液壓阻尼電磁斷路器安/秒特性脫扣曲線(xiàn)的合理分段與應(yīng)用

楊 長(zhǎng) 河

[中國(guó)振華電子集團(tuán)宇光電工有限公司(國(guó)營(yíng)第七七一廠(chǎng)), 貴州 貴陽(yáng) 550018]

0 引 言

液壓阻尼電磁斷路器在1.5倍額定電流時(shí),脫扣延時(shí)覆蓋0～320 s范圍。由于范圍廣,國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)瞬斷型、快速型、中速型及慢速型斷路器分段不清晰,導(dǎo)致各生產(chǎn)廠(chǎng)家所生產(chǎn)的不同類(lèi)別斷路器延時(shí)類(lèi)型混雜,特別是多極中速型斷路器,極有可能混裝有快速型、中速型及慢速型多種類(lèi)型的斷路器,給工程師在選型、應(yīng)用時(shí)造成困擾。斷路器與各類(lèi)阻、感、容性及混合性能設(shè)備的匹配性較差,應(yīng)用在各類(lèi)設(shè)備中極易造成脫扣延時(shí)過(guò)長(zhǎng),保護(hù)精度下降,甚至設(shè)備燒損。脫扣延時(shí)過(guò)短,抗不了起動(dòng)浪涌而滑扣,各類(lèi)延時(shí)類(lèi)別斷路器混雜,使設(shè)備帶載能力下降。為了能正常起動(dòng)設(shè)備,應(yīng)用工程師只有無(wú)限加大斷路器的額定電流,犧牲保護(hù)能力來(lái)選型與應(yīng)用。本文規(guī)范安/秒特性脫扣曲線(xiàn)類(lèi)別,合理分段脫扣延時(shí)范圍,降低斷路器選型應(yīng)用難度,提升斷路器與設(shè)備特性匹配度,減少斷路器使用故障,提高被保護(hù)設(shè)備安全等級(jí)。

1 液壓阻尼電磁斷路器工作原理

1.1 液壓阻尼電磁斷路器脫扣器結(jié)構(gòu)

液壓阻尼電磁斷路器的脫扣器由銜鐵片、定鐵芯、壓簧、阻尼油、軛鐵、電磁線(xiàn)圈、阻尼油杯、動(dòng)鐵芯組成[1],液壓阻尼電磁斷路器脫扣器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 液壓阻尼電磁斷路器脫扣器結(jié)構(gòu)

1.2 液壓阻尼電磁斷路器脫扣器工作原理

液壓阻尼電磁斷路器的脫扣器工作原理主要依據(jù)壓簧力一次函數(shù)與電磁力二次函數(shù)疊加。斷路器工作原理函數(shù)疊加曲線(xiàn)圖如圖2所示。

圖2 斷路器工作原理函數(shù)疊加曲線(xiàn)圖

壓簧的鋼度決定一次函數(shù)的斜率,線(xiàn)圈匝數(shù)、氣隙面積、氣隙長(zhǎng)度和真空磁導(dǎo)率決定二次函數(shù)的開(kāi)口,兩函數(shù)的交叉點(diǎn)即為斷路器脫扣與否的臨界點(diǎn),又稱(chēng)為斷路器的極限動(dòng)作電流或斷路器的最大承載電流。此電流臨界點(diǎn)一般設(shè)計(jì)為110%In,由于受線(xiàn)圈匝數(shù)精度、壓簧力值精度、導(dǎo)磁材料性能等影響,每只合格的斷路器電流臨界值會(huì)在105%In～115%In范圍內(nèi)分布。

1.2.1 斷路器100%In通電運(yùn)行過(guò)程

斷路器鎖定并接通電源,對(duì)所保護(hù)設(shè)備供電,斷路器內(nèi)部線(xiàn)圈流過(guò)設(shè)備的額定電流,此電流如果小于110%In(In為斷路器的標(biāo)稱(chēng)電流),則斷路器動(dòng)鐵芯所受的電磁力小于壓簧的預(yù)壓力,脫扣器狀態(tài)處于兩函數(shù)疊加區(qū)陰影部分內(nèi),此狀態(tài)下,動(dòng)鐵芯被壓簧預(yù)壓于延時(shí)管底部,銜鐵片被扭簧支撐于吸合行程最高位置(見(jiàn)圖1狀態(tài)),斷路器保持110%In(臨界電流)值以下而穩(wěn)定運(yùn)行,斷路器處于額定電流以?xún)?nèi)狀態(tài)保持給設(shè)備供電。

