塑殼斷路器雙斷點技術(shù)的結(jié)構(gòu)特點分析

1、·研究與分析·低壓電器(2011No.5 吳金輝(1975,男,工程師,從事低壓斷路器的研制工作。塑殼斷路器雙斷點技術(shù)的結(jié)構(gòu)特點分析吳金輝(上海華聯(lián)低壓電器有限公司,上海201111摘要:介紹了低壓斷路器限流技術(shù),簡述了雙斷點分?jǐn)嗉夹g(shù)原理,分析了以雙斷點技術(shù)為代表的塑殼斷路器的結(jié)構(gòu)特點及優(yōu)缺點。關(guān)鍵詞:低壓斷路器;塑殼斷路器;雙斷點;電弧;分?jǐn)嗉夹g(shù)中圖分類號:TM 464文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號:1001-5531(201105-0011-03Analysis of Structural Characteristic for Moulded Case Circuit Brea

2、ker Double-break TechniqueWU Jinhui(Shanghai Hualian Low Voltage Electric Co.,Ltd.,Shanghai 201111,China Abstract :The limiting technique of low voltage circuit breaker and the principle of double-break interrupting technique was introduced.The structural characteristics as well as the advantages an

3、d disadvantages of modeled case circuit breaker (MCCB which was represented by the double-break technique were analyzed too.Key words :low voltage circuit breaker ;moulded case circuit breaker (MCCB ;double-break ;arc ;interrupting technique0引言由于現(xiàn)代電網(wǎng)容量的不斷提高,對于低壓斷路器的開斷能力的要求也越來越高,分?jǐn)嗄芰εc體積是各斷路器生產(chǎn)廠家的主題,在

4、提高開斷能力的前提下,盡量縮小產(chǎn)品的體積,一方面可以為開關(guān)柜等設(shè)備節(jié)約大量空間,另一方面還可以節(jié)約Cu 、Ag 等貴重金屬。為了提高斷路器的分?jǐn)嗄芰?一般來說,是提高其限流能力,讓短路電流限制在一定的范圍,以減小短路電流的能量和破壞力。為了提高限流能力,主要有2個途徑:充分利用觸頭回路之間的電動力,使觸頭快速打開到一定距離,產(chǎn)生電弧,利用提高電弧電壓來限制電路電流(電動力包括洛侖茲力和收縮電動力,洛侖茲力是利用二平行導(dǎo)電體之間的電磁效應(yīng)而產(chǎn)生,收縮電動力也叫霍姆力,是指二觸頭間因接觸面積急劇減小,電流線收縮而產(chǎn)生的電動力,該結(jié)構(gòu)特點是圍繞電弧能量理論和電磁理論而發(fā)展的;是通過研究新的導(dǎo)電材料,

5、利用其正溫度系數(shù)下電阻值的顯著變化來高效吸收故障電流產(chǎn)生的能量,進(jìn)行無弧分?jǐn)?方案由于無電弧產(chǎn)生,其安全性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于基于電弧理論的產(chǎn)品。但是,新材料的研制需要花費大量經(jīng)費,并且取決于科研單位的研發(fā)水平,目前還有很大的困難,相比較而言,方案的應(yīng)用比較廣泛而深遠(yuǎn)。本文主要討論的是塑殼斷路器。1雙斷點技術(shù)的原理及型式進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來,基于雙斷點技術(shù)為標(biāo)志的斷路器幸運而生,其基本原理在于利用整個回路開斷后產(chǎn)生2個斷點,相應(yīng)的產(chǎn)生2個電弧電壓,即u arc =u arc1+u arc2。根據(jù)電弧理論,產(chǎn)生一個電弧,相當(dāng)于產(chǎn)生一個大電阻,在短路電流過來時,電弧燃燒可以消耗吸收大量能量,從而達(dá)到限流

6、的目的。顯然,雙斷點型結(jié)構(gòu)較傳統(tǒng)的單斷點型結(jié)構(gòu)消耗的電路能量的能力提高了一倍。從國外各公司的產(chǎn)品的分?jǐn)嗄芰砜?采用雙斷點技術(shù)的產(chǎn)品,最高分?jǐn)嗄芰_(dá)到150kA ,并且做到I cu =I cs 。具體分?jǐn)嗄芰?shù)據(jù)如表1所示。11低壓電器(2011No.5·研究與分析·表1國外各大公司塑殼式斷路器的相關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)生產(chǎn)公司產(chǎn)品型號最高分?jǐn)嗄芰 cu (AC 400V /kA 機械壽命/次電壽命/次外形尺寸/(mm mm mm GEFD63/16015010000/250005000/1000081.0130.078.5FE1601504000020000104.7170.086

