低压断路器临界直流负载电流试验探讨*

王文强，高原彬，康志林

(甘肃电器科学研究院,甘肃 天水 741018)

0 引 言

新的能源格局下直流电的应用场景日趋丰富，直流断路器作为保障输配电回路及设备安全可靠运行的保护电器，越来越多的使用在直流输配电系统。交流在工频每半个周期必然通过一次零值[1]。交流断路器由于存在电弧过零点，容易进行分断控制，相比较直流断路器的分断就不是那么容易了，因此直流断路器的故障电弧特性研究也成为了直流电力系统需要关注解决的关键问题之一[1]。针对电器行业当下发展要求，国家市场监督管理总局和国家标准化管理委员会定于2021年4月1日实施的低压开关设备和控制设备标准GB/T 14048.2-2020对断路器增加了临界直流负载电流试验规定，临界负载电流是在使用条件范围内燃弧时间明显延长的分断电流[2]。笔者分析断路器分断原理，搭建实验装置，研究探讨断路器开关电弧理论，在现有直流电流试验平台基础上通过改造试验回路实现断路器临界直流负载电流的试验检测。基于直流电流试验平台改造的临界直流负载电流试验方法具有经济、可行、科学、可靠的实用价值。

1 断路器电弧理论

1.1 电弧的产生

断路器作为电路的开关装置，能够实现在短时间内分断接通电路的功能。断路器开关分断过程中电压电流超过一定的界限在触头间会电离出低温等离子体，触头间空气由绝缘状态变成可导通的游离态，发生气体放电现象，这就是电弧。研究电弧知识，可掌握电弧规律，弄清临界负载直流电流及熄弧特性。

1.2 直流电路及其电弧

图1所示为电弧分析等效简化直流电路图，其中有电阻R、电感L和断路器触头QF，直流电压源U，电路闭合状态下有电流i流过。

图1 电弧分析等效简化直流电路图

断路器触头QF从闭合电路分断动作，分开一定长度时电弧燃烧,断路器两极间有端电压uh，此时有电压平衡方程式：

(1)

由式(1)可知触头间端电压uh和电流i关系为非线性的，根据式(1)做电压uh和电流i的电路特性图如图2所示。

图2 电弧电路伏安特性曲线图

图2中有A、B两条电弧伏安特性曲线，曲线A为断路器分断过程假定在弧长一定条件下电流减小的特性，直线B是(U-iR)的值，A、B交于1、2两点，点1和点2将A、B间区域划分成三个区域，交点1、2分别对应电流I1和I2， (U-iR)-uh就是电感电压L×di/dt的值。

由图解法可知点1和点2处有L×di/dt=0，uh=U-iR，电弧稳定燃烧。针对点1附近做电弧燃烧分析，电流略微增加，工作点进入L×di/dt>0 区，电流继续增大到I2才能再次稳定；电流略微减小，工作点进入L×di/dt<0 区，弧电压uh增大，电感抑制作用使得电流减小，一直减小到零值电弧熄灭为止，所以在点1附近电弧燃烧实际并不稳定。针对点2附近做电弧燃烧分析，电流略微增大，工作点进入L×di/dt<0 区，电路电感电压有下降趋势抑制这种变化使电流自动减小到I2保持电弧稳定；电流略微减小，工作点进入L×di/dt>0 区，电路电感电压有增大趋势补偿电流值回到I2保持电弧稳定。因此点2附近保持电弧稳定燃烧，是断路器电弧稳定燃烧点。

uh>(U-iR)

(2)

减小电流使di/dt<0，则式(1)变成了式(2)，满足式(2)是断路器电弧的熄灭条件。当A、B交于两点1、2时，由针对1、2点的分析，I2及附近电弧稳定燃烧，只有i

2 试验方法研究

2.1 试验回路与装置

GB/T14048.2-2020规定临界直流负载电流试验是适于且仅在直流断路器部分进行的试验项目。试验电路回路由GB14048.1-2012给出如图3所示。

图3 单极电器验证临界直流负载电流试验电路图(注：试验电路不使用金属丝网和熔断元件。)

如图3所示，单极电器验证临界直流负载电流试验电路图由电源、被试电器和负载电路组成。S是试验电源，D是试验直流断路器，B表示整定用临时连接线，Z是阻抗负载电路，负载电路由电阻器串联铁芯电抗器组成。在试验电源侧和试品两端分别测量ur1和ur2，I1表示试验回路电流值，接地点T可以连接在电源侧的星形点或者负载侧的星形点，回路有且只有一点接地，正常运行时电器的外壳等接地部件和地绝缘。直流断路器试验时安装在其本身的支架上或者等效的连接支架上，并且试验在自由空气环境中进行。

2.2 试验方式

选取直流断路器在制造商规定的最大直流工作电压下进行试验，当最大工作电压大于50 V时试验电压为1.1倍的工作电压。具有可调脱扣器的断路器，试验在最大脱扣整定值下进行。

在不超过试品断路器额定电流条件下，临界试验在±10%允许偏差范围内通以4A，8A，16A，32A，63A的试验电流开展试验，如果有拓展电流范围的需要，试验可以施加2倍关系电流在允许范围内寻找临界值。在每一试验电流条件下断路器闭合操作和断开操作各5次，如果试品给出规定直流电流方向，按照试品给出的电源或负载端极性标志通电流，如果制造商未规定直流方向，则对断路器进行5次正向操作，5次反向操作。确保每一试验电流方向合适，根据最大燃弧时间平均值确定直流负载电流临界值。验证试验电流的最高值和最低值所对应的关合开断燃弧时间规定比临界值的平均燃弧时间要短，如果电流临界值不在这些标准值里,则无需进行下一步试验。[3]

在每一次关合分断循环中,直流断路器保持闭合时间足够长确保试验通以全电流得到准确可靠的临界直流负载电流,但闭合时间不能超过2 s，在试验过程中燃弧时间不超过1 s。在该试验中,在相同条件下,在电流和相对应的临界值的方向,对同一样品应进行50次操作[3]。

3 th与临界直流负载电流关系的确定

确定直流负载电流临界值的过程中燃弧时间th这一参数对于试验结果的分析具有重要作用，th表示断路器从开合产生电弧到灭弧完成这一过程的时间间隔。由公式(1)可得:

(3)

规定断路器发生燃弧时的时间t值为0，当电流为I，t=th时电弧熄灭，电流为0，根据条件变换式(3)得：

(4)

(5)

推导公式(5)表明断路器燃弧时间th受回路感性负载电感L、电流I、断路器开断弧压uh值的影响，又由图2电弧电路伏安特性曲线图可知uh为非线性关系，可以使用图解法做近似计算。燃弧时间th同电流I、电感L相关即回路电感增大或电流增大使得燃弧时间增大；同弧压uh相关即断路器关合分断过程燃弧位置电压越大燃弧时间反而越短。

由于直流电路不存在过零点的特性，断路器分断变得困难，在直流断路器分断过程中由于感性容性负载的影响，伴随着电磁能量转换影响断路器工作性能，所以必须考虑燃弧时间th，临界直流负载电流就是最长燃弧时间下的燃弧电流[4]。

4 结 语

从修订后的断路器新版国标对临界直流负载电流试验要求入手，分析了断路器燃弧电路及燃弧特性，对回路以及方法进行了解读运用，并做了燃弧时间t1和临界直流负载电流关系问题的推导论证。文中探讨断路器临界直流负载电流试验方法，提供了在直流电流试验平台基础上改造试验回路进行临界直流负载电流试验的方法思路，这种试验方法具有经济、可行、科学、可靠的优点，希望可以供检测研究机构借鉴参考。