論小型直流斷路器的高可靠性(終稿)

1、論小型直流斷路器的高可靠性 北京人民電器廠有限公司南寅 趙志群 張自峰 張書瑞 王文進(jìn)2011-5-20摘 要: 介紹了符合 AP1000核電標(biāo)準(zhǔn)的 GM5T-63小型直流斷路器,創(chuàng) 造性地設(shè)計(jì)了新型滅弧系統(tǒng)和脫扣系統(tǒng),滿足了小型直流斷路器無極性保護(hù)和 AP1000核電標(biāo)準(zhǔn)中的抗震要求,可任意接線,可逆電流保護(hù),壽命可預(yù)測,抗 震能力好, 應(yīng)用在交流場合不需降容等需求, 并將斷路器的選擇性保護(hù)能力大幅 提高。 如應(yīng)用在核、 熱電廠、 變電站、 光伏發(fā)電、 高速鐵路等直流電源保護(hù)系統(tǒng), 將會給系統(tǒng)帶來高安全性和高可靠性。關(guān)鍵詞:直流斷路器 逆電流保護(hù) PV 核電 電力直流自北京人民電器廠有限公司

2、 1996年在全球首推 20kA 小型直流斷路器至今已 有 15年了,小型直流斷路器以體積小、分?jǐn)嗄芰Ω摺⒎雷o(hù)等級高、可重復(fù)使用、 有斷路器狀態(tài)指示和故障報(bào)警指示等特點(diǎn),在電力系統(tǒng)得到廣泛的應(yīng)用。在這 15年的應(yīng)用中也發(fā)現(xiàn)了許多問題,特別是隨著智能電網(wǎng)對直流系統(tǒng)安 全等級要求的提高, 現(xiàn)有小型直流斷路器技術(shù)水平和標(biāo)準(zhǔn)已不能適應(yīng)高安全性和 高可靠性的要求。1. 目前直流斷路器相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的不完善(1 抗震等級要求沒有規(guī)定日本本州島發(fā)生 8級以上地震, 致使福島第一核電站直流電源和備用電源系 統(tǒng)全部失效, 雖然有其它各種原因造成, 但這仍然給我們電力系統(tǒng)一個(gè)提示, 如 萬一發(fā)生地震, 發(fā)電廠和變電站中

3、的直流電源系統(tǒng), 要確保應(yīng)用于直流電源系統(tǒng) 中的保護(hù)電器能抗 8級以上的地震。 目前我們現(xiàn)行的直流斷路器標(biāo)準(zhǔn)中, 對這一點(diǎn)沒有做明確的規(guī)定,而 AP1000核電標(biāo)準(zhǔn)則規(guī)定了斷路器在震級、裂度、在一 定高度時(shí) X、Y、Z 三個(gè)方向的抗震水平。(2 逆電流時(shí)不能保護(hù)直流電流因無過零現(xiàn)象, 電弧很難熄滅。 當(dāng)斷路器斷開時(shí), 小型斷路器的開 距只有 5mm 左右,滅弧柵片又多達(dá) 9片以上,每兩片柵片之間的距離又在 1mm 左右;所以,柵片之間的弧阻遠(yuǎn)大于動、靜觸頭 5mm 開距產(chǎn)生的弧阻,電流肯定 不經(jīng)過滅弧室而流向弧阻小的動、靜觸頭通路,此時(shí),動、靜觸頭之間產(chǎn)生的電 弧因不能被冷卻和拉長, 導(dǎo)致電弧

