黃和平 顧章平 吳 斌 馮學禮 江華華 黃林弟

（1.浙江正泰儀器儀表有限責任公司 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)濟的高速發(fā)展，用電、輸電、配電及發(fā)電快速增長的用電網(wǎng)絡帶來用電容量爆炸式的增長，傳統(tǒng)限流塑殼斷路器越來越不能滿足不斷增大的短路電流分斷、接通、承載的要求，目前常見的傳統(tǒng)限流塑殼斷路器，在擴容分斷實驗中觸頭導電回路中熱雙金斷裂和觸頭熔斷問題是主要失效模式，傳統(tǒng)限流塑殼斷路器中針對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、李廣利等于同時間段在行業(yè)雜志發(fā)表了相關的論文成果，針對觸頭熔斷的成因就是觸頭導電系統(tǒng)在額定分斷時間內，實際產生的短路電流大于限流分斷電流，動靜觸頭之間產生的分斷電弧熱量大于限流允通能量，其對策措施采用限流線、限流電阻、雙斷點、雙滅弧、VJC，蒸汽噴射等限流技術手段［1－5］，經(jīng)多年的研究和廣泛應用，技術相對成熟，積累了一定的經(jīng)驗。相對分斷實驗中觸頭導電回路中熱雙金熔斷和軟聯(lián)結與雙金焊接連接面處拉斷問題的研究和對策較少，除雙金焊接連接面處拉斷主要是分斷動作對軟聯(lián)結產生剪切作用造成外，其熱雙金熔斷的成因與觸頭熔斷相同（由短路分斷電流和接通電流的熱效應累計所致）；借鑒現(xiàn)有成熟技術、采用簡單緊蹙結構、開發(fā)小體積、長壽命、低成本、快速分斷、高分斷能力、高限流能力、低允通能量的中等限流效應的（5～30A）直熱式結構塑殼斷路器，替代現(xiàn)有傳統(tǒng)限流塑殼斷路器、同時解決現(xiàn)有（5～30A）傳統(tǒng)限流塑殼斷路器雙金熔斷和觸頭熔斷問題，63～1600A限流能力曲線，是國內制造研發(fā)廠家研究的課題和熱點之一。

1 塑殼斷路器分斷與限流技術原理

塑殼斷路器的分斷技術是指：在額定分斷時間與額定分斷電流兩維度坐標系內，以比預期更短的分斷時間，與比預期短路電流更小的實際限制短路電流相乘，得到的容積內，實際限制短路電流和電弧最高電壓，比預期短路峰值電流和預期短路峰值電壓，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斷電流開全可靠的消除電弧，消耗最小容積的分斷電流電弧能量，限制短路電流過零點時，塑殼斷路器的動觸頭與靜觸頭呈絕緣性質的分閘狀態(tài)（見圖1）。

圖1 限流分斷技術原理圖

在短路發(fā)生產時，當短路電弧的阻抗接近實際短路回路阻抗時，首先要更快地提高短路分斷電流峰值和限制短路峰值電壓，比預期短路峰值電流和預期短路峰值電壓更早的到來，通過限制短路電流的增長速度，所通過的限制電流，低于預期的短路電流值的能力稱為塑殼斷路器的限流能力。

1.1 評價限流塑殼斷路器分斷接通能力標準

GB14048.2規(guī)定了塑料外殼式斷路器的額定短路分斷能力兩種能力電流評價：額定極限短路分斷電流ICS和額定運行短路分斷電流ICU。ICS與ICU獲得實驗條件與關系見表1。

表1 ICS與ICU的實驗條件與關系示例

經(jīng)按實驗條件實驗（包括型式實驗報告），ICS符合ICU符合規(guī)定的標椎比例關系的限流塑殼斷路器，ICS均是合格有效短路分段能力的。

分斷能力校驗：在實際的應用支路中，分斷分斷能力以經(jīng)濟可靠性優(yōu)選ICU大于或等于Imaxsc安裝點預期最大短路電流。

1.2 評價限流塑殼斷路器接通能力標準

在解決傳統(tǒng)限流塑殼斷路器熱雙金熔斷，除要考核短路分斷能力的ICS外，還要考核短路接通能力，考核指標短路電流峰值的熱穩(wěn)定性（見表2）。熱穩(wěn)定性指標包括三要素：額定短時耐受電流IK、額定峰值耐受電流Ip、額定短時持續(xù)時間tk。 即：