7、.0FE25015010000/250005000/10000104.7170.086.0施耐德NS1001505000030000105.0161.086.0NS1601504000020000105.0161.086.0NS2501502000010000105.0161.086.0NS400150150006000140.0255.0110.0NS630150150004000140.0255.0110.0ABBT max T28525000800090.0130.070.0T max T4120(L 型250008000105.0205.0103.5T max T5120(L 型250

8、008000140.0205.0103.5目前雙斷點技術(shù)主要有二種結(jié)構(gòu),一種是平行式雙斷點,如圖1(a 所示;另一種是旋轉(zhuǎn)式雙斷點,如圖1(b 所示。二種結(jié)構(gòu)的動觸頭均為一體化結(jié)構(gòu)聯(lián)動,2個斷口處的電動力作用于同一動觸頭上,因而受到的電動斥力為原來單斷點U形結(jié)構(gòu)的2倍,這樣提高了電弧電壓上升速度,同時還可以滿足斷路器較小尺寸的要求。 (a 平行式雙斷點 (b 旋轉(zhuǎn)式雙斷點圖1雙斷點限流結(jié)構(gòu)Tmax 系列采用上述雙斷點限流的結(jié)構(gòu),NS 和Record Plus 均采用旋轉(zhuǎn)式雙斷點。國內(nèi)公司也相繼開發(fā)了雙斷點型的產(chǎn)品,大多以旋轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)為主。2雙斷點型斷路器結(jié)構(gòu)優(yōu)點分析目前市場上以雙斷點技術(shù)為代表的

9、塑殼斷路器以優(yōu)秀的開斷能力而著稱,它主要綜合了以下幾個特點:(1形成雙斷點電弧區(qū),以此大幅度提高電弧電壓,強力限流,分?jǐn)嗄芰Ω摺Ｈ缟纤?雙斷點形成二個電弧電壓區(qū),損耗的能量是單斷點的2倍,因此,可以大量的吸收電路能量,限流能力強,分?jǐn)嘀笜?biāo)高。(2充分利用電動斥力,快速打開觸頭系統(tǒng),快速吸弧,快速限流。在觸頭系統(tǒng)設(shè)計上仍采用了傳統(tǒng)的U 形回路,產(chǎn)生電動力推開觸頭系統(tǒng),產(chǎn)生電弧,并可利用回路的自勵磁場,驅(qū)動電弧快速進(jìn)入滅弧室;滅弧室仍采用金屬柵片將長電弧分割為短弧,金屬柵片還可以吸收能量,大量傳遞熱能,利用三聚氰胺等產(chǎn)氣材料產(chǎn)生氫氣,冷卻電弧。(3防跌落式觸頭系統(tǒng)的設(shè)計。此結(jié)構(gòu)是一大亮點,各種雙

10、斷點型斷路器均設(shè)計了此結(jié)構(gòu),動觸頭可以利用導(dǎo)電回路產(chǎn)生的電動力,優(yōu)先斷路器的操作系統(tǒng)動作,提前打開觸頭系統(tǒng),并可以使21·研究與分析·低壓電器(2011No.5動觸頭打開后保持打開狀態(tài),防止因限流而使動觸頭回落,以防止電弧重燃,在操作機構(gòu)動作完成后,動觸頭可以重新返回原來狀態(tài),這樣產(chǎn)品的開斷時間非常短,斷路器開斷時間可以達(dá)到3ms左右,動作時間快,使短路電流持續(xù)時間減小,實現(xiàn)大幅度的限流。(4消除軟聯(lián)結(jié)、結(jié)構(gòu)簡單。由于動觸頭采用一體化結(jié)構(gòu),不需要像傳統(tǒng)的單斷點型產(chǎn)品那樣焊接軟聯(lián)結(jié),結(jié)構(gòu)簡單了。(5機械壽命和電氣壽命比較高。從表2看,雙斷點型產(chǎn)品的機械壽命都在25000次以上

11、,電氣壽命也在5000次以上。(6其他。各公司的產(chǎn)品都在提高分?jǐn)嗄芰翱煽啃苑矫嬗辛撕芏嘟Y(jié)構(gòu)設(shè)計。如NS的產(chǎn)品,采用封閉的滅弧室,單獨的氣流通道,提高了氣吹電弧能力。Tmax系列,操作機構(gòu)主要集中封閉在產(chǎn)品上部,有利于減小電弧及金屬粒子對操作機構(gòu)的影響,提高動作可靠性。3雙斷點型斷路器結(jié)構(gòu)缺點分析雙斷點技術(shù)存在一定的局限性,在設(shè)計和生產(chǎn)過程中應(yīng)該重視并盡可能減少這些不足之處,主要表現(xiàn)在以下幾個方面:(1操作力大。由于產(chǎn)品內(nèi)部有2個斷點,觸頭壓力提高了1倍,相應(yīng)的對操作機構(gòu)的操作力也有了較大的提高,這是市場上雙斷點機構(gòu)的共有特點。解決方法是在操作機構(gòu)設(shè)計上想辦法,盡量增大力臂或改變傳動方式,以減