1.2.2 斷路器過(guò)載脫扣運(yùn)行過(guò)程

當(dāng)設(shè)備過(guò)載時(shí),斷路器線(xiàn)圈中的電流增大,若電流大于110%In(斷路器的極限動(dòng)作電流)時(shí),斷路器動(dòng)鐵芯所受的電磁力大于壓簧的預(yù)壓力,脫扣器狀態(tài)處于兩函數(shù)疊加區(qū)陰影部分外的交叉區(qū),此狀態(tài)下,動(dòng)鐵芯受較大的電磁力作用,壓縮壓簧、擠壓阻尼油向線(xiàn)圈中心移動(dòng),當(dāng)與定鐵芯接觸瞬間,線(xiàn)圈成為有芯線(xiàn)圈,磁路中4個(gè)氣隙(銜鐵片至定鐵芯之間的氣隙,為有利的作工氣隙;軛鐵至銜鐵片之間的傳導(dǎo)氣隙及動(dòng)鐵芯至軛鐵之間的傳導(dǎo)氣隙,這兩個(gè)氣隙為結(jié)構(gòu)所致的無(wú)用氣隙;動(dòng)鐵芯至定鐵芯之間的運(yùn)動(dòng)氣隙,此氣隙決定延時(shí)注油量,通過(guò)控制動(dòng)鐵芯與延時(shí)管之間的間隙來(lái)控制油的流量,從而控制動(dòng)鐵芯運(yùn)動(dòng)的速度,達(dá)到延時(shí)脫扣的目的)。當(dāng)動(dòng)鐵芯和定鐵芯接觸時(shí),運(yùn)動(dòng)氣隙變?yōu)榱?脫扣器磁路中磁阻達(dá)到脫扣動(dòng)作前階段的最小值,磁通量達(dá)此階段的最大值,定鐵芯通過(guò)作工氣隙吸合銜鐵片,推動(dòng)斷路器鎖定解鎖機(jī)構(gòu)解鎖脫扣,斷路器過(guò)載脫扣保護(hù),切斷設(shè)備過(guò)載電源。此過(guò)程是通過(guò)控制阻尼油的流量(油的濃度、動(dòng)鐵芯與延時(shí)管之間的間隙)來(lái)達(dá)到控制過(guò)流延時(shí)脫扣保護(hù)的目的。

1.2.3 斷路器抗起動(dòng)浪涌運(yùn)行過(guò)程

當(dāng)斷路器合閘起動(dòng)遭受較大的冷起動(dòng)電流或運(yùn)行過(guò)程中遭遇大電流的沖擊時(shí),動(dòng)鐵芯受較大電磁力作用,克服壓簧擠壓延時(shí)油向線(xiàn)圈中心加速移動(dòng)。短時(shí)段內(nèi),如電流恢復(fù)正常值,此時(shí)動(dòng)鐵芯由于受電磁力作用擠壓阻尼油運(yùn)動(dòng)并已產(chǎn)生一定位移,動(dòng)鐵芯進(jìn)入線(xiàn)圈內(nèi)部的體積已大于初始值,4個(gè)氣隙中其他3個(gè)氣隙未改變,但動(dòng)鐵芯至定鐵芯之間的氣隙已小于初始值,磁路中的磁阻也小于初始值,額定電流下的磁通量大于初始值,此刻如動(dòng)鐵芯所受電磁力大于壓簧力,說(shuō)明延時(shí)油的濃度稀、動(dòng)鐵芯與延時(shí)管的配合間隙大導(dǎo)致延時(shí)油的流量較大,動(dòng)鐵芯進(jìn)入線(xiàn)圈的體積較多,此狀態(tài)下的延時(shí)管部件承受不了此波沖擊電流或起動(dòng)浪涌,動(dòng)鐵芯繼續(xù)向定鐵芯方向運(yùn)動(dòng)直至脫扣。如此沖擊電流大小及持續(xù)時(shí)間可能對(duì)設(shè)備造成損傷,需要斷路器做出保護(hù),可通過(guò)降低延時(shí)油的濃度并增大動(dòng)鐵芯與延時(shí)管的間隙來(lái)降低脫扣時(shí)間,達(dá)到保護(hù)目的。該沖擊電流是設(shè)備起動(dòng)時(shí)的冷起動(dòng)電流,對(duì)設(shè)備不會(huì)造成損傷,不需要斷路器做出保護(hù),可以增加延時(shí)油的濃度及減小動(dòng)鐵芯與延時(shí)管間的間隙來(lái)增大脫扣時(shí)間,達(dá)到保護(hù)目的。如電流恢復(fù)正常值后,此刻動(dòng)鐵芯所受的電磁力小于壓簧力,動(dòng)鐵芯將被壓簧推送至延時(shí)管底部,斷路器保持正常運(yùn)行狀態(tài),完成一次抗浪涌工作過(guò)程。