4、在動、 靜觸頭之間燃弧, 將產(chǎn)生高達(dá)幾千度的 高溫,將會使斷路器燒毀。為使觸頭之間弧阻大于滅弧室的弧阻, 使電弧能夠經(jīng)過滅弧室進(jìn)行冷卻和拉 長, 達(dá)到熄滅電弧的作用, 常規(guī)小型直流斷路器一般在靜觸頭下方區(qū)域設(shè)置磁鋼, 利用磁鋼產(chǎn)生磁場,強(qiáng)制將電弧拉長,迫使其從動、靜觸頭之間流向滅弧室,最 終達(dá)到分?jǐn)嘀绷麟娏鞯淖饔?。磁鋼的極性以固定的極性方向放置在斷路器觸頭系統(tǒng)中, 特別要求電流在斷 路器內(nèi)部以一定方向流動, 這將使得產(chǎn)生的電弧受到磁鋼磁場力的作用, 被吹向 引弧角。所以,當(dāng)外接線時(shí),要求必須認(rèn)準(zhǔn)斷路器上+、-極標(biāo)記進(jìn)行接線。一旦 正、負(fù)極接反,在事故狀態(tài)下,電弧反吹,斷路器將無法分?jǐn)嘀绷麟娏鳌?/p>

5、 一個(gè) 220kV 變電站在有分電屏?xí)r需用小型直流斷路器幾百只, 成套設(shè)備企業(yè) 要對每只斷路器正負(fù)極接線做仔細(xì)的核對, 才能確保系統(tǒng)的安全性與可靠性。 因 +、-極接線接錯(cuò)而導(dǎo)致斷路器燒毀的事故在工程現(xiàn)場經(jīng)常發(fā)生。(3 使用壽命不能預(yù)知斷路器的使用壽命到底有多少年, 現(xiàn)在大多數(shù)產(chǎn)品沒做規(guī)定和試驗(yàn), 僅有部 分標(biāo)準(zhǔn)對斷路器機(jī)械壽命和電氣壽命做出了建議。 但機(jī)械壽命和電氣壽命不代表 產(chǎn)品使用壽命, 只代表在規(guī)定的各種條件下的分?jǐn)啻螖?shù), 因斷路器的金屬導(dǎo)電件 由絕緣材料包裹,絕緣材料、導(dǎo)電材料因長期受熱、受力的影響而產(chǎn)生老化、變 形, 導(dǎo)致斷路器保護(hù)功能和操作功能失效, 所以斷路器的使用壽命是由它的

6、材料、 機(jī)、電壽命等綜合因素所決定。AP1000核電標(biāo)準(zhǔn)里關(guān)于產(chǎn)品使用壽命的規(guī)定是:由熱老化和運(yùn)行老化次數(shù)和時(shí)間所決定:如產(chǎn)品使用壽命為 15年,它的試驗(yàn)要 求為:熱老化試驗(yàn):要求斷路器在 100的高溫環(huán)境下,進(jìn)行 48天熱老化試驗(yàn), 產(chǎn)品特性和性能均保持不變;運(yùn)行老化試驗(yàn):對斷路器通以 200%600%額定電流時(shí)進(jìn)行 6次過負(fù)荷跳閘 試驗(yàn)。在 100%額定條件(電壓和電流下手動操作 375次(每分鐘最多 4次 。(4 短路故障無選擇性保護(hù)直流斷路器上下級之間的選型正確與否直接關(guān)系到直流系統(tǒng)出現(xiàn)短路故障 時(shí), 是否能把故障限制在最小范圍內(nèi)。 在有分電屏的直流系統(tǒng)中, 小型直流斷路 器大多應(yīng)用在

7、測控保護(hù)屏和分電屏上, 這兩種屏上的小型直流斷路器現(xiàn)在大多沒 有選擇性保護(hù), 只要出現(xiàn)短路故障, 上下級小型直流斷路器都會動作, 帶來事故 擴(kuò)大的危害。2. 適合于電力直流系統(tǒng)的小型直流斷路器應(yīng)具備以下條件過載保護(hù);短路保護(hù);逆電流保護(hù);抗 8級以上地震;使用壽命達(dá)到 15年; 全選擇性保護(hù)。3. GM5T-63小型直流斷路器如何實(shí)現(xiàn)抗 8級以上地震小型直流斷路器過載和短路保護(hù)時(shí), 機(jī)構(gòu)中的一種叫鎖扣的零件受雙金屬片 的彎曲帶動或受電磁力驅(qū)動的鐵芯帶動脫離跳扣, 而使機(jī)構(gòu)動作, 機(jī)構(gòu)中的儲能 彈簧帶動動觸頭離開靜觸頭, 從而使電路斷開。 因?yàn)橛秒p金屬片受熱彎曲的力使 斷路器斷開, 這就要求鎖扣

