低压直流断路器的性能和应用

收稿日期: 1998-03-20
( 责任编辑 郭 晓) — 69 —
G M 型直流断路器在完成极限 分断能力试验时, 有以下 4 个过程:
( 1) 短路电流 沿着预期短 路电流的指 数曲线, 从 零沿较 高梯度升高至瞬时整定脱扣电流值, 约持续 0. 5～4 m s。
( 2) 脱扣器动 作以后, 触头经过 开关机构 固有动 作时间 断开, 此间电流继续上升, 时间大约持续 1～4 ms。
G M 型直流断路器 采用 V JC 绝缘四 重加速窄缝 分断技 术限制电弧的扩散, 提高了限流作用。
第 31 卷
低压直流断路器的性能和应用
1998 年第 6 期
交流断路器如作为直流电路的保护 元件, 由于交流 电流 的电 弧容易熄灭, 故其 断路器的动 静触头之 间的开 距小, 不 能达 到拉弧作用, 灭弧 室的工作原 理也不尽 相同, 用于交 流 时的短路整定电流不能适应直流的技术 要求, 因直流瞬 动电 流是交流瞬动电流的 1. 4～2 倍, 根据试验资 料得知, 如 额定 电流 I e= 32 A , 交流瞬动电流值为 10I e= 320 A , 可断开交流 电路, 同样电流用在直流回路则不能动作。有些制造厂 为了 将交流断路器用于直流回路, 用多极断路器将其触头串 联使 用, 不但分断时间长, 如果某一极导线虚接或 触头同步性差, 各触 头分担的电 压不同而 燃弧产生的 热容量可足 以使某 一 极灭弧室烧毁。
【摘要】 研制 的 GM 型塑 料 外 壳式 低 压直 流 断 路器 采 用 V JC 绝缘四重 加速窄缝 分断技术, 限制电 弧的扩散, 提高 了 限流作用。它具有快速切断直流电弧、安秒特性、选择性好、 可靠性高、运行维护方便等优点; 适用于发电 厂、变电站 及工 矿企 业的低压直 流系统; 合理选择 直流断路 器, 可 以提高 直 流系统运行的可靠性。 【关键词】 低压直流断路器 分断特性 选择性
电弧 产生后, 有游离与 去游离因 素, 游 离作用 是由于 在 弧隙 中产生大量 的热能, 主要是使 气体热游 离, 特 别是当 触
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头表面的金 属蒸汽进 入弧隙后, 气体热 游离作用 更为显 著, 电压越高、电流越 大, 即 电弧功率越 大, 弧 区温度 越高, 电弧 的游离因素就越强。去游离是因已游离的正离子和电子在空 间相遇时要 复合, 重新形成中 性的气体 分子; 而高度 密集的 高温离子和电子, 也要向其周围密度小和温 度低的介质方面 扩散, 其结果弧隙 内离子和自 由电子的 浓度降低, 电 弧电阻 增大, 电弧电流减少, 从而削弱热游离。
2 直流断路器分断电流的上下级匹配
直流回路以往用熔断器较多, 要求上下级间的熔断 特性 配合, 一般要求熔片电流 2～3 级配合, 但由于熔片的特 性及 管理上的原因, 可靠性极差, 主要问题有以下几方 面:
( 1) 熔片局部熔化。熔断器通过电流超过额定值时, 熔片 随电流大小的变化, 熔化的程度不同, 在实际 运行中, 短 时间 的 2 Ie～5 Ie 的电流可能出现, 使熔片局部熔化, 出现不是短 路故障而熔断的事故。
直 流断路 器的 临界状 态分 断, 要求从不大于额定电流的 3% 至 4 倍额定电流时都应正常分断, GM 型直流断器单极能分 断 250 V 直流电压, 分断时间为 6 m s, 如在 125 V 电压下工作可 保证高度的可靠运行, 如用两极分断 250 V 直流电路, 即使一极 有故障, 另一极也能可靠工作, 而对交流断路器是不可能的。
3 直流断路器的选择原则及其技术参数
( 1) 额定电压: 按直流回路的额定电压选择。 ( 2) 额定电流: 额定电 流除按回 路的最大 负荷电 流选择 外, 且应符合选择性要求。上下级之间电 流应可靠配合, 不能 越级动作。