1.2.4 斷路器短路脫扣運(yùn)行過(guò)程

當(dāng)設(shè)備短路時(shí),斷路器線(xiàn)圈中突然流過(guò)短路電流,幅值大且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),此刻動(dòng)鐵芯受線(xiàn)圈勵(lì)磁產(chǎn)生的電磁力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于壓簧的預(yù)壓力,動(dòng)鐵芯會(huì)加速抖動(dòng),銜鐵片受吸合力值作用即將被吸合。如短路電流足夠大,動(dòng)鐵芯在未動(dòng)作或少許動(dòng)作的狀態(tài)下,銜鐵片被吸合,斷路器解鎖脫扣,起短路保護(hù)作用。

2 液壓阻尼電磁斷路器安/秒特性脫扣曲線(xiàn)的分段與應(yīng)用

2.1 液壓阻尼電磁斷路器的安/秒特性脫扣曲線(xiàn)

液壓阻尼電磁斷路器的安/秒特性脫扣曲線(xiàn)圖如圖3所示。

圖3 液壓阻尼電磁斷路器的安/秒特性脫扣曲線(xiàn)圖

圖3中曲線(xiàn)為本系列某一只斷路器,受橫坐標(biāo)各個(gè)不同百分比電流作用下,在縱坐標(biāo)形成對(duì)應(yīng)的脫扣時(shí)間,所有時(shí)間集合而形成曲線(xiàn),該斷路器在各個(gè)百分比電流的脫扣時(shí)間最長(zhǎng);圖中兩條曲線(xiàn)相同,但該斷路器在各個(gè)百分比電流的脫扣時(shí)間最短。圖3中,100%In及以下電流時(shí),斷路器不允許脫扣,故無(wú)脫扣時(shí)間對(duì)應(yīng),為斷路器的額定承載能力區(qū)。當(dāng)電流達(dá)到110%In(極限動(dòng)作電流)時(shí),斷路器處于可能脫扣的臨界狀態(tài);當(dāng)電流達(dá)到150%In時(shí),現(xiàn)有生產(chǎn)工藝能力可生產(chǎn)并實(shí)現(xiàn)0 s<150%In≤320 s的最大范圍,美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)MIL-PRF-55629D[2]、MIL-PRF-39019[3]中規(guī)定0 s<150%In≤320 s范圍為4段,即瞬斷斷路器1.5In≤0.04 s、快速斷路器0.4 s≤1.5In≤7 s[4]、中速斷路器3 s≤1.5In≤70 s[5]、慢速斷路器30 s≤1.5In≤320 s。經(jīng)長(zhǎng)期的選型與應(yīng)用,發(fā)現(xiàn)此分段便于斷路器生產(chǎn)廠(chǎng)家工藝控制,產(chǎn)品容易滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求,但已不適用當(dāng)今設(shè)備特性要求。主要表現(xiàn)為:分段交叉重疊,如中速斷路器最低脫扣時(shí)間為3 s,小于快速斷路器的最高脫扣時(shí)間7 s值;而慢速斷路器最低30 s的脫扣時(shí)間也低于中速斷路器最高脫扣時(shí)間70 s值;分段范圍太廣,如中速斷路器3～70 s、慢速斷路器30～320 s,最高延時(shí)的斷路器為最低延時(shí)斷路器的20倍以上。因此,一個(gè)多極斷路器可能存在快速型和中速型,也有可能存在中速型和慢速型兩種斷路器,由于短板效應(yīng),如某三極中速型斷路器,其中一極在1.5倍電流時(shí)的脫扣時(shí)間為3 s,另外兩極為70 s,因3 s延時(shí)脫扣的斷路器不能承受較大的冷起動(dòng)電流而脫扣,其他兩極斷路器即使具有再高的脫扣時(shí)間也會(huì)因該極3s內(nèi)脫扣的斷路器而機(jī)械同步脫扣,因此該斷路器只能劃分至快速型斷路器之內(nèi)。