8、和跳扣的搭扣力非常小, 才能實(shí)現(xiàn)高靈敏脫扣。 但也 帶來了在地震時(shí), 斷路器脫扣器容易受震動而脫扣, 產(chǎn)生誤動的嚴(yán)重后果; 既要 在故障時(shí)高靈敏地脫扣,又要在地震發(fā)生時(shí)不能誤脫扣,GM5T-63小型斷路器的 跳扣和鎖扣的搭扣面創(chuàng)新地采用弧型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì), 很好地解決了抗 8級以上地震的 技術(shù)難題。 斷路器安裝在直流屏上, 根據(jù) 1E 級設(shè)備抗 8級地震的要求進(jìn)行試驗(yàn), 結(jié)論為無誤脫扣。4. GM5T-63小型直流斷路器如何實(shí)現(xiàn)逆電流保護(hù)GM5T-63小型直流斷路器采用了強(qiáng)制隔弧技術(shù)和電弧引導(dǎo)技術(shù), 可使斷路器 接線時(shí)無極性要求,并且能夠可靠實(shí)現(xiàn)逆電流保護(hù)。具體實(shí)現(xiàn)原理如下:當(dāng)小型直流斷路器在手柄的

9、驅(qū)動下, 或在電路中出現(xiàn)故障電流時(shí), 動觸頭對 靜觸頭做斷開運(yùn)動并產(chǎn)生間隙, 一個(gè)高強(qiáng)度絕緣材料制成的絕緣件在動觸頭運(yùn)動 的驅(qū)使下插入上述的間隙中; 當(dāng)動觸頭對靜觸頭做閉合運(yùn)動時(shí), 上述絕緣件在動 觸頭運(yùn)動的驅(qū)使下從動、 靜觸頭之間的間隙中退出, 絕緣件的運(yùn)動方向與動觸頭 運(yùn)動方向相反, 這相當(dāng)于在動、 靜觸頭間加入了一個(gè)無窮大的電阻, 絕緣件將大 部分電弧迅速拉長、隔斷,使得靜觸頭部分電弧沿著上弧角向滅弧室方向運(yùn)動, 動觸頭部分電弧沿著下弧角也向著滅弧室方向運(yùn)動, 進(jìn)而被滅弧室熄滅; 剩余的 少量電弧被絕緣件強(qiáng)制拉長, 電弧電阻被迅速提高, 進(jìn)而電弧電壓迅速增大, 大 幅減小了電弧被熄滅的時(shí)

10、間。 這解決了動、 靜觸頭之間的弧阻大于滅弧室弧阻的 問題,達(dá)到了由滅弧室滅弧的要求。強(qiáng)制隔弧件在插入動靜觸頭前, 電弧已經(jīng)產(chǎn)生, 此時(shí)電弧通過一個(gè)特殊形狀 的滅弧片, 將停留在觸頭之間的電弧引導(dǎo)至滅弧室進(jìn)行滅弧, 從而保護(hù)了觸頭不 被電弧燒毀。 5. GM5T-63小型直流斷路器如何實(shí)現(xiàn)選擇性保護(hù)直流斷路器上下級之間的選型正確與否以及是否把直流電源的故障電流限 制在最小范圍內(nèi), 關(guān)系到電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全, 對防止系統(tǒng)破壞、 事故擴(kuò)大和設(shè) 備損壞極為重要。北京人民電器廠有限公司通過多年的試驗(yàn)研究,開發(fā)出GM5T-63L 快速限流型和 GM5T-63H 延遲動作型的小型直流斷路器, 能滿足直流系

