基于限流分?jǐn)嗨軞嗦菲鞯脑O(shè)計(jì)應(yīng)用

黃和平 顧章平 吳 斌 馮學(xué)禮 江華華 黃林弟

（1.浙江正泰儀器儀表有限責(zé)任公司 2.浙江正泰電器股份有限公司）

0 引言

隨著世界工業(yè)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，用電、輸電、配電及發(fā)電快速增長(zhǎng)的用電網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)用電容量爆炸式的增長(zhǎng)，傳統(tǒng)限流塑殼斷路器越來(lái)越不能滿足不斷增大的短路電流分?jǐn)?、接通、承載的要求，目前常見的傳統(tǒng)限流塑殼斷路器，在擴(kuò)容分?jǐn)鄬?shí)驗(yàn)中觸頭導(dǎo)電回路中熱雙金斷裂和觸頭熔斷問(wèn)題是主要失效模式，傳統(tǒng)限流塑殼斷路器中針對(duì)觸頭熔斷分析研究的成果很多，例如以陳德貴、連理枝、陳修祥、張鐵、錢柜、李廣利等于同時(shí)間段在行業(yè)雜志發(fā)表了相關(guān)的論文成果，針對(duì)觸頭熔斷的成因就是觸頭導(dǎo)電系統(tǒng)在額定分?jǐn)鄷r(shí)間內(nèi)，實(shí)際產(chǎn)生的短路電流大于限流分?jǐn)嚯娏?，?dòng)靜觸頭之間產(chǎn)生的分?jǐn)嚯娀崃看笥谙蘖髟释芰?，其?duì)策措施采用限流線、限流電阻、雙斷點(diǎn)、雙滅弧、VJC，蒸汽噴射等限流技術(shù)手段［1－5］，經(jīng)多年的研究和廣泛應(yīng)用，技術(shù)相對(duì)成熟，積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。相對(duì)分?jǐn)鄬?shí)驗(yàn)中觸頭導(dǎo)電回路中熱雙金熔斷和軟聯(lián)結(jié)與雙金焊接連接面處拉斷問(wèn)題的研究和對(duì)策較少，除雙金焊接連接面處拉斷主要是分?jǐn)鄤?dòng)作對(duì)軟聯(lián)結(jié)產(chǎn)生剪切作用造成外，其熱雙金熔斷的成因與觸頭熔斷相同（由短路分?jǐn)嚯娏骱徒油娏鞯臒嵝?yīng)累計(jì)所致）；借鑒現(xiàn)有成熟技術(shù)、采用簡(jiǎn)單緊蹙結(jié)構(gòu)、開發(fā)小體積、長(zhǎng)壽命、低成本、快速分?jǐn)?、高分?jǐn)嗄芰Α⒏呦蘖髂芰?、低允通能量的中等限流效?yīng)的（5～30A）直熱式結(jié)構(gòu)塑殼斷路器，替代現(xiàn)有傳統(tǒng)限流塑殼斷路器、同時(shí)解決現(xiàn)有（5～30A）傳統(tǒng)限流塑殼斷路器雙金熔斷和觸頭熔斷問(wèn)題，63～1600A限流能力曲線，是國(guó)內(nèi)制造研發(fā)廠家研究的課題和熱點(diǎn)之一。

1 塑殼斷路器分?jǐn)嗯c限流技術(shù)原理

塑殼斷路器的分?jǐn)嗉夹g(shù)是指：在額定分?jǐn)鄷r(shí)間與額定分?jǐn)嚯娏鲀删S度坐標(biāo)系內(nèi)，以比預(yù)期更短的分?jǐn)鄷r(shí)間，與比預(yù)期短路電流更小的實(shí)際限制短路電流相乘，得到的容積內(nèi)，實(shí)際限制短路電流和電弧最高電壓，比預(yù)期短路峰值電流和預(yù)期短路峰值電壓，更快的上升、更早的出現(xiàn)、限制短路電流最快的速度終止流通、限制短路電流作為分?jǐn)嚯娏鏖_全可靠的消除電弧，消耗最小容積的分?jǐn)嚯娏麟娀∧芰浚拗贫搪冯娏鬟^(guò)零點(diǎn)時(shí)，塑殼斷路器的動(dòng)觸頭與靜觸頭呈絕緣性質(zhì)的分閘狀態(tài)（見圖1）。

