断路器电子脱扣器输出继电器设计与试验

乔卿阳，沈宇鹏，许太亚

断路器电子脱扣器输出继电器设计与试验

乔卿阳1，沈宇鹏2，许太亚2

（1.武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064；2. 武汉长海电气科技开发有限公司，武汉 430064）

针对断路器电子脱扣器驱动，本文设计了一种继电器触点双极串联输出方案。介绍了负载的性能要求，详细阐述了负载回路的工作原理。试验证明该方案提高了电子脱扣器的分断能力，保证了断路器的工作可靠性。

断路器 触点双极串联 分断能力

0 引言

直流断路器是直流电力系统重要的保护元件，其保护功能可通过电磁脱扣器与电子脱扣器实现。电磁脱扣器通常实现短路保护，在出现过载工况时，电磁脱扣器保护实现比较困难，此时需要电子脱扣器作为后备保护，实现断路器的短路保护和过载保护功能。

断路器作为保护元件，为保证其控制电源的供电可靠性，通常采用220VDC蓄电池供电方式为其提供控制电源，断路器操作机构及分合闸线圈的工作电压即为220VDC。在空气中开断电路时，只要电压在12~20 V，被开断电流在0.25~1 A，在电器的触头间隙就会产生电弧[1]。电侵蚀是触头损坏的主要原因，在闭合状态下电弧对触头的危害很小，但是在分断过程中，由于分断过程历时较长，在整个分断的期间，由于金属材料的触头间的转移和液态金属的溅射以及金属蒸汽的扩散，将对电器产生很大的危害[2]。直流电流的分断过程中，电弧没有过零点，电弧难以熄灭，导致小型功率继电器难以实现较高的直流电流分断能力，小型功率继电器的分断电压一般不超过125VDC，难以满足直流断路器的工作需要。通过以上分析可知，提高继电器的触头弧压及缩短继电器分断时间是提高继电器分断能力的关键。本文设计了一种输出继电器触点双极串联的电子脱扣器，提高了输出继电器断口弧压，提高了电子脱扣器的分断能力，大大提升了电子脱扣器的工作可靠性。

1 断路器分闸回路电气原理

断路器分闸回路电气原理图见图1。断路器分闸可通过两个回路实现。当分闸信号开关闭合时，分闸线圈得电，分励脱扣器动作，断路器实现分闸操作。断路器分闸动作到位后，分闸信号断开或者QF辅助开关由常闭触点转换为常开触点，分闸线圈失电，完成电动操作分闸过程。

断路器出现过载或断路工况时，电子脱扣器输出分闸信号，分励脱扣器驱动信号触点闭合，分闸线圈得电，分励脱扣器动作，断路器实现分闸操作。断路器分闸动作到位后，QF辅助开关由常闭触点转换为常开触点，分闸线圈失电，断路器完成保护动作，此时分励脱扣器驱动信号断开。

图1 断路器分闸回路电气原理图

通过电动操作进行操作时，由于分闸信号触点容量通常较大，满足分闸线圈功率要求，故电动操作过程对分闸信号操作时序无特殊要求，其闭合时间满足断路器分闸时间即可。即若断路器分闸时间为60 ms，则分闸信号闭合时间超过60 ms即可。

若通过电子脱扣器进行断路器分闸操作，由于电子脱扣器分闸输出继电器触点容量通常不能满足分闸线圈功率要求，分励脱扣器驱动信号不能实现回路的分断功能。为保护电子脱扣器输出继电器不受损坏，回路的分断必须由辅助开关QF实现。

图2 断路器动作时序图

在图2中，若断路器电动操作分闸时间如实线所示，即分励脱扣器驱动信号输出时间大于QF转换时间，则回路分断由辅助开关QF实现，断路器实现正常分闸过程。

若断路器电动操作分闸时间如虚线所示，则分励脱扣器驱动信号输出时间小于QF转换时间，回路的分断由电子脱扣器输出继电器实现。若继电器分断容量小于负载功率，断路器分断过程可能失败。

现有的电磁式继电器大多为交流继电器，具有较好的交流电流分断能力，直流分断能力差。在直流灭弧中，电弧的电压值应在整个燃弧过程中高于被分断的直流工作电压，但不能高到危及设备绝缘的程度[3]。本论文提出了一种继电器双极串联输出的方案，提高了继电器的弧压，缩短了继电器的分断时间，提高输出继电器的分断能力，提高了电子脱扣器的工作可靠性。

3 双极串联的继电器输出电路

图3 继电器双极串联电路图

继电器双极串联电路图如图3所示。图中6、8为一极，2、4为一极。继电器闭合时，2、4和6、8同时接通，负载得电。继电器断开时，2、4和6、8两对触点同时断开，负载断开回路。

