摘 要： 設計并試驗驗證了一種帶遠程脫扣功能的隔離開關。產品主要特點是帶遠程脫扣功能，當電氣線路發(fā)生故障時，控制器能將“分閘信號”傳遞給隔離開關，迅速斷開故障電路，實現(xiàn)隔離保護。產品符合GB/T 14048.3—2017標準，可用于光伏儲能系統(tǒng)。

關鍵詞： 遠程脫扣隔離開關; 試驗驗證; 隔離保護; 光伏儲能系統(tǒng)

中圖分類號： TM564.1

文獻標志碼： A

文章編號： 2095-8188（2024）12-0051-06

DOI： 10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.12.009

Research on Remote Tripping Disconnector

WANG Yue， SHENG Yongbing

（Shanghai Jingsi Intelligent Technology Co.，Ltd.， Shanghai 201315， China）

Abstract： A disconnector with remote tripping function is designed and tested.Its main feature is the remote tripping function.When the electrical circuit fails，the controller can transmit the “opening signal” to the disconnector.The fault circuit is quickly disconnected to realize the isolation protection.This product complies with GB/T 14048.3—2017 standard and can be used in photovoltaic energy storage systems.

Key words： remote tripping disconnector;experimental verification; isolation protection; photovoltaic energy storage system

0 引 言

在“雙碳”目標背景下，我國太陽能和光伏發(fā)電逐漸由補充能源向主力能源轉變，預計到2030年，風電、太陽能發(fā)電總裝機容量將達到12億kW。同時，隨著光伏電池板功率和直流側電流的增大，故障起火風險增高，不僅影響發(fā)電收益，而且會對人身和財產造成傷害。在傳統(tǒng)的組串式方案中，逆變器內部短路時，無主動分斷器件，導致光伏電站的安全隱患凸顯。

近年來，逆變器廠家、認證機構和開關器件廠家均提出在逆變器直流側增加可智能斷開電路的隔離開關，化被動保護為主動保護，通過逆變器的控制器實時檢測組串的電流、電壓等信號來判斷系統(tǒng)工作狀態(tài)。當系統(tǒng)發(fā)生故障時，控制器主動將“分閘信號”傳遞給直流開關，迅速發(fā)出脫扣保護和主動告警，有效斷開直流電流能量，實現(xiàn)被動保護到主動保護的轉變。在此背景下，智能遠程脫扣隔離開關應運而生^［1］。

1 遠程脫扣隔離開關的組成

遠程脫扣隔離開關由觸頭極和機構極2大部件組合而成，通過超聲波焊接將2大部件焊接在一起。以KSiG1-50遠程脫扣隔離開關為例，遠程脫扣隔離開關機構極如圖1所示;遠程脫扣隔離開關觸頭極如圖2所示。

2 遠程脫扣隔離開關觸頭極的設計

觸頭極的作用主要是承載和分斷電流，確保故障能夠完全被切除，以免因持續(xù)過流而損壞器件甚至發(fā)生火災。本產品最高運行電壓DC1 500 V、最高運行電流50 A，依據GB/T 14048.3—2017

《低壓開關設備和控制設備 第3部分：開關、隔離器、隔離開關及熔斷器組合電器》^［2］，PV2使用工況下時，DC 1 500 V電壓下，分斷電流要達到4Ie，應用場景非常嚴酷，因此觸頭極滅弧系統(tǒng)的設計尤其重要。直流滅弧的原理是電弧具有伏安特性，表達式為

UC=IR+Uarc+LdIdt（1）

式中： UC——直流電源電壓;

L——電路電感;

I——電流;

R——電路電阻;

Uarc——觸頭間電弧電壓。

由式（1）可得，電流要過零點，必須滿足dI/dt為負，并且維持足夠長的時間，即直流電弧熄滅的前提條件：在足夠長時間內保持IR+Uarc＞UC，因此設計上需要迅速抬高電弧電壓才能熄滅電弧?？梢詮南旅?個方面入手，在設計上保證產品分斷的可靠性。

2.1 動觸頭的設計

動觸頭的設計主要考慮分斷和內阻的平衡問題，選取了較高的分斷能力，終壓力適中，內阻穩(wěn)定在1.1 mΩ以下。

2.2 動觸頭支架的設計

動觸頭支架設計主要考慮產氣性能和耐高溫性能2個方面。

首先，從產氣的角度看，聚酰胺66（PA66）材質和聚甲醛（POM）材質產氣效果相當，POM產氣略大于PA66。不同產氣材料的開斷試驗結果^［3］如表1所示。

產氣材料受電弧侵蝕后產生氣體，進而會在短時間內迅速增大滅弧室內壓力，使滅弧室內壓力與外界氣壓力形成滅弧室通過出氣口的氣流。該氣流能推動電弧向柵片運動并進人柵片，也對電弧進行對流冷卻，同時產氣材料產生的氣體中含有H2。H2有良好的導熱性能，對冷卻電弧起到關鍵作用。