圖1 限流分?jǐn)嗉夹g(shù)原理圖

在短路發(fā)生產(chǎn)時(shí)，當(dāng)短路電弧的阻抗接近實(shí)際短路回路阻抗時(shí)，首先要更快地提高短路分?jǐn)嚯娏鞣逯岛拖拗贫搪贩逯惦妷?，比預(yù)期短路峰值電流和預(yù)期短路峰值電壓更早的到來(lái)，通過(guò)限制短路電流的增長(zhǎng)速度，所通過(guò)的限制電流，低于預(yù)期的短路電流值的能力稱為塑殼斷路器的限流能力。

1.1 評(píng)價(jià)限流塑殼斷路器分?jǐn)嘟油芰?biāo)準(zhǔn)

GB14048.2規(guī)定了塑料外殼式斷路器的額定短路分?jǐn)嗄芰煞N能力電流評(píng)價(jià)：額定極限短路分?jǐn)嚯娏鱅CS和額定運(yùn)行短路分?jǐn)嚯娏鱅CU。ICS與ICU獲得實(shí)驗(yàn)條件與關(guān)系見表1。

表1 ICS與ICU的實(shí)驗(yàn)條件與關(guān)系示例

經(jīng)按實(shí)驗(yàn)條件實(shí)驗(yàn)（包括型式實(shí)驗(yàn)報(bào)告），ICS符合ICU符合規(guī)定的標(biāo)椎比例關(guān)系的限流塑殼斷路器，ICS均是合格有效短路分段能力的。

分?jǐn)嗄芰πｒ?yàn)：在實(shí)際的應(yīng)用支路中，分?jǐn)喾謹(jǐn)嗄芰σ越?jīng)濟(jì)可靠性優(yōu)選ICU大于或等于Imaxsc安裝點(diǎn)預(yù)期最大短路電流。

1.2 評(píng)價(jià)限流塑殼斷路器接通能力標(biāo)準(zhǔn)

在解決傳統(tǒng)限流塑殼斷路器熱雙金熔斷，除要考核短路分?jǐn)嗄芰Φ腎CS外，還要考核短路接通能力，考核指標(biāo)短路電流峰值的熱穩(wěn)定性（見表2）。熱穩(wěn)定性指標(biāo)包括三要素：額定短時(shí)耐受電流IK、額定峰值耐受電流Ip、額定短時(shí)持續(xù)時(shí)間tk。 即：

表2 實(shí)驗(yàn)電流、電流Ip、峰值系數(shù)、cosφ、時(shí)間常數(shù)

提高分?jǐn)嗄芰χ饕獜奶岣呦蘖髂芰χ?，設(shè)計(jì)具有高限流效應(yīng)的電動(dòng)斥力機(jī)構(gòu)，同時(shí)，在外形縮小以后，保留盡可能大的滅弧空間，有效控制電弧反向轉(zhuǎn)移游離氣體外逸。

限流選擇型斷路器是低壓斷路器重要發(fā)展方向之一，它的意義不僅在于斷路器本身，而且能大幅度降低低壓成套配電裝置動(dòng)、熱穩(wěn)定性要求。對(duì)發(fā)展新一代緊湊型低壓配電裝置十分有利。

2 中等限流電動(dòng)斥力機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)中等限流電動(dòng)斥力機(jī)構(gòu)目的與措施

為了解決某一傳統(tǒng)塑殼斷路器5～30A殼架電流63A的小規(guī)格產(chǎn)品（直熱式結(jié)構(gòu)產(chǎn)品）在升容125A／330010～63A的過(guò)程中，分?jǐn)嘣囼?yàn)時(shí)存在熱雙金屬燒斷情況，采用上進(jìn)線靜觸頭導(dǎo)電回路增大限流電阻、U型限流線、U型與L型復(fù)合限流線、增設(shè)引弧腳伸進(jìn)滅弧罩措施（見圖3）。達(dá)到中等限流目的，降低熱雙金屬與動(dòng)觸頭導(dǎo)電回路與靜觸頭導(dǎo)電回路的Ip電流與熱效應(yīng)（A2s）。