12、小操作力。(2產(chǎn)品溫升較單斷點型高。由于每相增加了一個斷點,接觸電阻增加了1倍,相應(yīng)的溫升也會有所提高,在要求所耗銅材變化不大的前提下,主要靠提高接觸壓力和增厚鍍銀來解決,平均起來還是會較單斷點產(chǎn)品高一些,對彈簧等耐溫能力的要求相應(yīng)提高。為解決溫升問題,一方面要保證必須的接觸壓力,另一方面要增大一定的導(dǎo)電截面積。(3成本高。成本因素是電觸頭數(shù)量增加了1倍,耗銀量增加;是滅弧室數(shù)量亦增加了一倍;是零件的加工工藝難度加大,三者均制約了成本。(4體積有所增大。由于考慮操作力不能過大,加上滅弧室的放置空間等影響,雙斷點型產(chǎn)品的體積一般較單斷點型大一些,如表1、表2所示。表2單斷點產(chǎn)品的機械壽/電壽命及

13、外形體積生產(chǎn)公司產(chǎn)品型號機械壽命/次電壽命/次外形尺寸/(mmmmmm備注ABB公司S12500080007812070單斷點型S22500080009012070單斷點型S32500010000/8000105170103.5單斷點型S42000010000/8000105254103.5單斷點型S5200007000/5000140254103.5單斷點型S6200007000/5000210268103.5單斷點型常熟開關(guān)廠CM1-63H900060007613582單斷點型CM1-100H850060009015586單斷點型CM1-225H70003000105165103單斷點型C

14、M1-400H40002000140257103單斷點型CM1-800H40001500210275103單斷點型(5短時耐受電流能力未明顯提高。限流型斷路器的通病是對短時耐受能力的制約。塑殼斷路器以A型產(chǎn)品為多,不利于發(fā)展為B型產(chǎn)品,即使是B型產(chǎn)品,短時耐受電流也不高。主要原因是:產(chǎn)品體積小,導(dǎo)電截面積小;電動回路限流的使用;兩者導(dǎo)致的后果是導(dǎo)電觸頭系統(tǒng)的電動力很強,電流線密集,電熱穩(wěn)定性減弱,觸頭(下轉(zhuǎn)第27頁31·分布式電源·低壓電器(2011No.5er-based micro-gridsJ.Electric Power Systems Re-search,2007

15、(77:1204-1213.2溫小林.獨立光伏系統(tǒng)中四橋臂逆變器的數(shù)字控制J.電氣開關(guān),2009(4:12-14.3DUGAN R C,MCDERMOTT T E.Distributed gener-ationJ.IEEE Industry Application Magazine,2002,82,8(2:19-25.4林金燕,王正仕,陳輝明,等.一種高性能三相四橋臂逆變器控制器的設(shè)計J.中國電機工程學(xué)報,2007,27(22:101-105.5樂健.基于統(tǒng)一數(shù)學(xué)模型的三相四線有源電力濾波器的電流滯環(huán)控制策略分析J.中國電機工程學(xué)報,2007,27(10:85-90.6劉秀翀,張化光,陳宏志.

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17、.IEEE TransPESC2008,7:4362-4367.11WANG X G.Three-Phase Four-Leg Active PowerFilter Based on Nonlinear Optimal Predictive ControlCIEEE Trans.Proceedings of the27th ChineseControl Conference,2008:217-222.12ZMOOD D N,HOLMES D G.Stationary Frame Cur-rent Regulation of PWM Inverters with Zero Steady-stat

18、e ErrorCProc of PESC1999.SC,USA,1999:1185-1190.13胡文華,馬偉明,劉春喜.一種新型交流PI調(diào)節(jié)器及其在逆變電源中的應(yīng)用J.電氣傳動,2010,40(1:38-42.14FRANCIS B A,WONHAM W M.The internal modelprinciple of control theoryJ.Automatica,1976,12(5:457-465.15孔雪娟,王荊江,彭力,等.基于內(nèi)模原理的三相電壓源型逆變電源的波形控制技術(shù)J.中國電機工程學(xué)報,2003,23(7:67-70.16張曉勇,王軍,李川,等.基于三維空間矢量中分量控制的三相四橋臂逆變器J.電力自動化設(shè)備,2010,30(12:70-73.收稿日期:檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿20110117(上接第13頁間震動大、發(fā)熱大,均不利于提高短時耐受電流能力,雙斷點型斷路器在此方面未能明顯改善。(6雙斷點燃弧能量的不平衡。斷路器的電磁場和電弧非常復(fù)雜,受影響的因素眾多,2個斷點很難做到開斷一致,故容易造成燃弧能量的不平衡問題,也就是2個