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(diǎn)技術(shù)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(jiǎn)述了雙斷點(diǎn)分?jǐn)嗉夹g(shù)原理,分析了以雙斷點(diǎn)技術(shù)為代表的塑殼斷路器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)。關(guān)鍵詞:低壓斷路器;塑殼斷路器;雙斷點(diǎn);電弧;分?jǐn)嗉夹g(shù)中圖分類號(hào):TM 464文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號(hào):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(duì)于低壓斷路器的開(kāi)斷能力的要求也越來(lái)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(kāi)斷能力的前提下,盡量縮小產(chǎn)品的體積,一方面可以為開(kāi)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(lái)說(shuō),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(gè)途徑:充分利用觸頭回路之間的電動(dòng)力,使觸頭快速打開(kāi)到一定距離,產(chǎn)生電弧,利用提高電弧電壓來(lái)限制電路電流(電動(dòng)力包括洛侖茲力和收縮電動(dòng)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(dòng)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(dòng)力,該結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是圍繞電弧能量理論和電磁理論而發(fā)展的;是通過(guò)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(lái)高效吸收故障電流產(chǎn)生的能量,進(jìn)行無(wú)弧分?jǐn)?方案由于無(wú)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(fèi)大量經(jīng)費(fèi),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(diǎn)技術(shù)的原理及型式進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來(lái),基于雙斷點(diǎn)技術(shù)為標(biāo)志的斷路器幸運(yùn)而生,其基本原理在于利用整個(gè)回路開(kāi)斷后產(chǎn)生2個(gè)斷點(diǎn),相應(yīng)的產(chǎn)生2個(gè)電弧電壓,即u arc =u arc1+u arc2。根據(jù)電弧理論,產(chǎn)生一個(gè)電弧,相當(dāng)于產(chǎn)生一個(gè)大電阻,在短路電流過(guò)來(lái)時(shí),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(diǎn)型結(jié)構(gòu)較傳統(tǒng)的單斷點(diǎn)型結(jié)構(gòu)消耗的電路能量的能力提高了一倍。從國(guó)外各公司的產(chǎn)品的分?jǐn)嗄芰?lái)看,采用雙斷點(diǎn)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(guó)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(hào)最高分?jǐn)嗄芰 cu (AC 400V /kA 機(jī)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(diǎn)技術(shù)主要有二種結(jié)構(gòu),一種是平行式雙斷點(diǎn),如圖1(a 所示;另一種是旋轉(zhuǎn)式雙斷點(diǎn),如圖1(b 所示。二種結(jié)構(gòu)的動(dòng)觸頭均為一體化結(jié)構(gòu)聯(lián)動(dòng),2個(gè)斷口處的電動(dòng)力作用于同一動(dòng)觸頭上,因而受到的電動(dòng)斥力為原來(lái)單斷點(diǎn)U形結(jié)構(gòu)的2倍,這樣提高了電弧電壓上升速度,同時(shí)還可以滿足斷路器較小尺寸的要求。 (a 平行式雙斷點(diǎn) (b 旋轉(zhuǎn)式雙斷點(diǎn)圖1雙斷點(diǎn)限流結(jié)構(gòu)Tmax 系列采用上述雙斷點(diǎn)限流的結(jié)構(gòu),NS 和Record Plus 均采用旋轉(zhuǎn)式雙斷點(diǎn)。國(guó)內(nèi)公司也相繼開(kāi)發(fā)了雙斷點(diǎn)型的產(chǎn)品,大多以旋轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)為主。2雙斷點(diǎn)型斷路器結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)分析目前市場(chǎng)上以雙斷點(diǎn)技術(shù)為代表的

9、塑殼斷路器以優(yōu)秀的開(kāi)斷能力而著稱,它主要綜合了以下幾個(gè)特點(diǎn):(1形成雙斷點(diǎn)電弧區(qū),以此大幅度提高電弧電壓,強(qiáng)力限流,分?jǐn)嗄芰Ω摺Ｈ缟纤?雙斷點(diǎn)形成二個(gè)電弧電壓區(qū),損耗的能量是單斷點(diǎn)的2倍,因此,可以大量的吸收電路能量,限流能力強(qiáng),分?jǐn)嘀笜?biāo)高。(2充分利用電動(dòng)斥力,快速打開(kāi)觸頭系統(tǒng),快速吸弧,快速限流。在觸頭系統(tǒng)設(shè)計(jì)上仍采用了傳統(tǒng)的U 形回路,產(chǎn)生電動(dòng)力推開(kāi)觸頭系統(tǒng),產(chǎn)生電弧,并可利用回路的自勵(lì)磁場(chǎng),驅(qū)動(dòng)電弧快速進(jìn)入滅弧室;滅弧室仍采用金屬柵片將長(zhǎng)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(jì)。此結(jié)構(gòu)是一大亮點(diǎn),各種雙