其次，由于光伏逆變器的使用場景中可能存在長期高溫的情況，因此選擇長期耐高溫的觸頭材料是必須要考慮的因素，并且當前的光伏逆變器頭部企業(yè)都要求材料的相對溫度指數(shù)（RTI）≥120 ℃。

經查詢對比，當前具有UL黃卡的材料中，POM的RTI=110 ℃，PA66的RTI=140 ℃。綜上所述，觸頭材料最好的選擇是PA66。

2.3 磁體的布局設計

磁體的布局直接影響開關的分斷能力，兼顧結構創(chuàng)新和規(guī)避專利，分別在合閘位置和分閘位置區(qū)域布局了磁體。

動靜觸頭剛開始分離時即出現(xiàn)拉弧，電弧在磁鐵的磁場作用下被拉長，同時電弧開始侵蝕觸頭材料，材料開始產氣，滅弧室腔內氣壓增大;然后分閘動作完成，分閘位置的磁體也參與吹弧，在磁吹和氣吹的作用下，電弧迅速進入滅弧室內被切割，電弧電壓迅速抬高，電弧熄滅^［3］。

2.4 滅弧室的設計

滅弧室的設計原則是柵片容量盡可能大（面積和體積）、柵片數(shù)量盡可能多，才能起到拉升電弧和冷卻電弧的作用。在有限的體積下，兼顧底座、左接基座、右接基座、殼體與滅弧室的配合，主要預防相間短路或者擊穿，保證爬電距離和電氣間隙^［4-6］。

綜合以上因素，觸頭極的布局設計分為底座組件、左接組件、右接組件，每個組件都由動靜觸頭、磁體、滅弧室、動觸頭支架組成。觸頭極結構如圖3所示;分斷試驗波形如圖4所示。

3 遠程脫扣隔離開關機構極的設計

遠程脫扣隔離開關機構極的設計主要包含儲能功能設計、合分閘功能設計、脫扣及復位功能設計、可靠性設計計算等^［7-12］。

3.1 儲能功能設計

旋轉手柄時，主軸上的儲能銷驅動儲能扣，使儲能扣開始旋轉，同時儲能彈簧開始拉伸儲能，旋轉一定角度時，鎖扣、儲能扣配合形成搭扣，等待下次脫扣時釋放;故障自動釋放時，合分閘彈簧不會影響到儲能彈簧的釋放，分斷速度快，分斷可靠。

解鎖結構采用兩級解鎖，將脫扣力降低到3 N左右，因此可做自動復位設計，免除了人工去復位操作，同時無須設計2套防水設計，IP等級更加可靠。儲能單元結構如圖5所示。

3.2 合分閘功能設計

順時針旋轉手柄時，主軸上的合分銷開始驅動上扣，使上扣開始旋轉，同時合分彈簧開始拉伸儲能，旋轉一定角度時，上扣推開合閘撐腳，合分彈簧的另一腳帶動下扣快速旋轉，完成合閘動作;同理，逆時針旋轉手柄，完成分閘動作。合分閘單元結構如圖6所示。

3.3 脫扣及復位功能設計

脫扣復位邏輯順序：磁通給電→動鐵心動作→拉動脫扣桿解除搭扣→鎖扣推開分閘撐腳→儲能扣和主軸在儲能彈簧的作用下迅速開始逆時針旋轉→主軸通過合分銷驅動上扣和下扣一起旋轉→完成脫扣動作。脫扣復位時序如圖7所示。

3.4 機構可靠性設計

本隔離開關機構設計采用塑殼斷路器的搭扣參數(shù)，能保證產品不會滑扣，脫扣端搭扣1.3 mm、二級搭扣端1.4 mm，采用兩級解鎖降低機構脫扣力，能保證遠程可靠脫扣。

儲能彈簧和合分彈簧完全分離，實現(xiàn)模塊化設計，即故障脫扣時，儲能扣會推開分閘撐腳，儲能彈簧不受合分簧力值的限制，能夠實現(xiàn)快速斷開。

3.5 機構合分閘力及其脫扣力計算

3.5.1 手動合分閘力計算

設計手動合分閘力矩輸入為1.5～3.0 N·m，依據扭力彈簧計算公式：

F=kx（2）

k=E·d41 167Dm·p·N·R（3）

式中： k——彈性常數(shù)，表示當彈簧被扭轉時，每增加1°扭轉角的負荷;

x——扭轉角度;