表2 實驗電流、電流Ip、峰值系數(shù)、cosφ、時間常數(shù)

提高分斷能力主要從提高限流能力著手，設計具有高限流效應的電動斥力機構，同時，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、熱穩(wěn)定性要求。對發(fā)展新一代緊湊型低壓配電裝置十分有利。

2 中等限流電動斥力機構的設計

2.1 設計中等限流電動斥力機構目的與措施

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)格產品（直熱式結構產品）在升容125A／330010～63A的過程中，分斷試驗時存在熱雙金屬燒斷情況，采用上進線靜觸頭導電回路增大限流電阻、U型限流線、U型與L型復合限流線、增設引弧腳伸進滅弧罩措施（見圖3）。達到中等限流目的，降低熱雙金屬與動觸頭導電回路與靜觸頭導電回路的Ip電流與熱效應（A2s）。

圖2 為傳統(tǒng)限流塑殼斷路器的靜觸頭結構，圖3是在圖2的基礎上改進后的限流型靜觸頭結構示意圖。

圖2 改進前靜觸頭示意圖

圖3 改進后的靜觸頭示意圖

2.2 中等限流電動斥力機構分析

如圖4、圖5所示，建立的峰值耐受電流Ip，與F·L組成電動斥力力矩，組成的中等限流電動斥力機構，其原理是在動觸頭熱雙金導電回路與平行的靜觸頭導電回路在正常有電位差的兩點之間，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)線圈的勵磁作用，產生放大的峰值耐受電流Ip，Ip經(jīng)平行導電回路產生電動斥力F，電動斥力F與Ip在熱雙金上產生的熱彎曲驅動脫扣機構，將動觸頭圍繞旋轉軸與靜觸頭2～5ms，在2～5mm之間將電弧熄滅，電流過零點，動觸頭與靜觸頭恢復絕緣狀態(tài)的可靠分斷和脫扣。熱雙金的工作特性：長延時1.35In延時10min內脫扣。為了防止熱雙金的熔斷，必須嚴格設定分斷能力和瞬式脫扣設定；限制在預期電流峰值 到來之前，Ip和熱效應（A2s）加以限制。

圖4 中等限流電動斥力機構示意圖

圖5 中等限流電動斥力分斷等效電路圖

2.3 上進線靜觸頭導電回路限流電阻分析

為了分析動靜觸頭電動力矩，對則取動靜觸頭為目標分析模型，其余零部件作阻抗處理，結合表3與圖4，計算動靜觸頭導電回路電阻；動觸頭旋轉軸開始的旋轉力矩L取33.26mm。

表3 中等限流電動斥力機構材料電阻值

傳統(tǒng)動靜觸頭導電回路電阻＝靜觸點與靜觸板接觸電阻（0.024Ω·m）＋動觸點與動觸·板接觸電阻（0.006Ω·m）＋圖4所示材料電阻值（17.515Ω·m）＝17.545Ω·m。

改進后的動靜觸頭導電回路電阻＝靜觸點與靜觸板接觸電阻（0.024Ω·m）＋動觸點與動觸·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斷斷路器等效電路建模

式中，L為動觸頭旋轉軸開始的旋轉力矩，mm；d為動觸頭與靜觸頭通電間距，mm。

結合圖1、圖4、圖5，分析電動斥力機構在接通到分斷0～5ms內完成0～5mm的動觸頭與靜觸頭的分斷，計算電動斥力F與分斷電流Ip；按2.176mm的動觸頭與靜觸頭通電間距計算：L電感遠遠大于線路電阻R，在電弧電壓從0上升到等于電源電壓例如440V，電弧電流達到最大值，當電弧電壓大于電源電壓例如440V，分斷電流Ip開始下降直至到0，整個過程在5～6ms完成。

