基于限流分断塑壳断路器的设计应用

黄和平 顾章平 吴 斌 冯学礼 江华华 黄林弟

（1.浙江正泰仪器仪表有限责任公司 2.浙江正泰电器股份有限公司）

0 引言

随着世界工业经济的高速发展，用电、输电、配电及发电快速增长的用电网络带来用电容量爆炸式的增长，传统限流塑壳断路器越来越不能满足不断增大的短路电流分断、接通、承载的要求，目前常见的传统限流塑壳断路器，在扩容分断实验中触头导电回路中热双金断裂和触头熔断问题是主要失效模式，传统限流塑壳断路器中针对触头熔断分析研究的成果很多，例如以陈德贵、连理枝、陈修祥、张铁、钱柜、李广利等于同时间段在行业杂志发表了相关的论文成果，针对触头熔断的成因就是触头导电系统在额定分断时间内，实际产生的短路电流大于限流分断电流，动静触头之间产生的分断电弧热量大于限流允通能量，其对策措施采用限流线、限流电阻、双断点、双灭弧、VJC，蒸汽喷射等限流技术手段［1－5］，经多年的研究和广泛应用，技术相对成熟，积累了一定的经验。相对分断实验中触头导电回路中热双金熔断和软联结与双金焊接连接面处拉断问题的研究和对策较少，除双金焊接连接面处拉断主要是分断动作对软联结产生剪切作用造成外，其热双金熔断的成因与触头熔断相同（由短路分断电流和接通电流的热效应累计所致）；借鉴现有成熟技术、采用简单紧蹙结构、开发小体积、长寿命、低成本、快速分断、高分断能力、高限流能力、低允通能量的中等限流效应的（5～30A）直热式结构塑壳断路器，替代现有传统限流塑壳断路器、同时解决现有（5～30A）传统限流塑壳断路器双金熔断和触头熔断问题，63～1600A限流能力曲线，是国内制造研发厂家研究的课题和热点之一。

1 塑壳断路器分断与限流技术原理

塑壳断路器的分断技术是指：在额定分断时间与额定分断电流两维度坐标系内，以比预期更短的分断时间，与比预期短路电流更小的实际限制短路电流相乘，得到的容积内，实际限制短路电流和电弧最高电压，比预期短路峰值电流和预期短路峰值电压，更快的上升、更早的出现、限制短路电流最快的速度终止流通、限制短路电流作为分断电流开全可靠的消除电弧，消耗最小容积的分断电流电弧能量，限制短路电流过零点时，塑壳断路器的动触头与静触头呈绝缘性质的分闸状态（见图1）。

图1 限流分断技术原理图

在短路发生产时，当短路电弧的阻抗接近实际短路回路阻抗时，首先要更快地提高短路分断电流峰值和限制短路峰值电压，比预期短路峰值电流和预期短路峰值电压更早的到来，通过限制短路电流的增长速度，所通过的限制电流，低于预期的短路电流值的能力称为塑壳断路器的限流能力。

1.1 评价限流塑壳断路器分断接通能力标准

GB14048.2规定了塑料外壳式断路器的额定短路分断能力两种能力电流评价：额定极限短路分断电流ICS和额定运行短路分断电流ICU。ICS与ICU获得实验条件与关系见表1。

表1 ICS与ICU的实验条件与关系示例

经按实验条件实验（包括型式实验报告），ICS符合ICU符合规定的标椎比例关系的限流塑壳断路器，ICS均是合格有效短路分段能力的。

分断能力校验：在实际的应用支路中，分断分断能力以经济可靠性优选ICU大于或等于Imaxsc安装点预期最大短路电流。

1.2 评价限流塑壳断路器接通能力标准

在解决传统限流塑壳断路器热双金熔断，除要考核短路分断能力的ICS外，还要考核短路接通能力，考核指标短路电流峰值的热稳定性（见表2）。热稳定性指标包括三要素：额定短时耐受电流IK、额定峰值耐受电流Ip、额定短时持续时间tk。 即：

表2 实验电流、电流Ip、峰值系数、cosφ、时间常数

提高分断能力主要从提高限流能力着手，设计具有高限流效应的电动斥力机构，同时，在外形缩小以后，保留尽可能大的灭弧空间，有效控制电弧反向转移游离气体外逸。

限流选择型断路器是低压断路器重要发展方向之一，它的意义不仅在于断路器本身，而且能大幅度降低低压成套配电装置动、热稳定性要求。对发展新一代紧凑型低压配电装置十分有利。