11、 統(tǒng)對小型斷路器的限流和全選擇性保護(hù)的要求。北京人民電器廠有限公司根據(jù) GM5T-63L 小型斷路器與 GM5T-63H 小型斷路器 的限流曲線(見圖一和能量限制曲線(見圖二 ,設(shè)置五檔回路電阻值,針對 不同容量蓄電池組所產(chǎn)生的不同短路電流, 做了各級間的短路配合試驗(yàn), 制作如 下 GM5T-63系列小型直流斷路器級差配合表 (見表一 , 供用戶設(shè)計(jì)選型時(shí)參考。 在確定了蓄電池容量以后,用戶只需計(jì)算從蓄電池至保護(hù)屏之間回路電阻值數(shù) (只計(jì)算導(dǎo)線、電纜和導(dǎo)體的電阻值,不要含斷路器的內(nèi)阻和蓄電池內(nèi)阻值 , 對應(yīng)配合表中回路電阻值數(shù),查找出可配合(T的上級斷路器和下級斷路器額定電流值即可。 圖一 G

12、M5T-63L、H 系列小型直流斷路器限流曲線表一 GM5T-63L、H 系列小型直流斷路器級差配合表 續(xù)表一 GM5T-63L、H 系列小型直流斷路器級差配合表 一是根據(jù)眾所周知的小型斷路器限流特性： 斷路器的反向斥力觸頭在通過短 路電流時(shí)，觸頭間產(chǎn)生電動斥力限制了短路電流，并且斷路器動作速度快（短路 電流越大脫扣速度越快） ，觸頭迅速分?jǐn)啵苟搪冯娏髟谏仙型?，沒有達(dá)到預(yù) 期電流值前而下降，最終降為零。即斷路器在短路電流上升過程，具有“截?cái)唷?電流的能力。 二是根據(jù)北京人民電器廠有限公司自主知識產(chǎn)權(quán)的超級限流技術(shù)： （1）快速分?jǐn)嗉夹g(shù)：GM5T-63L 系列小型直流斷路器采用一種新型機(jī)構(gòu)，

13、使 斷路器全分?jǐn)鄷r(shí)間被控制在 2ms 以內(nèi)。 （2）超級的限流能力：GM5T-63L 系列小型斷路器采用一種新的限流技術(shù)， 在短路電流達(dá)到 2000A4000A 時(shí)，使限流系數(shù)達(dá)到 0.070.32。以 GM5-63L 型斷 路器、6A 規(guī)格為例。根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)（用戶可參考圖一） ，預(yù)期短路電流達(dá)到 3000A，而實(shí)際短路電流峰值僅為 690A，限流系數(shù)為 0.23；以 GM5T-63L 型斷路 器、 規(guī)格為例。 4A 根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù) （用戶可參考圖一） 預(yù)期短路電流為 2000A， ， 而實(shí)際短路電流峰值為 480A，限流系數(shù)為 0.24，限流效果非常明顯。這要求經(jīng) 下級斷路器分?jǐn)嘞蘖饕?/p>

14、后的短路電流超過上一級斷路器瞬時(shí)脫扣器動作閾值的 維持時(shí)間不超過 0.6ms。 （3）延遲動作技術(shù)：GM5T-63H 采用大行程的瞬時(shí)脫扣器技術(shù)，使其瞬時(shí)脫 扣器的空行程加上電流上升總時(shí)間控制在大于 0.8ms。 （4）級聯(lián)選擇性技術(shù)：由于 GM5T-63L 的快速分?jǐn)嗉夹g(shù)和超強(qiáng)的限流技術(shù)， 經(jīng)其分?jǐn)嘞蘖饕院蟮亩搪冯娏鞒^上一級斷路器瞬時(shí)脫扣器動作閾值的維持時(shí) 間不超過 0.6ms，而 GM5T-63H 采用大行程的瞬時(shí)脫扣器技術(shù)，使其瞬時(shí)脫扣器 的空行程時(shí)間控制在大于 0.8ms，這種級聯(lián)技術(shù)存在著動作分?jǐn)鄷r(shí)間差，這種時(shí) 間差，能保證下級斷路器動作而上級斷路器不動作。 6. GM5T-63