2.1.1A曲線(xiàn)無(wú)抗浪涌瞬斷型斷路器的分段與應(yīng)用

無(wú)抗浪涌瞬斷型斷路器不具備抗浪涌及冷起動(dòng)電流的能力。當(dāng)過(guò)載電流大于斷路器的極限動(dòng)作電流110%In時(shí),斷路器瞬間脫扣,1.5In測(cè)試脫扣時(shí)間僅為斷路器的響應(yīng)時(shí)間與測(cè)試電源起動(dòng)的上升時(shí)間及計(jì)時(shí)器響應(yīng)時(shí)間之和,范圍0.008～0.03 s之間,相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定此類(lèi)斷路器為不延時(shí)斷路器,本文分段方式與標(biāo)準(zhǔn)相同,命名為A曲線(xiàn)無(wú)抗浪涌瞬斷型斷路器,要求100%In1 h不脫扣、1.5In≤0.04 s[4],A曲線(xiàn)安/秒特性脫扣曲線(xiàn)圖如圖4所示。

圖4 A曲線(xiàn)安/秒特性脫扣曲線(xiàn)圖

此類(lèi)斷路器主要用于純電阻型無(wú)冷起動(dòng)電流的精密電子儀器設(shè)備,此類(lèi)設(shè)備冷起動(dòng)電流很小或無(wú)冷起動(dòng)電流,斷路器起動(dòng)過(guò)程中不會(huì)因尖峰電流沖擊而產(chǎn)生滑扣。

2.1.2B曲線(xiàn)抗弱浪涌快速型斷路器的分段與應(yīng)用

抗弱浪涌快速型斷路器具備較弱的抗冷起動(dòng)電流的能力。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定快速型斷路器范圍為0.4 s≤1.5In≤7 s,即過(guò)載電流達(dá)到1.5In時(shí),此類(lèi)斷路器脫扣時(shí)間最短的為0.4 s,脫扣時(shí)間最長(zhǎng)的為7 s。本文把0.4 s≤1.5In≤10 s范圍劃分成一大段,命名為B曲線(xiàn)抗弱浪涌快速型斷路器,為了使斷路器與設(shè)備達(dá)到最佳的匹配效果,同時(shí)保證斷路器出廠(chǎng)脫扣精度的一致性,把B曲線(xiàn)段分成兩小段,B曲線(xiàn)安/秒特性脫扣曲線(xiàn)圖如圖5所示。

圖5 B曲線(xiàn)安/秒特性脫扣曲線(xiàn)圖

分別為B1段:0.4 s≤1.5In≤5 s,圖5中曲線(xiàn)1至曲線(xiàn)2中間區(qū)域;B2段:5 s≤1.5In≤10 s,圖5中曲線(xiàn)2至曲線(xiàn)3中間區(qū)域。

此類(lèi)斷路器具有一定的抗冷起動(dòng)電流及浪涌的能力,主要用于阻、感、容混合負(fù)載,且阻性偏強(qiáng)的設(shè)備,設(shè)備冷起動(dòng)電流尖峰值為設(shè)備額定電流2倍以?xún)?nèi),且持續(xù)時(shí)間在300 ms以下。起動(dòng)電流較大、持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的選用B2段斷路器。

2.1.3C曲線(xiàn)抗中浪涌中速型斷路器的分段與應(yīng)用

抗中浪涌中速型斷路器具備一定的抗浪涌能力。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定中速型斷路器3 s≤1.5In≤70 s,即過(guò)載電流達(dá)到1.5In時(shí),此類(lèi)斷路器脫扣時(shí)間最短的為3 s,最長(zhǎng)的為70 s。此分段與B曲線(xiàn)存在明顯的交叉重疊,且范圍太廣,如多極斷路器有3 s和70 s兩種延時(shí)同時(shí)存在,也都屬于合格產(chǎn)品,但難以起動(dòng)感容性設(shè)備負(fù)載。本文把10 s≤1.5In≤80 s劃分為一大段,命名為C曲線(xiàn)抗中浪涌中速型斷路器,同時(shí)把C曲線(xiàn)分成兩小段,C曲線(xiàn)安/秒特性脫扣曲線(xiàn)圖如圖6所示。