圖2 為傳統(tǒng)限流塑殼斷路器的靜觸頭結(jié)構(gòu)，圖3是在圖2的基礎(chǔ)上改進(jìn)后的限流型靜觸頭結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 改進(jìn)前靜觸頭示意圖

圖3 改進(jìn)后的靜觸頭示意圖

2.2 中等限流電動(dòng)斥力機(jī)構(gòu)分析

如圖4、圖5所示，建立的峰值耐受電流Ip，與F·L組成電動(dòng)斥力力矩，組成的中等限流電動(dòng)斥力機(jī)構(gòu)，其原理是在動(dòng)觸頭熱雙金導(dǎo)電回路與平行的靜觸頭導(dǎo)電回路在正常有電位差的兩點(diǎn)之間，發(fā)生一起阻抗極小的故障引起的電流，稱為短路電流。短路電流經(jīng)線圈的勵(lì)磁作用，產(chǎn)生放大的峰值耐受電流Ip，Ip經(jīng)平行導(dǎo)電回路產(chǎn)生電動(dòng)斥力F，電動(dòng)斥力F與Ip在熱雙金上產(chǎn)生的熱彎曲驅(qū)動(dòng)脫扣機(jī)構(gòu)，將動(dòng)觸頭圍繞旋轉(zhuǎn)軸與靜觸頭2～5ms，在2～5mm之間將電弧熄滅，電流過(guò)零點(diǎn)，動(dòng)觸頭與靜觸頭恢復(fù)絕緣狀態(tài)的可靠分?jǐn)嗪兔摽?。熱雙金的工作特性：長(zhǎng)延時(shí)1.35In延時(shí)10min內(nèi)脫扣。為了防止熱雙金的熔斷，必須嚴(yán)格設(shè)定分?jǐn)嗄芰退彩矫摽墼O(shè)定；限制在預(yù)期電流峰值 到來(lái)之前，Ip和熱效應(yīng)（A2s）加以限制。

圖4 中等限流電動(dòng)斥力機(jī)構(gòu)示意圖

圖5 中等限流電動(dòng)斥力分?jǐn)嗟刃щ娐穲D

2.3 上進(jìn)線靜觸頭導(dǎo)電回路限流電阻分析

為了分析動(dòng)靜觸頭電動(dòng)力矩，對(duì)則取動(dòng)靜觸頭為目標(biāo)分析模型，其余零部件作阻抗處理，結(jié)合表3與圖4，計(jì)算動(dòng)靜觸頭導(dǎo)電回路電阻；動(dòng)觸頭旋轉(zhuǎn)軸開始的旋轉(zhuǎn)力矩L取33.26mm。

表3 中等限流電動(dòng)斥力機(jī)構(gòu)材料電阻值

傳統(tǒng)動(dòng)靜觸頭導(dǎo)電回路電阻＝靜觸點(diǎn)與靜觸板接觸電阻（0.024Ω·m）＋動(dòng)觸點(diǎn)與動(dòng)觸·板接觸電阻（0.006Ω·m）＋圖4所示材料電阻值（17.515Ω·m）＝17.545Ω·m。

改進(jìn)后的動(dòng)靜觸頭導(dǎo)電回路電阻＝靜觸點(diǎn)與靜觸板接觸電阻（0.024Ω·m）＋動(dòng)觸點(diǎn)與動(dòng)觸·板接觸電阻（0.006Ω·m）＋接線板與限流線接觸電阻（0.044Ω·m）＋圖4所示材料電阻值（17.515Ω·m）＝17.589Ω·m。

2.4 中等限流短路電流分?jǐn)鄶嗦菲鞯刃щ娐方?/h3>

式中，L為動(dòng)觸頭旋轉(zhuǎn)軸開始的旋轉(zhuǎn)力矩，mm；d為動(dòng)觸頭與靜觸頭通電間距，mm。

結(jié)合圖1、圖4、圖5，分析電動(dòng)斥力機(jī)構(gòu)在接通到分?jǐn)?～5ms內(nèi)完成0～5mm的動(dòng)觸頭與靜觸頭的分?jǐn)?，?jì)算電動(dòng)斥力F與分?jǐn)嚯娏鱅p；按2.176mm的動(dòng)觸頭與靜觸頭通電間距計(jì)算：L電感遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于線路電阻R，在電弧電壓從0上升到等于電源電壓例如440V，電弧電流達(dá)到最大值，當(dāng)電弧電壓大于電源電壓例如440V，分?jǐn)嚯娏鱅p開始下降直至到0，整個(gè)過(guò)程在5～6ms完成。

