，時間常數(shù)也是直流斷路器設計、試驗和選擇的重要參數(shù)依據(jù)，只有適應相關的時間常數(shù)，直流斷路器才能確保每一次分斷都做到精確的保護和極致的安全。

直流供配電系統(tǒng)；低壓直流斷路器；時間常數(shù)；影響

隨著電力電子技術、電動汽車以及風力發(fā)電、光伏發(fā)電為代表的各種分布式電源及新能源系統(tǒng)迅猛發(fā)展，同時隨著全球能源革命和各國能源戰(zhàn)略轉型升級，直流供配電系統(tǒng)逐漸成為電力能源供應的重要組成部分。直流負荷日益增多，使直流供配電系統(tǒng)達到迅速發(fā)展，低壓直流斷路器是直流供配電系統(tǒng)的重要保護原件，起著隔離、故障跳閘和保護線路及其他電力設備的關鍵作用，在直流供配電系統(tǒng)中應用直流斷路器是直流配電系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，直流供配電系統(tǒng)發(fā)展對低壓直流斷路器的需求也越來越多，要求也越來越高。

直流供配電系統(tǒng)和交流供配電系統(tǒng)存在明顯區(qū)別，如：①直流電路在分斷電流時不存在過零點，在開斷電流時必須強制熄滅燃弧才能斷開電流；②直流網(wǎng)絡容量小，短路電流小，利用電動力斥開效果分斷電流效果不明顯；③光伏直流供配電系統(tǒng)中光伏陣列的電流特性為恒流源，分斷困難；④具有陰極電位低、電流密度高、電磁輻射等。這給直流供配電系統(tǒng)中直流斷路器分斷電流帶來巨大困難，同時直流供配電系統(tǒng)對直流斷路器的電壓要求越來越高，如要求用于光伏系統(tǒng)斷路器額定電壓達到1500V，使其分斷電流更加困難；直流負載回路中電容、電感元件多，分斷時容易引起磁、電能量轉換，對分斷電流性能影響明顯，直流供配電系統(tǒng)中由于電感元件等的存在必須要考慮時間常數(shù)問題，時間常數(shù)對直流斷路器的分斷能力影響很大，不同的直流供配電系統(tǒng)其時間常數(shù)也不同，時間常數(shù)也是設計和選擇直流斷路器的重要參數(shù)依據(jù)。

1 直流電路及時間常數(shù)

直流電路主要由直流電源、感性負載、阻性負載及直流斷路器等保護原件組成。圖1是直流電路等效電路圖，在直流斷路器等開關未分斷前電路處于穩(wěn)態(tài)，其初始狀態(tài)電流為a=/。直流電路中電感屬于儲能元件，直流斷路器由于隔離、過載或短路等原因分斷電路燃弧時，電路中電阻在電弧燃燒時消耗電弧能量，電感同電源作用相同向電路和電弧中釋放其線圈儲存的能量使電弧持續(xù)燃燒，電感越大，釋放的能量越大，電弧越難熄滅；相反電感越小，電弧越容易熄滅。

圖1 直流電路等效電路圖

直流斷路器在分斷直流電流過程中需要吸收存儲在電感中的大量能量，直流斷路器分斷直流電流還需要考慮時間常數(shù)（time constant）。時間常數(shù)是表征電路瞬態(tài)過程中響應變化快慢的物理量，在國標GB/T 10963.2《家用和類似場所用過電流保護斷路器 第2部分：用于交流和直流的斷路器》及GB/T 10963.3《家用和類似場所用過電流保護斷路器 第3部分：用于直流的斷路器》中對時間常數(shù)進行了定義：預期直流電流上升到0.63倍最大峰值電流時的時間=/（ms）（如圖2所示）；電路的時間常數(shù)間接表示了電路的負載性質和電路電感的大小，反映的是系統(tǒng)中電抗和阻抗的比例，在電路中，電流總是由初始值按指數(shù)規(guī)律單調的衰減到零，電路的時間常數(shù)越小其響應變化就越快，反之就越慢。

圖2 直流時間常數(shù)

時間常數(shù)是直流斷路器進行帶電操作性能（電壽命）、過載性能、臨界負載電流試驗、短路分斷能力試驗等考核項目的重要參數(shù)，對分斷直流電流性能影響較大。直流供配電系統(tǒng)出現(xiàn)短路故障時，斜率與系統(tǒng)的時間常數(shù)也有關，在一定的預期短路電流范圍內(nèi)，同樣的預期短路電流下，時間常數(shù)越大，燃弧時間越長，且呈線性變化；在同樣的時間常數(shù)和電弧電壓a下，增大預期電流，受電動斥力等影響，分斷速度快，燃弧時間反而縮短。由于電感能限制電流突變，時間常數(shù)越大電流的變化越慢，在實際應用中斷路器分斷短路電流越困難；當時間常數(shù)為零時為純阻性負載，電弧最容易熄滅。

2 不同應用領域直流供配電系統(tǒng)時間常數(shù)及其確定

不同應用領域的直流供配電系統(tǒng)存儲在電路電感中的能量不同，其時間常數(shù)也不同，直流電源按短路電流狀況不同可分成3類，其時間常數(shù)也不同：①柔性電源，如幾乎沒有短路電流的近似恒電流電源的光伏系統(tǒng)，其電源電壓DC 300～1500V，其線路時間常數(shù)≤1ms；②電網(wǎng)供電的電動汽車充電樁、輕軌列車、大容量能量存儲中的直流電源。其中電動汽車電壓為DC 300～950V，電流為100～400A，短路電流為15～30倍額定電流，線路時間常數(shù)≤5ms；輕軌列車電壓為DC 750V，電流為10～200A，短路電流為10～100倍額定電流，線路時間常數(shù)=15ms；大容量能量存儲電壓為DC 300～800V，電流為200～1000A，短路電流為10～50倍額定電流，線路時間常數(shù)≤2ms；③混合式電源，如數(shù)據(jù)中心、微電網(wǎng)、核電站等，其電壓為DC 300～900V，電流為10～1000A，短路電流為2～30倍額定電流，線路時間常數(shù)=2～15ms。

