直流塑壳断路器限流技术和灭弧室设计

2014-06-24余姚市供电局葛文姚

电气技术与经济 2014年5期

余姚市供电局葛文姚

0 引言

塑壳断路器是低压电器中使用广泛的一种保护电器，有交流型和直流型两种，其中交流型塑壳断路器应用量较大而且应用范围广，以其性能优越、使用方便、价格合理，被广泛地应用在建筑工程、工厂配电等多种场合。随着我国通信电源和光伏发电行业的快速增长，对直流型塑壳断路器的需求也相应提高。各生产厂家相继开发直流塑壳断路器，如何在保持外形体积不变的前提下提高直流塑壳断路器的分断能力也成为各厂家技术人员的技术难点。其中提高塑壳断路器的限流能力是提高分断能力的常用手段。

1 直流塑壳断路器的限流

塑壳断路器在分断短路电流时会产生电弧，这个迅速增长的电弧，通常称为“动态电弧电阻”。维持电弧的稳定燃烧需要一定的电压，而“动态电弧电阻”相当于在电路中串联一个电阻。灭弧室内电弧被分成多个短电弧使电弧电压迅速上升，当电弧电压超过电源电压的值，使得电源电压无法维持电弧，从而完成熄弧限制短路电流。

由于直流电无过零点，所以直流塑壳断路器在分断电弧时较难，所以提高直流塑壳断路器的限流能力是直流塑壳断路器的设计关键。断路器的限流方法有利用电斥力型触头限流、进步电弧静态伏—安特性法等。各个限流技术都有优点和缺点，合理选择限流方法非常重要，在设计时应综合应用。

1.1 电斥力型触头

电斥力型触头是常用而有效的一种限流方法，其原理为利用电流导向相斥将动触头斥开，提前引出电弧，抑制短路电流的增大。电斥力型触头有两种结构：动触头单斥开和动静触头双斥开（见图1、图2），250A壳架以下塑壳断路器的触头系统就是此种结构，普通型为单斥开结构，高分断型为双斥开结构。如图1当短路电流来临时动触头会因电斥力而被斥开。图2当短路电流来临时动触头和静触头都会因电斥力而向上下两个方向斥开。相比较图2结构限流效果更好，但断路器的高度会增高。此种结构的设计要点是动触头要有卡住结构，即防止动触头跌落引起触头烧蚀熔焊。

图1 动触头单斥开

图2 动静触头双斥开

1.2 进步电弧静态伏—安特性法

通常采用去离子栅法、绝缘栅法、窄缝法等。去离子栅法就是利用金属栅片把电弧分割成若干个互相串联的短弧，利用短弧的压降来进步电弧电压而使电弧熄灭；绝缘栅法:即栅片是绝缘的，其作用是导出电弧的热量，以进步电弧的弧柱压，同时，栅片将电弧分割成若干段的短弧，每一栅片就是短弧的电极，同时产生很多个阳极压降和阴极压降，对直流电弧而言，利用近极处的电弧电压降加弧柱的电压降一起灭弧；窄缝法，通常采用多重窄缝，这样，可以减少电弧进入上部窄缝的阻力，因而在驱动电弧运动的电磁力给定时，可以采用比单窄缝灭弧室更小的缝隙，一方面可将电弧直径压缩，使电弧同缝隙壁紧密接触；另一方面，也使电弧面积增加，长度增长，这些都进一步加强了冷却和去游离的作用，使电弧熄灭；以上这些方法通常综合使用，以取得更好的限流分断的效果。

2 直流塑壳断路器的金属栅片式灭弧室设计

此种灭弧室为金属栅片式灭弧室，采用三聚氰胺板作为两侧绝缘板，冷轧钢片作为栅片组成，灭弧室内腔采用狭缝和上下错开设计。当电弧进入灭弧室内被栅片切割为串联的短电弧，每一个短电弧各有正负两极电压，总的电弧电压会增加，当电弧电压大于触头间恢复电压，电弧将熄灭，如图3所示。

图3

电弧电压

式中，U为电弧电压；N为被栅片分割后的短电弧数量； U0为近极压降；E为电弧电场强度；L为电弧长度。式（1）表明，增加串联的短电弧数量N和电弧的长度L可有效增大电弧电压。

2.1 灭弧室金属栅片设计

栅片选择1.5～2.5mm的冷轧钢板，栅片间隙2～5mm之间，表面镀镍处理，也可镀锌处理，但实验证明表面镀镍处理对灭弧更有效。栅片数量根据产品的体积和分断能力有所不同。250A壳架产品，Icu=25kA的直流塑壳断路器栅片数量设计为8片和13片两种，对比试验表明栅片数为13片的灭弧效果明显比8片效果好。当然栅片的数量选择并非越多越好。当断路器尺寸确定后，灭弧室的栅片数量过多会导致栅片间隙过小，对电弧进入灭弧室产生很大阻力，导致电弧将栅片烧毁。

2.2 灭弧室的绝缘支撑板设计

灭弧室的绝缘支撑板既起到支撑灭弧室的金属栅片的作用，同时也起到隔弧的作用。材料的选择至关重要，在大短路电流分断时会产生气体，有利于气吹灭弧，主要有环氧玻璃布板和三聚氰胺板等。三聚氰胺板在耐电弧、耐热等方面优于环氧玻璃布板，但价格较高。

3 直流塑壳断路器的接线设计

由于直流电流不像交流有过零点的特性，直流的短路电流（甚至倍数不大的故障电流）的开断；电弧的熄灭都有困难，特别是DC 500V以上的直流塑壳断路器，由于电压较高，电弧熄灭更困难。因此产品的设计接线应采用串联的办法，增加断口，使各断口承担一部分电压和电弧能量。配合灭弧室可提高产品的分断能力。图4、图5为常见串联接线方式。