2.5 （5～30A）直熱式塑殼斷路器改進(jìn)前與改進(jìn)結(jié)果對(duì)比

根據(jù)式（2）、式（3）計(jì)算得表4內(nèi)容。

表4 （5～30A）直熱式塑殼斷路器改進(jìn)前與改進(jìn)后短路電動(dòng)力矩、短路電流、熱能量結(jié)果對(duì)比

由表4所示：改進(jìn)后與改進(jìn)前相比，短路電動(dòng)力矩以及短路電流均減小。

3 中等限流特性斷路器功能設(shè)計(jì)

3.1 直熱式塑殼斷路器過(guò)載不報(bào)警設(shè)計(jì)

過(guò)載報(bào)警不脫扣功能根據(jù)國(guó)標(biāo)GB50054要求，新設(shè)計(jì)過(guò)載報(bào)警不脫扣功能，即當(dāng)線路發(fā)生過(guò)載故障時(shí)不是馬上切斷電路，而是發(fā)出一個(gè)報(bào)警信號(hào)，使用戶根據(jù)需求處理故障，從而保證重要負(fù)載供電連續(xù)性，滿足用戶特殊需求。該功能由基座、拉桿、熱脫扣器、轉(zhuǎn)換開關(guān)、導(dǎo)線、螺釘組成，如圖6所示。

圖6 中等限流過(guò)載不報(bào)警機(jī)構(gòu)示意圖

3.2 中等限流熱磁保護(hù)可調(diào)功能設(shè)計(jì)

一般塑殼斷路器過(guò)載，短路保護(hù)都是在生產(chǎn)廠家整定校驗(yàn)合格后，供用戶使用，用戶不能自行調(diào)整保護(hù)參數(shù)。如遇負(fù)載容量變化，氣溫升高斷路器會(huì)出現(xiàn)誤動(dòng)現(xiàn)象。為解決用戶需求，設(shè)計(jì)了熱磁保護(hù)可調(diào)功能，長(zhǎng)延時(shí)調(diào)節(jié)范圍在額定電流的（0.7～1.0）In，瞬時(shí)特性調(diào)節(jié)范圍在額定電流的（6～12）In可調(diào)。這樣用戶可根據(jù)用電實(shí)際情況調(diào)整開關(guān)保護(hù)特性。新功能由支架、拉桿、旋鈕、牽引桿、彈簧、螺釘、銜鐵面蓋組成，如圖7所示。

圖7 中等限流熱磁保護(hù)可調(diào)功能機(jī)構(gòu)示意圖

3.3 中等限流漏電啟停功能設(shè)計(jì)

漏電斷路器的功能是當(dāng)線路出現(xiàn)漏電故障時(shí)切斷電路的保護(hù)開關(guān)。正常情況下，發(fā)生漏電故障，產(chǎn)品會(huì)馬上斷開。但在特殊情況下，負(fù)載不需斷開電路且保持連續(xù)供電，可暫時(shí)關(guān)閉漏電保護(hù)功能或如光伏組串，斷相保護(hù)單路控制功能［6］，只完成斷路器的功能。漏電啟停功能正是按此需求設(shè)計(jì)，當(dāng)出現(xiàn)特殊故障時(shí)，只需按下紅色按鈕，便可正常供電。漏電故障解決后，再輕按紅色按鈕，又回復(fù)漏電保護(hù)功能。該功能為供電連續(xù)性，穩(wěn)定性提供保障，為用戶提供更多選擇。啟停功能由漏電斷路器本體、線路板、脫扣器、零序電流互感器、面蓋、按鈕、導(dǎo)線組成。

4 中等限流斷路器限流特性曲線

被限制短路電流限流曲線（63～1600A）如圖8所示。

圖8 63～1600A限流曲線

被限制短路能量曲線（63～1600A）如圖9～圖14所示。

圖9 63A／125A能量線

圖14 1250A／1600A能量線

圖10 160A能量線

圖12 400A／630A能量線

圖13 800A／1000A能量線

ICS值由IEC60947－2標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，并通過(guò)測(cè)試加以保證。