2 中等限流电动斥力机构的设计

2.1 设计中等限流电动斥力机构目的与措施

为了解决某一传统塑壳断路器5～30A壳架电流63A的小规格产品（直热式结构产品）在升容125A／330010～63A的过程中，分断试验时存在热双金属烧断情况，采用上进线静触头导电回路增大限流电阻、U型限流线、U型与L型复合限流线、增设引弧脚伸进灭弧罩措施（见图3）。达到中等限流目的，降低热双金属与动触头导电回路与静触头导电回路的Ip电流与热效应（A2s）。

图2 为传统限流塑壳断路器的静触头结构，图3是在图2的基础上改进后的限流型静触头结构示意图。

图2 改进前静触头示意图

图3 改进后的静触头示意图

2.2 中等限流电动斥力机构分析

如图4、图5所示，建立的峰值耐受电流Ip，与F·L组成电动斥力力矩，组成的中等限流电动斥力机构，其原理是在动触头热双金导电回路与平行的静触头导电回路在正常有电位差的两点之间，发生一起阻抗极小的故障引起的电流，称为短路电流。短路电流经线圈的励磁作用，产生放大的峰值耐受电流Ip，Ip经平行导电回路产生电动斥力F，电动斥力F与Ip在热双金上产生的热弯曲驱动脱扣机构，将动触头围绕旋转轴与静触头2～5ms，在2～5mm之间将电弧熄灭，电流过零点，动触头与静触头恢复绝缘状态的可靠分断和脱扣。热双金的工作特性：长延时1.35In延时10min内脱扣。为了防止热双金的熔断，必须严格设定分断能力和瞬式脱扣设定；限制在预期电流峰值 到来之前，Ip和热效应（A2s）加以限制。

图4 中等限流电动斥力机构示意图

图5 中等限流电动斥力分断等效电路图

2.3 上进线静触头导电回路限流电阻分析

为了分析动静触头电动力矩，对则取动静触头为目标分析模型，其余零部件作阻抗处理，结合表3与图4，计算动静触头导电回路电阻；动触头旋转轴开始的旋转力矩L取33.26mm。

表3 中等限流电动斥力机构材料电阻值

传统动静触头导电回路电阻＝静触点与静触板接触电阻（0.024Ω·m）＋动触点与动触·板接触电阻（0.006Ω·m）＋图4所示材料电阻值（17.515Ω·m）＝17.545Ω·m。

改进后的动静触头导电回路电阻＝静触点与静触板接触电阻（0.024Ω·m）＋动触点与动触·板接触电阻（0.006Ω·m）＋接线板与限流线接触电阻（0.044Ω·m）＋图4所示材料电阻值（17.515Ω·m）＝17.589Ω·m。

2.4 中等限流短路电流分断断路器等效电路建模

式中，L为动触头旋转轴开始的旋转力矩，mm；d为动触头与静触头通电间距，mm。

结合图1、图4、图5，分析电动斥力机构在接通到分断0～5ms内完成0～5mm的动触头与静触头的分断，计算电动斥力F与分断电流Ip；按2.176mm的动触头与静触头通电间距计算：L电感远远大于线路电阻R，在电弧电压从0上升到等于电源电压例如440V，电弧电流达到最大值，当电弧电压大于电源电压例如440V，分断电流Ip开始下降直至到0，整个过程在5～6ms完成。

2.5 （5～30A）直热式塑壳断路器改进前与改进结果对比

根据式（2）、式（3）计算得表4内容。

表4 （5～30A）直热式塑壳断路器改进前与改进后短路电动力矩、短路电流、热能量结果对比

由表4所示：改进后与改进前相比，短路电动力矩以及短路电流均减小。

3 中等限流特性断路器功能设计

3.1 直热式塑壳断路器过载不报警设计

过载报警不脱扣功能根据国标GB50054要求，新设计过载报警不脱扣功能，即当线路发生过载故障时不是马上切断电路，而是发出一个报警信号，使用户根据需求处理故障，从而保证重要负载供电连续性，满足用户特殊需求。该功能由基座、拉杆、热脱扣器、转换开关、导线、螺钉组成，如图6所示。