15、小型直流斷路器如何實(shí)現(xiàn) 15 使用壽命 熱老化試驗(yàn)：要求斷路器經(jīng)過 100的 48 天熱老化試驗(yàn)，產(chǎn)品特性和性能 均保持不變。 運(yùn)行老化試驗(yàn)：對斷路器通以 200%600%額定電流時(shí)進(jìn)行 6 次過負(fù)荷跳閘 試驗(yàn)。在 100%額定條件（電壓和電流）下手動操作 375 次（每分鐘最多 4 次） 。 在 GM5T-63 小型直流斷路器開發(fā)過程中按照安全等級 1E 級進(jìn)行了熱老化、 運(yùn)行老化和輻射老化試驗(yàn)。在研發(fā)過程中對初始樣機(jī)經(jīng)過 100的 48 天熱老化 試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)了塑料件存在變色和變形現(xiàn)象； 經(jīng)過試驗(yàn)后的斷路器再進(jìn)行過載試 驗(yàn)出現(xiàn)早跳現(xiàn)象；移印標(biāo)識處出現(xiàn)了變色現(xiàn)象。針對發(fā)現(xiàn)的問題采取的措施有：

16、 塑料件全部采用耐溫 130以上的原料保證塑料件經(jīng)過熱老化試驗(yàn)后無變形現(xiàn) 象；全面采用耐高溫顏料保證標(biāo)識無變色現(xiàn)象；對斷路器的熱脫扣組件采用焊接 后高溫真空回火去除內(nèi)應(yīng)力以及控制產(chǎn)品熱脫扣空行程保證在 0.8mm 以上的方 法極大地提高了產(chǎn)品的性能。經(jīng)過上述改進(jìn)，斷路器完全滿足了上述熱老化試驗(yàn) 的要求。 運(yùn)行老化是通過對斷路器通以 200%600%額定電流時(shí)進(jìn)行 6 次過負(fù)荷跳閘 試驗(yàn)。在 100%額定條件（電壓和電流）下手動操作 375 次（每分鐘最多 4 次） 。 GM5T-63 產(chǎn)品完美地完成了上述試驗(yàn)。 7. GM5T-63 系列小型直流斷路器應(yīng)用在光伏發(fā)電領(lǐng)域 GM5T-63 系列小

17、型直流斷路器具有以下技術(shù)性能 1.保護(hù)電器（斷路器）的基準(zhǔn)環(huán)境溫度：+50（UL 489B 標(biāo)準(zhǔn)） 。 2.運(yùn)行環(huán)境 （1） 運(yùn)行溫度：-25+50（UL 489B 規(guī)定） （2） 儲存度：-40+70 注：以上要求由于溫度變化范圍大，所以對電器元件耐熱脹冷縮能力要求很 高。 3.高工作電壓 額定工作電壓可達(dá) DC1000V。 4.應(yīng)用于高海拔地區(qū) 光伏發(fā)電很多是在高原地區(qū)，有些地方平均海拔達(dá) 4000 米，對電器元件的耐 壓性能和耐溫性能都有很高的需求。 5.應(yīng)用于高防護(hù)等級配電柜中 光伏電站很多設(shè)于沙漠，部分用于潮濕多雨地區(qū)，因此要裝配到防護(hù)等級 IP65 或者 IP66 的配電柜（箱）中，電器元件的散熱受到影響，涉及到降容問題。 6.光伏發(fā)電中可逆電流保護(hù) 對于故障光伏