10、斷點(diǎn)型斷路器均設(shè)計(jì)了此結(jié)構(gòu),動(dòng)觸頭可以利用導(dǎo)電回路產(chǎn)生的電動(dòng)力,優(yōu)先斷路器的操作系統(tǒng)動(dòng)作,提前打開(kāi)觸頭系統(tǒng),并可以使21·研究與分析·低壓電器(2011No.5動(dòng)觸頭打開(kāi)后保持打開(kāi)狀態(tài),防止因限流而使動(dòng)觸頭回落,以防止電弧重燃,在操作機(jī)構(gòu)動(dòng)作完成后,動(dòng)觸頭可以重新返回原來(lái)狀態(tài),這樣產(chǎn)品的開(kāi)斷時(shí)間非常短,斷路器開(kāi)斷時(shí)間可以達(dá)到3ms左右,動(dòng)作時(shí)間快,使短路電流持續(xù)時(shí)間減小,實(shí)現(xiàn)大幅度的限流。(4消除軟聯(lián)結(jié)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。由于動(dòng)觸頭采用一體化結(jié)構(gòu),不需要像傳統(tǒng)的單斷點(diǎn)型產(chǎn)品那樣焊接軟聯(lián)結(jié),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單了。(5機(jī)械壽命和電氣壽命比較高。從表2看,雙斷點(diǎn)型產(chǎn)品的機(jī)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(jì)。如NS的產(chǎn)品,采用封閉的滅弧室,單獨(dú)的氣流通道,提高了氣吹電弧能力。Tmax系列,操作機(jī)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(duì)操作機(jī)構(gòu)的影響,提高動(dòng)作可靠性。3雙斷點(diǎn)型斷路器結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)分析雙斷點(diǎn)技術(shù)存在一定的局限性,在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過(guò)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(gè)方面:(1操作力大。由于產(chǎn)品內(nèi)部有2個(gè)斷點(diǎn),觸頭壓力提高了1倍,相應(yīng)的對(duì)操作機(jī)構(gòu)的操作力也有了較大的提高,這是市場(chǎng)上雙斷點(diǎn)機(jī)構(gòu)的共有特點(diǎn)。解決方法是在操作機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)上想辦法,盡量增大力臂或改變傳動(dòng)方式,以減

12、小操作力。(2產(chǎn)品溫升較單斷點(diǎn)型高。由于每相增加了一個(gè)斷點(diǎn),接觸電阻增加了1倍,相應(yīng)的溫升也會(huì)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(lái)解決,平均起來(lái)還是會(huì)較單斷點(diǎn)產(chǎn)品高一些,對(duì)彈簧等耐溫能力的要求相應(yīng)提高。為解決溫升問(wèn)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(guò)大,加上滅弧室的放置空間等影響,雙斷點(diǎn)型產(chǎn)品的體積一般較單斷點(diǎn)型大一些,如表1、表2所示。表2單斷點(diǎn)產(chǎn)品的機(jī)械壽/電壽命及

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

14、M1-400H40002000140257103單斷點(diǎn)型CM1-800H40001500210275103單斷點(diǎn)型(5短時(shí)耐受電流能力未明顯提高。限流型斷路器的通病是對(duì)短時(shí)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(shí)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(dòng)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(dòng)力很強(qiáng),電流線密集,電熱穩(wěn)定性減弱,觸頭(下轉(zhuǎn)第27頁(yè)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(dú)立光伏系統(tǒng)中四橋臂逆變器的數(shù)字控制J.電氣開(kāi)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(jì)J.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2007,27(22:101-105.5樂(lè)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(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2007,27(10:85-90.6劉秀翀,張化光,陳宏志.

16、四橋臂逆變器中的第四橋臂的控制策略J.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào).2007,27(33:87-92.7楊曉波,鄔偉揚(yáng).四橋臂逆變器輸出電壓負(fù)序分量抑制研究J.電力電子技術(shù),2007,41(5:22-23. 8王正仕,林金燕,陳輝明,等.不平衡非線性負(fù)載下分布式供電逆變器的控制J.電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2008,32(1:48-51.9張方華,丁勇,王慧貞,等.四橋臂三相逆變器的特定諧波消除控制J.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2007,27(7:82-87.10mendalek N.Sliding Mode Control of Three-PhaseFour-Leg Shunt Active Power FilterJ

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(dòng),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(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),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(dòng)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(yè)間震動(dòng)大、發(fā)熱大,均不利于提高短時(shí)耐受電流能力,雙斷點(diǎn)型斷路器在此方面未能明顯改善。(6雙斷點(diǎn)燃弧能量的不平衡。斷路器的電磁場(chǎng)和電弧非常復(fù)雜,受影響的因素眾多,2個(gè)斷點(diǎn)很難做到開(kāi)斷一致,故容易造成燃弧能量的不平衡問(wèn)題,也就是2個(gè)