图6 中等限流过载不报警机构示意图

3.2 中等限流热磁保护可调功能设计

一般塑壳断路器过载，短路保护都是在生产厂家整定校验合格后，供用户使用，用户不能自行调整保护参数。如遇负载容量变化，气温升高断路器会出现误动现象。为解决用户需求，设计了热磁保护可调功能，长延时调节范围在额定电流的（0.7～1.0）In，瞬时特性调节范围在额定电流的（6～12）In可调。这样用户可根据用电实际情况调整开关保护特性。新功能由支架、拉杆、旋钮、牵引杆、弹簧、螺钉、衔铁面盖组成，如图7所示。

图7 中等限流热磁保护可调功能机构示意图

3.3 中等限流漏电启停功能设计

漏电断路器的功能是当线路出现漏电故障时切断电路的保护开关。正常情况下，发生漏电故障，产品会马上断开。但在特殊情况下，负载不需断开电路且保持连续供电，可暂时关闭漏电保护功能或如光伏组串，断相保护单路控制功能［6］，只完成断路器的功能。漏电启停功能正是按此需求设计，当出现特殊故障时，只需按下红色按钮，便可正常供电。漏电故障解决后，再轻按红色按钮，又回复漏电保护功能。该功能为供电连续性，稳定性提供保障，为用户提供更多选择。启停功能由漏电断路器本体、线路板、脱扣器、零序电流互感器、面盖、按钮、导线组成。

4 中等限流断路器限流特性曲线

被限制短路电流限流曲线（63～1600A）如图8所示。

图8 63～1600A限流曲线

被限制短路能量曲线（63～1600A）如图9～图14所示。

图9 63A／125A能量线

图14 1250A／1600A能量线

图10 160A能量线

图12 400A／630A能量线

图13 800A／1000A能量线

ICS值由IEC60947－2标准规定，并通过测试加以保证。

测试程序如下：

1）连续分断电流3次，分断电流＝100%ICU

2）检查设备是否满足正产运行要求，即：①通过额定电流时温升正常。②保护功能在标准规定的范围内动作。③隔离功能绝对安全，未受到任何影响。

5 限流断路器限流特性应用

限流断路器的限流能力可通过两条曲线来选择，随着预期短路电流（如果没有保护设备，将流过的短路电流）的大小变化：

1）实际的峰值电流（限流）；

2）热效应（A2s）。即电阻为1Ω的导体通过短路电流时的能量损耗。

例如一个预期短路电流150kArms（均方根值，峰值为330kA），经壳架电流250A限流断路器上级断路器限流后，查图11可得，实施峰值电流为30kA。

图11 250A能量线

表5 列出了根据电缆的材料（铜或铝）和截面积所决定的最大允许过热等级，其中截面积以mm2为单位，热应力则以A2s为单位。例如：根据本设计限流断路器是否足以保护。

表5 被限制电缆最大允许热应力标准

根据本设计限流断路器是否足以保护截面积为10mm2的铜PVC电缆，如表5所示，壳架160的允许的热应力为1.32×106A2s，限流断路器ICS＝35kA，安装点的短路电流限制在不超过6×105A2s的热应力。

故此，限流断路器可保护电路电缆。将一台断路器安装在限流断路器的下级，其分断能力会因上级断路器的限流特性大大提高。这种技术称为级联技术，可以减少下级开关和和附件的投资、降低短路电流对设备的破坏，延长电气设备寿命。降低热效应的温升，提高电缆寿命，电动力的降低，大大降低触头与母线被变形或破坏的风险，电磁效应的降低，减少对附件测量设备的干扰。

6 结束语

本文基于限流分断塑壳断路器的设计，以中等限流断路器设计为例，同原理采用增大触头限位电阻自然排斥旋转分断、与具有两个陡峭波前的串联电弧电压旋转分断技术实现其优越的限流能力、给出63～1600A壳架电流的断路电流限流曲线、热应力能量曲线、电缆最大允许热应力标准、中等限流热磁保护可调、过载不报警、漏电启停功能。就调试实验数据、工程应用实例和效果来看，可以降低故障电流产生电动力，由此可大大提高断路器的分断能力，并且可以达到ICS＝100%ICU。结果表明，电动斥力、短路电流与允通能量降低30%以上，该技术有效地提高了塑壳断路器的中等限流效应和限流分断性能。为电配电系统提供一，低限流系数、高功率因数、低功耗、高分段具有级差限流，多功能保护的高质量限流分断塑壳断路器，大大降低电配电系统整体成本。