測(cè)試程序如下：

1）連續(xù)分?jǐn)嚯娏?次，分?jǐn)嚯娏鳎?00%ICU

2）檢查設(shè)備是否滿足正產(chǎn)運(yùn)行要求，即：①通過(guò)額定電流時(shí)溫升正常。②保護(hù)功能在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)動(dòng)作。③隔離功能絕對(duì)安全，未受到任何影響。

5 限流斷路器限流特性應(yīng)用

限流斷路器的限流能力可通過(guò)兩條曲線來(lái)選擇，隨著預(yù)期短路電流（如果沒有保護(hù)設(shè)備，將流過(guò)的短路電流）的大小變化：

1）實(shí)際的峰值電流（限流）；

2）熱效應(yīng)（A2s）。即電阻為1Ω的導(dǎo)體通過(guò)短路電流時(shí)的能量損耗。

例如一個(gè)預(yù)期短路電流150kArms（均方根值，峰值為330kA），經(jīng)殼架電流250A限流斷路器上級(jí)斷路器限流后，查圖11可得，實(shí)施峰值電流為30kA。

圖11 250A能量線

表5 列出了根據(jù)電纜的材料（銅或鋁）和截面積所決定的最大允許過(guò)熱等級(jí)，其中截面積以mm2為單位，熱應(yīng)力則以A2s為單位。例如：根據(jù)本設(shè)計(jì)限流斷路器是否足以保護(hù)。

表5 被限制電纜最大允許熱應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)本設(shè)計(jì)限流斷路器是否足以保護(hù)截面積為10mm2的銅PVC電纜，如表5所示，殼架160的允許的熱應(yīng)力為1.32×106A2s，限流斷路器ICS＝35kA，安裝點(diǎn)的短路電流限制在不超過(guò)6×105A2s的熱應(yīng)力。

故此，限流斷路器可保護(hù)電路電纜。將一臺(tái)斷路器安裝在限流斷路器的下級(jí)，其分?jǐn)嗄芰?huì)因上級(jí)斷路器的限流特性大大提高。這種技術(shù)稱為級(jí)聯(lián)技術(shù)，可以減少下級(jí)開關(guān)和和附件的投資、降低短路電流對(duì)設(shè)備的破壞，延長(zhǎng)電氣設(shè)備壽命。降低熱效應(yīng)的溫升，提高電纜壽命，電動(dòng)力的降低，大大降低觸頭與母線被變形或破壞的風(fēng)險(xiǎn)，電磁效應(yīng)的降低，減少對(duì)附件測(cè)量設(shè)備的干擾。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文基于限流分?jǐn)嗨軞嗦菲鞯脑O(shè)計(jì)，以中等限流斷路器設(shè)計(jì)為例，同原理采用增大觸頭限位電阻自然排斥旋轉(zhuǎn)分?jǐn)唷⑴c具有兩個(gè)陡峭波前的串聯(lián)電弧電壓旋轉(zhuǎn)分?jǐn)嗉夹g(shù)實(shí)現(xiàn)其優(yōu)越的限流能力、給出63～1600A殼架電流的斷路電流限流曲線、熱應(yīng)力能量曲線、電纜最大允許熱應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)、中等限流熱磁保護(hù)可調(diào)、過(guò)載不報(bào)警、漏電啟停功能。就調(diào)試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、工程應(yīng)用實(shí)例和效果來(lái)看，可以降低故障電流產(chǎn)生電動(dòng)力，由此可大大提高斷路器的分?jǐn)嗄芰?，并且可以達(dá)到ICS＝100%ICU。結(jié)果表明，電動(dòng)斥力、短路電流與允通能量降低30%以上，該技術(shù)有效地提高了塑殼斷路器的中等限流效應(yīng)和限流分?jǐn)嘈阅?。為電配電系統(tǒng)提供一，低限流系數(shù)、高功率因數(shù)、低功耗、高分段具有級(jí)差限流，多功能保護(hù)的高質(zhì)量限流分?jǐn)嗨軞嗦菲鳎蟠蠼档碗娕潆娤到y(tǒng)整體成本。