( 3) 短路电流: 应大于直流回路的计算最大短路电 流值, 因直流断路有可靠的限流特性, 在计算各级 的最大短路电流 时, 应 考虑断路器 的限流系数 和连接导 线的内阻, 以 便获得 最佳选择。表 2 列出了几种断路器的限流系数。
1 直流断路器的分断特性
直流 断路器的触 头接通电 流和长期承 载电流 与一般 交 流断路器的性能相似, 无特殊要求。而直流断路器与交 流断 路器的分断电流的差异较大, 因直流断路器的触头分断 是要 熄灭 直流电弧, 直流电 恒定不变, 电流愈 大, 时间常 数愈大, 电弧就愈难分断。
断路 器的触头分 断时, 在断口处 立即产 生电弧, 这既 有 碍于 电路的及时 分断, 又会使触头 烧损, 此时主要 问题是 触 头的电烧损, 这对交直流回路的情况是不一样的。为了 解交 直流断路器的切断电弧性能, 首先要分析电弧的产生过 程和 灭弧能力。当分断时, 触头间刚出现断口时, 两 触头间距离极 小, 电场强度极大, 易产生高热和强电场, 金属内部的自 由电 子从阴极表面逸出, 奔向阳极。同时, 自由电子 在电场中撞击 中性气体分子, 使之激励和游离, 产生正负离 子和电子, 在强 电场作用下继续向阳极移动时, 还要撞击其他中性分 子。因 此, 在触头间 隙会产生 大量的正负 离子和电 子的带 电粒子, 使气体导电形成炽热的电子流, 即电弧。
( 3) 在冷发射和热发射作用下产生电弧 , 电弧拉长, 并在 弧柱中热游离, 热碰撞。气体游离速度加 快, 产生较大热量及 压力, 时间大约持续 0. 3～6 ms。
( 4) GM 型直流断 路器 在动、静触 头之 间有永 久磁 铁或 电磁线圈, 并产生磁场, 磁通比较集中, 它经铁 心导磁夹板进 入灭弧空间 , 并和 灭弧片形成 一层层闭 合磁路, 使电 弧在强 磁场作用下迅速由触头经引弧角引向灭弧室窄缝。磁场灭弧 室带灭弧罩, 由耐弧塑料制成, 它的作用: 一是 引导电弧纵向 吹出, 借此防止发 生相间短路 ; 二是 使电弧与 灭弧的 绝缘壁 接触, 从而迅速冷 却, 增 强去游离作 用, 提 高弧柱 电压降, 迫 使电弧熄灭; 三是产生惰性气体, 帮助灭弧, 窄 缝可将电弧柱 直径压缩, 使电弧同缝壁紧密接触, 加强冷却和去游离 作用。 栅片间是绝 缘的, 其作用能导 出电弧的 热量, 以提高 电弧的 弧柱压降, 同时栅 片将电弧分 割成一段 段的电弧, 每 一栅片 是这些短弧 的电极, 也就有许 多个阳极 压降和阴 极压降, 对 直流电弧, 近极处 的电弧电压 降加弧柱 的电压降 一起灭 弧。 在运动过程中, 电弧一方面被拉长, 另一方面又被冷却, 去游 离速度加快, 电弧熄灭时间大约持续 2～30 ms。
表 2 G M 型断路器的限流系数
断路器 型 式
GM 800H GM 400H GM 225H GM 100M
试验电流 /kA 25 25 20 15
整定波幅 / mm 22. 5 22. 5 22 22
实测波幅 / mm 12. 5 15 9. 5 7
限流 系数
0. 56 0. 67 0. 43 0. 32
GM 32/ 20A 动作 动作 动作 动作 动作 不动
GM 32/ 6A 动作 动作 动作 动作 动作 动作
从表 1 可看出, GM 32 的两种断路器上下级差为 3 级时, 上级( 32A ) 短路动作电流约为 15 I e。大小框架匹 配, 上级为 G M 100/ 63A , 下级为 GM 32/ 32A 时, 上 级( 63A ) 短路动作电 流约为 20 I e。
1998 年第 6 期
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中 国 电 力
第 31 卷
低压直流断路器的性能和应用