2.5 （5～30A）直熱式塑殼斷路器改進前與改進結果對比

根據(jù)式（2）、式（3）計算得表4內容。

表4 （5～30A）直熱式塑殼斷路器改進前與改進后短路電動力矩、短路電流、熱能量結果對比

由表4所示：改進后與改進前相比，短路電動力矩以及短路電流均減小。

3 中等限流特性斷路器功能設計

3.1 直熱式塑殼斷路器過載不報警設計

過載報警不脫扣功能根據(jù)國標GB50054要求，新設計過載報警不脫扣功能，即當線路發(fā)生過載故障時不是馬上切斷電路，而是發(fā)出一個報警信號，使用戶根據(jù)需求處理故障，從而保證重要負載供電連續(xù)性，滿足用戶特殊需求。該功能由基座、拉桿、熱脫扣器、轉換開關、導線、螺釘組成，如圖6所示。

圖6 中等限流過載不報警機構示意圖

3.2 中等限流熱磁保護可調功能設計

一般塑殼斷路器過載，短路保護都是在生產廠家整定校驗合格后，供用戶使用，用戶不能自行調整保護參數(shù)。如遇負載容量變化，氣溫升高斷路器會出現(xiàn)誤動現(xiàn)象。為解決用戶需求，設計了熱磁保護可調功能，長延時調節(jié)范圍在額定電流的（0.7～1.0）In，瞬時特性調節(jié)范圍在額定電流的（6～12）In可調。這樣用戶可根據(jù)用電實際情況調整開關保護特性。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 中等限流熱磁保護可調功能機構示意圖

3.3 中等限流漏電啟停功能設計

漏電斷路器的功能是當線路出現(xiàn)漏電故障時切斷電路的保護開關。正常情況下，發(fā)生漏電故障，產品會馬上斷開。但在特殊情況下，負載不需斷開電路且保持連續(xù)供電，可暫時關閉漏電保護功能或如光伏組串，斷相保護單路控制功能［6］，只完成斷路器的功能。漏電啟停功能正是按此需求設計，當出現(xiàn)特殊故障時，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，又回復漏電保護功能。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標準規(guī)定，并通過測試加以保證。

測試程序如下：

1）連續(xù)分斷電流3次，分斷電流＝100%ICU

2）檢查設備是否滿足正產運行要求，即：①通過額定電流時溫升正常。②保護功能在標準規(guī)定的范圍內動作。③隔離功能絕對安全，未受到任何影響。

5 限流斷路器限流特性應用

限流斷路器的限流能力可通過兩條曲線來選擇，隨著預期短路電流（如果沒有保護設備，將流過的短路電流）的大小變化：

1）實際的峰值電流（限流）；

2）熱效應（A2s）。即電阻為1Ω的導體通過短路電流時的能量損耗。

例如一個預期短路電流150kArms（均方根值，峰值為330kA），經(jīng)殼架電流250A限流斷路器上級斷路器限流后，查圖11可得，實施峰值電流為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熱等級，其中截面積以mm2為單位，熱應力則以A2s為單位。例如：根據(jù)本設計限流斷路器是否足以保護。

表5 被限制電纜最大允許熱應力標準

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

故此，限流斷路器可保護電路電纜。將一臺斷路器安裝在限流斷路器的下級，其分斷能力會因上級斷路器的限流特性大大提高。這種技術稱為級聯(lián)技術，可以減少下級開關和和附件的投資、降低短路電流對設備的破壞，延長電氣設備壽命。降低熱效應的溫升，提高電纜壽命，電動力的降低，大大降低觸頭與母線被變形或破壞的風險，電磁效應的降低，減少對附件測量設備的干擾。

6 結束語

本文基于限流分斷塑殼斷路器的設計，以中等限流斷路器設計為例，同原理采用增大觸頭限位電阻自然排斥旋轉分斷、與具有兩個陡峭波前的串聯(lián)電弧電壓旋轉分斷技術實現(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、熱應力能量曲線、電纜最大允許熱應力標準、中等限流熱磁保護可調、過載不報警、漏電啟停功能。就調試實驗數(shù)據(jù)、工程應用實例和效果來看，可以降低故障電流產生電動力，由此可大大提高斷路器的分斷能力，并且可以達到ICS＝100%ICU。結果表明，電動斥力、短路電流與允通能量降低30%以上，該技術有效地提高了塑殼斷路器的中等限流效應和限流分斷性能。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、高分段具有級差限流，多功能保護的高質量限流分斷塑殼斷路器，大大降低電配電系統(tǒng)整體成本。