继电器触点为机械触点，在机械触点断开过程中，会产生电弧。电弧的存在使继电器的成功分断存在很多不确定性。在电器设计中，经常采用提高弧压的方式提高断路器的分断速度，减少对断路器触头的侵蚀。我们可将继电器触点视为小型的断路器触点，则可采用提高继电器断口弧压的方法，提高继电器的分断能力。

假设回路电源电压为U，负载阻抗为R，负载感抗为，在负载断开时，电路暂态电流为，负载断口电压为U，可列出继电器分断时的暂态方程：

换算可得：

在继电器触点断开的过程中，电压击穿空气产生电弧，电弧为导电等离子气体，继续提供电流的流通路径，同时由于有电流流经电弧，电弧会产生一定的电压，U即为继电器触点的弧压。

若弧压U与电源电压U相等，即U=U，则公式2左端为0，由于RL和L均不为０，故此时可满足等式成立条件，即继电器断口弧压达到电源电压值时，回路电流降到０，回路断开。

从上述计算可以看出，提高弧压U是提高继电器分断能力的关键。假设在单极断口中，断口建立弧压为U，则公式２可变换为：

而在双极串联电路中，继电器存在两个触点断口，此时会产生两个弧压U和U。由于继电器断口触点材质、开距及电流等参数一致，则UU，此时公式(２)变换为：

即在继电器双极串联情况下，继电器触点断口弧压提高到了原弧压的两倍。随着弧压的提升，负载阻抗R及感抗的分压减小，回路电流下降。

3 实验验证

本文选用欧姆龙公司G6B-2214-US-DC24V继电器进行实验。G6B-2214-US-DC24V为单稳态双极输出2a接点继电器，采用某型断路器的分励线圈作为负载，线圈阻抗431W，测试回路工作电源DC220V。测试回路电流采样电阻阻值3.3W。

实验中，分别测试G6B-2214-US-DC24V继电器单极断开线圈负载的电流和断口电压波形及G6B-2214-US-DC24V继电器双极串联断开线圈负载的电流和断口电压波形。

图4 继电器单极断开负载波形图

图4为继电器单极断开负载的波形。图5为继电器双极串联断开负载的波形。图中通道1为回路电流，通道1中采样电阻为3.3W，故电压值/3.3即为回路电流值。通道2为负载线圈两端电压，通道3为继电器断口电压。

在图4中，分断前通道1电压值1.68 V，可算得电流值为0.509 A，分断过程中测得电压1.2 V，回路电流为0.363 A。在继电器分断过程中，通道3测得的弧压最高值为28 V。从继电器开始产生弧压至回路电流降为0的时间为17.2 ms，即继电器分断时间为17.2 ms。

图5 继电器双极串联断开负载波形图

在图5中，分断前通道1电压值1.68 V，可算得电流值为0.509 A。分断过程中由于串联电弧的急剧变化，回路电流呈现较大的波动，总体电流较图4中出现较大下降。在继电器分断过程中，通道3测得的弧压最高值为44 V。从继电器开始产生弧压至回路电流降为0的时间为6.8 ms，即继电器分断时间为6.8 ms。

继电器触点的侵蚀大部分发生在触点分断过程中，分断电流越大，分断时间越长，则对继电器触点的侵蚀越严重，可能导致继电器寿命的降低。通过上述数据可以看出，在双极串联工况下，继电器弧压有较大提升（提升了将近1倍），继电器的分断时间由17.2 ms降低为6.8 ms，而分断电流则出现的明显的下降。故在双极串联工况下，可大大改善继电器触点侵蚀的情况。

4 结论

通过以上理论计算，并通过实际测试，在继电器单极分断和双极串联分断的情况下，继电器的断口弧压由28 V提升至44 V，且继电器的分断时间有17.2 ms降至6.8 ms。由以上实验可得出继电器的双极串联可大大提高继电器的分断能力，提高继电器的工作可靠性，大大提高了电子脱扣器的工作可靠性。

[1] Rieder W R. Low current arc modes of short length and time: A review[J]. IEEE Transactions of Components and Packaging Technologies, 2000, 23(2): 286-292.

[2] 刘教民. 低压电器开关电弧运动机理及仿真[M]. 北京: 科学出版社, 2013: 26-27.

[3] A.埃克, M . 施梅尔茨勒. 开关电器技术基础[M]. 北京: 机械工业出版社, 1984: 14-15.

Design and Test of Output Relay of Circuit Breaker Electronic Release

Qiao Qingyang1, Shen Yupeng2, Xu Taiya2

(1.Wuhan Institute of Marine Electrical Propulsion, Wuhan 430064, China;2.Wuhan Changhai, Wuhan 430064,China)

TM561

A

1003-4862（2019）12-0062-03

2019-04-17

乔卿阳（1989-），男，工程师。研究方向：电力电子技术，继电保护。E-mail: 379385267@qq.com