F eatures and Application of L ow Volt ag e DC Breakers
电力规划设计总院 卓乐友 ( 北京 100011) 华 北 电 力 设 计 院 陈 巩 刘百震 ( 北京 100011) 北 京 人 民 电 器 厂 南 寅 ( 北京 102600)
4 结束语
( 1) 由于直流 断路器的结 构特点, 用于直 流回路 切断直 流电弧快速, 分断指标高, 限流作用明显, 较交 流断路器性能 良好, 工作可靠。
( 2) 直流断路器的瞬时脱扣动作的安秒特 性较熔断器熔 断特性的选择性、经济性都优越, 可明显简化保护, 便于维护 管理和提高可靠性。
( 3) 合理化选择直流断路器, 可以提高直流系统可 靠性, 建议在直流典型设计和工程中选用。
( 2) 熔片氧化。熔片一般用铜质材料, 铜 熔片会被氧化, 氧化愈厉害, 承载的电流愈小, 而可能引起误熔断 。
( 3) 熔片内阻不一致。当正负极各用一个熔断器时, 由于 熔片厚薄不均匀, 内阻不一样, 短路故障时, 内阻小的熔 片先 熔断, 它承受全部或大部分的短路电流, 强电 流产生高温、高 压, 很可能使一只熔断器爆炸。
附图 5 台断路器串联试验接线
表 1 5 台断路器串联试验结果
试验电流 /A 1 500 1 300 500 400 300 270
GM 100/ 100A 不动 不动 不动 不动 不动 不动
GM 100/ 63A 动作 不动 不动 不动 不动 不动
GM 32/ 32A 动作 动作 动作 不动 不动 不动
直流断路器 具有可靠 切断直流电 流回路故障 电流的 保 护功能, 国际上已广泛使用。我国直流回路的保护设备 一直 以交流断路器或熔断器代用, 因其切断直流电弧能力和 安秒 特性不稳定, 选择性差等, 性能不能满足直流 回路的要求, 造 成直流回路故障屡见不鲜, 严重威胁电力系统电气设备 的安 全可靠运行。北京人民电器厂 1996 年试制生产了 G M 型塑 料外壳式低压直流断路器, 其性能经北京电器研究所型 式试 验合 格, 通过 北京市机 械工业管理 局组织的 专家, 进行了 产 品鉴 定, 并经 过 1 年使用 运行表明, 它具有 快速切 断电弧 和 安秒特性、选择性好等优点, 能保证低压直流系统 安全运行。
此外, 在安装过程, 固定熔片的螺栓压力 不一样, 或 不小 心 造成熔 片有 缺口或 磨损, 都 会造成 熔断 器的 熔断 特性 变 化, 引起误动。
由于以上原因, 熔断器用于直流回路可靠性较差, 同时, 熔断器的操作更换熔片较困难等, 故用直流断路器代替 熔断 器对运行可靠和维护管理都更为有利。
直流断路器的电流脱扣保护装置有 较好的选择性, 上下 两级的电流脱扣元件的动作电流能很好 的配合。G M 型直流 断路 器在电力部 电科院的 标准直流电 源试验台上 通过短 路 电流 作了选择性 试验, 证明其特性 能配合, 现将其 试验情 况 及结果介绍如下:
试验 5 台断路器触头串接, 通过短路电流试验。 试验接线如附图所示。被试设备编号 a、b、c、d、e 分别为 GM 100 型 100A 、G M 100 型 63A 、GM 32 型 32A 、G M 32 型 20A 、GM 32 型 6A 。瞬时动作电流整定倍数为 9I e±20% 。试 验电 流值( 不计断 路器内阻和导线电 阻) : 1 500 A 、1 300 A 、 500 A 、400 A 、300 A 、270A 。试验结果见表 1。
要熄灭电 弧, 就要 抑制游离 因素和加 强去游 离因素, 如 将电弧拉入 窄缝, 增加动触头 与栅片之 间的距离 等, 缩小电 弧直径, 使其内部 的离子浓度 增大, 就可以加 强扩散 和冷却 作用, 把电弧拉长, 或在电弧内部设置障碍, 使 局部离子和电 子复合, 即将去游离作用大于游离作用, 就能将电弧熄灭。