目前尚無精確的方法確定直流供配電系統(tǒng)時間常數(shù)，GB/T 14048.1《附錄F短路功率因數(shù)或時間常數(shù)確定》中用以下方法之一確定試驗電路的功率因數(shù)或時間常數(shù)：根據(jù)直流分量或輔助發(fā)電動機確定功率因數(shù)或時間常數(shù)；用波形圖法確定短路時間常數(shù)，即電路校正波形圖上升曲線上相應于縱坐標0.632倍最大峰值電流的橫坐標即為時間常數(shù)值，與時間常數(shù)定義基本一致。

3 不同類別直流斷路器時間常數(shù)

時間常數(shù)對直流斷路器分斷電流性能影響甚大，直流斷路器設計制造企業(yè)、試驗單位、使用企業(yè)等對時間常數(shù)關注和研究日益提高。直流斷路器目前主要應用在以下不同的領域：①電力行業(yè)的變電站和發(fā)電廠直流屏等保護；②冶金鋼鐵的二次側直流屏和直流電動機保護；③電信行業(yè)的直流蓄電池和直流配電屏等保護；④港口船舶的港口大型直流電動機和船用推進電動機設備保護；⑤鐵路系統(tǒng)中車廂用電保護；⑥光伏發(fā)電中線路和設備保護等。不同使用場所的直流斷路器要求有不同的時間常數(shù)，在具體的直流斷路器國家標準中對相應時間常數(shù)都有明確規(guī)定。

圖3 一種直流塑殼斷路器分斷能力試驗“O”試驗示波圖

GB/T 34581《光伏用直流斷路器通用技術要求》規(guī)定：電氣操作性能試驗、臨界直流負載電流試驗、額定極限短路分斷能力和額定運行短路分斷能力等試驗的時間常數(shù)為1ms，若制造商有說明，則可使用更高的值，并應記錄在試驗報告中。集中式大型光伏電站在我國應用比較廣泛，從電池板到直流匯流箱、匯流箱到逆變器距離較遠，甚至有上百米距離，從其直流匯流箱中直流斷路器到逆變器距離也較遠，電纜都較長，以及電纜的直徑和布置情況等都可能使電感量發(fā)生變化，對時間常數(shù)影響較大，使實際時間常數(shù)很難確定，目前工程應用可以根據(jù)電站具體情況確定時間常數(shù)范圍，一般為1～4ms比較合理，光伏直流側基本無感性負載。

4 結論

時間常數(shù)是直流供配電系統(tǒng)以及直流斷路器的重要參數(shù)，對直流供配電系統(tǒng)中直流斷路器分斷電流性能影響很大，鑒于直流供配電系統(tǒng)的特殊性，目前尚無精確的方法確定時間常數(shù)。不同的直流應用領域，其負載的時間常數(shù)不同，對直流斷路器的保護要求也更為苛刻，直流電路保護斷路器應選擇直流專用產(chǎn)品，除根據(jù)直流供配電系統(tǒng)的具體情況確定低壓直流斷路器的額定電壓、額定電流和分斷能力等外技術指標外，時間常數(shù)還是直流斷路器設計、試驗和選擇的重要參數(shù)依據(jù)，只有適應相關的時間常數(shù)直流斷路器，才能確保每一次分斷都做到精確的保護和極致的安全。

[1] 中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局, 中國國家標準化管理委員會. GB/T 14048.1—2012. 低壓開關設備和控制設備 第1部分: 總則[S].

[2] 中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局, 中國國家標準化管理委員會. GB/T 14048.2—2008. 低壓開關設備和控制設備 第2部分:斷路器[S].

[3] 中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局, 中國國家標準化管理委員會. GB/T 10963.2—2008. 家用和類似場所用過電流保護斷路器 第2部分: 用于交流和直流的斷路器[S].

[4] 中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局, 中國國家標準化管理委員會. GB/T 10963.3—2016. 家用和類似場所用過電流保護斷路器 第3部分: 用于直流的斷路器[S].

[5] 中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局, 中國國家標準化管理委員會. GB/T 34581—2017. 光伏用直流斷路器通用技術要求[S].

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Discussion on the time constant of low-voltage DC circuit-breaker

Wang Xingli Zhao Keda Hu Langtao Pan Liyun

(Zhejiang Tengen Electric Co., Ltd, Wenzhou, Zhejiang 325604)

DC power supply and distribution system is more and more widely used, the time constant is a DC power supply and distribution system and the important parameters of low voltage DC circuit-breaker, breaking current performance has great effect on DC circuit-breakers, DC requirements of different applications, different time constants, the DC power supply and distribution system protection circuit-breaker should choose DC special products, important parameters according to the time constant is the DC circuit-breaker design, test and choice, only to choose the proper time constant, DC circuit-breaker can ensure that every time breaking do accurate safety protection and perfection.

DC power supply and distribution system; low-voltage DC circuit-breaker; time constant; influence

2018-03-16

王興利（1973-），男，安徽六安人，本科，高級工程師，主要從事電氣技術研發(fā)及管理工作。