E——線材的鋼性模數(shù);

d——線徑;

Dm——中徑;

N——總圈數(shù);

R——負荷作用的力臂;

p——常數(shù)，取3.141 6。

其中，琴鋼絲E=21 000;不銹鋼絲E=19 400;磷青銅線E=11 200;黃銅線E=11 200。

在本次彈簧設計中，為保證長期可靠性和高溫穩(wěn)定性，選擇不銹鋼彈簧鋼絲。將E=19 400、d=2 mm、Dm=15 mm、N=3.5、R=20.9 mm帶入式（2）、式（3），計算得合分閘力F1的扭矩M1為1.5 N·m。

3.5.2 儲能合閘力計算

儲能力矩要求在故障發(fā)生時，能夠快速斷開故障電流，速度越快，發(fā)生系統(tǒng)性風險越低。因此，要求儲能力矩大于合分閘力矩。將d=2.3 mm、Dm=24 mm、N=3.5、R=24.5 mm帶入式（2）、式（3），計算得儲能合閘力F2的力矩M2為1.7 N·m。

3.5.3 脫扣力計算

產品處于脫扣狀態(tài)時，儲能彈簧處于釋放狀態(tài)，此時再次合閘，儲能彈簧拉伸儲能，能量來源于手動合閘，儲能彈簧的總體旋轉角度100°，儲能扣與鎖扣搭扣，鎖扣與脫扣桿搭扣，因此儲能彈簧的力傳遞給儲能扣，儲能扣再傳遞給鎖扣，通過杠桿原理和力的分解，將儲能簧的力值分解至最終的脫扣力F3。力的分解如圖8所示。

儲能簧拉伸至合閘時，角度旋轉100°，彈簧扭矩為1 726.7 N·mm，力臂17.7 mm，由此得：

1 726.7/17.7=97.6 N，tan14·F分=sin63·F2，F(xiàn)2cos63=97.6-F分，

其中，F(xiàn)分為力F2垂直于鎖扣面的分力（長邊），計算得到F2=24.4 N。

脫扣力計算如圖9所示。由杠桿原理公式L1/L2=F2/F3，即12.8/1=24.4/F3，得F3=1.9 N。

脫扣力F3理論值為1.9 N，考慮實際應用中的塑料與剛件的滑動摩擦，摩擦系數(shù)按照u取0.5，故最終的脫扣力F4=F3+F3×0.5≈3 N。

3.5.4 磁保持力的仿真計算

磁保持作為電動脫扣的執(zhí)行部件，其可靠性和一致性尤為重要，因而從理論設計上就要完全規(guī)避產品不脫扣（脫扣力不足）、振動滑扣（保持力不足）等問題，因此分別對磁保持的磁場分布、保持力、釋放電磁力等進行了仿真計算^［13］。磁場分布如圖10所示。

當氣隙調至0.1 mm時，保持力為10 N，達到設計參數(shù)值。磁保持仿真數(shù)據如圖11所示。

3.5.5 磁保持力的工程數(shù)據測量

根據設計值，對生產的實物磁保持進行了工程數(shù)據測量，取樣本23只。保持力分布圖如圖12所示;脫扣力分布圖如圖13所示。由圖12和圖13可知，磁保持的一致性較好，保持力基本穩(wěn)定在7～11 N，脫扣力基本穩(wěn)定在8～12 N，符合理論仿真數(shù)據。

從實物測量可知，磁保持的設計符合實際。后續(xù)對整機進行了振動測試、-40 ℃下低溫脫扣測試、常溫脫扣測試、脫扣壽命測試等多項試驗，均已通過測試，符合光伏的應用場景需求。

4 結 語

本文詳細闡述了遠程脫扣隔離開關設計的基本要素，在選擇材料和結構設計等方面做了相關的計算及其工程驗證，主要包括2個方面的設計事項：一是觸頭極（接觸系統(tǒng)）的電性能，包括分斷、溫升、內阻、電壽命等;二是機構極的功能設計和可靠性設計，功能設計主要有手動合分閘功能、遠程脫扣功能、自動復位功能等。

產品設計應當結合我國當前的制造水平、生產工藝、以及行業(yè)發(fā)展趨勢，設計出符合市場需求，適合大批量生產和制造的產品，引領行業(yè)發(fā)展，推動社會進步。

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收稿日期： 20240905