圖6 C曲線(xiàn)安/秒特性脫扣曲線(xiàn)圖

分別為C1段:10 s≤1.5In≤40 s、圖6中曲線(xiàn)1至曲線(xiàn)2中間區(qū)域;C2段:40 s≤1.5In≤80 s,圖6中曲線(xiàn)2至曲線(xiàn)3中間區(qū)域。

此類(lèi)斷路器具有一定的抗冷起動(dòng)電流及浪涌的能力,主要用于阻、感、容混合負(fù)載,且容感性偏強(qiáng)的設(shè)備,設(shè)備冷起動(dòng)電流尖峰值為設(shè)備額定電流2～8倍,且從設(shè)備加電起動(dòng),電流從零上升至最大值然后恢復(fù)至額定值的持續(xù)時(shí)間在800 ms以下。起動(dòng)電流較大、持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的選用C2段斷路器。

2.1.4D曲線(xiàn)抗強(qiáng)浪涌慢速型斷路器的分段與應(yīng)用

抗強(qiáng)浪涌慢速型斷路器,此類(lèi)斷路器且有較強(qiáng)的抗起動(dòng)浪涌能力。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定慢速斷路器30 s≤1.5In≤320 s,即過(guò)載電流達(dá)1.5In時(shí),此類(lèi)斷路器脫扣時(shí)間最短的為30 s,最長(zhǎng)的為320 s。當(dāng)30 s與320 s兩種延時(shí)的斷路器同時(shí)組裝入多極斷路器中,由于短板效應(yīng)難以起動(dòng)強(qiáng)浪涌設(shè)備。本文把80 s≤1.5In≤320 s劃分為一段,命名為D曲線(xiàn)抗強(qiáng)浪涌慢速型斷路器,同時(shí)把D曲線(xiàn)分成兩小段,D曲線(xiàn)安/秒特性脫扣曲線(xiàn)圖如圖7所示。

圖7 D曲線(xiàn)安/秒特性脫扣曲線(xiàn)圖

分別為D1段:80 s≤1.5In≤160 s,圖7中曲線(xiàn)1至曲線(xiàn)2中間區(qū)域;D2段:160 s≤1.5In≤320 s,圖7中曲線(xiàn)2至曲線(xiàn)3中間區(qū)域。

此類(lèi)斷路器具有較強(qiáng)的抗冷起動(dòng)電流及浪涌的能力,主要用于純感、容負(fù)載設(shè)備或感、容性混合負(fù)載設(shè)備,設(shè)備的冷起動(dòng)電流尖峰值達(dá)設(shè)備額定電流值的8倍以上,且從設(shè)備加電起動(dòng),電流從零上升至最大值然后恢復(fù)至額定值的持續(xù)時(shí)間約1.5 s。起動(dòng)電流較大、持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的帶載荷起動(dòng)設(shè)備,選用D2段斷路器。

3 結(jié) 語(yǔ)

液壓阻尼電磁斷路器是繼熱式斷路器和熱磁斷路器后的第三代產(chǎn)品,安/秒特性脫扣曲線(xiàn)范圍廣、脫扣時(shí)間可設(shè)定,更適合于各類(lèi)阻、感、容及混合負(fù)載過(guò)流、短路保護(hù)用,由于安/秒特性脫扣曲線(xiàn)范圍廣,如分段不合理、范圍交叉重疊,應(yīng)用過(guò)程中容易導(dǎo)致受浪涌沖擊,滑扣而不能合閘,本文從設(shè)備特性、使用需求及多年的設(shè)計(jì)、工藝實(shí)施經(jīng)驗(yàn),把液壓阻尼電磁斷路器的安/秒特性脫扣曲線(xiàn)進(jìn)行整理及分段,使得液壓阻尼電磁斷路器更能滿(mǎn)足裝備使用需求,降低故障率。