低压直流断路器的限流技术

1、文章编号:1004289X(200001-0014-04低压直流断路器的限流技术钱杞张培铭(福州大学福建福州350002摘要:本文作者首先回顾了在低压直流断路器中使用的几种限流技术,然后,介绍了电力电子器件与低压直流断路器的结合,最后,对进一步研究限流技术提出了展望。关键词:限流电力电子学低压直流断器中国分类号:TM561文献标识码:ACurrent-Limiting Technologies of DC Low-VoltageCircuit BreakerQianqi,Zhang Peiming(Fuzhou U niversity,Fuzhou.35002Abstract:In the P

2、aper the author first Presents a review of technologies for current-lim iting DC low-voltag e circuit breakers,then describes the combinations of DC low-volt-age circuit breakre and pow er electronic devices.In the end prospects for the develop-m ent of current-limiting echnolog ies are m ade.Key Wo

3、rds:Current-Limiting Pow er Electronics,DC Low-Voltage Circuit Breaker6结语通过对一鼠笼型电动机计算,其在假定的故障状态下运行时间为1.5倍过负荷t190s堵转过流t15s超过这个时间,绕组导体上的绝缘材料可能被烧坏。据有关资料介绍,当绝缘材料温度超过允许值的810时,其寿命减半。因此对电动机的热保护十分重要。以上的分析计算,均视定子绕组导体在绝缘过程的温升,所有热能均存储在导体中,没有考虑故障时散热的影响。参考文献2.实用异步电动机设计、安装与维修杨万青等编著机械工业出版社1996年3月世界上,城市电网用电量几乎要占国家总

4、用电量的2/3以上,大城市中一座高层建筑的用电量已达80010,000KW,甚至20,000KW1,随着电网容量的不断增加,对家用断路器的要求也越来越高,为进一步保障对重要部门(如政府部门、数据中心、计算机中心、医院等的供电,通常都采用了备用应急供电系统,对其中的直流供电线路的短路保护,国际上已广泛地采用了直流断路器,因此,要求其具有更高的分断电路的能力,这主要依靠提高其限流能力来实现,限流分断同时也会降低对低压配电装置的动、热稳定性的要求,提高了供电的可靠性。五十年代末,法国首先研究限流分断问题,并研制出了限流空气断路器,大大提高了空气断路器的短路分断能力,可达100千安。几十年来,有许多种

5、成熟的、效果好的限流技术在低压断路器中得到广泛的使用,如去离子栅灭弧、限流电阻、自复式限流元件、磁吹、电动斥力、VJC 以及固体绝缘屏幕限流技术等。目前,在先进的塑壳式断路器的设计中,充分利用了空气一电磁原理和限流原理,使其分断能力可达200千安2。近年来,随着电力电子器件的引入,使得限流技术有了更新的发展,从而提高了断路器的分断和限流能力。1限流的基本原理和分析限流断路器是指分断时间短得足以使短路电流达到其预期峰值前分断的一种断路器,其原理是当故障发生时,触头快速打开,产生电弧,相当于在线路中串入一个迅速增长的电弧电压,从而限制了故障电流,如图1所示:从图1中,我们可以看出,电弧电压上升得越

6、快,限流效果就越好,最终,电弧电压超过电源电压的值,使得电源电压无法维持电弧,从而完成熄弧限流分断。这里有两点值得注意,1电弧电压的值可以超过电源电压的值,这是因为电弧电压是由电弧自身的特性所决定;2虽然电弧限流,但短路时,电弧产生后,若不立即熄灭的话,短路电流就会因为有通路存在而迅速增长,最终, 使得电气设备损坏。图1电弧限流的示意图限流的效果是用分断电流的峰值I P和允通能量 i2dt的值来表示,限流效果好,其I P和 i2dt的值低,数值表示为限流系数,即限流动作的实际分断电流同预其短路电流I CCP之比。2传统的限流技术直流断路器具有可靠切断直流回路故障电流的保护功能,国际上已广泛采用

7、。在交流回路中,应用的某些限流分断原理(如利用短路故障电流在限流分断直流时,情况有所不同,这主要是由于直流短路电流上升速度较慢,从限流原理分析中可知,直流断路器的触头分断主要是要求快速地熄灭电弧,而直流电压电恒定不变。电流愈大,要熄灭电弧,就得抑制电弧的游离因素,并加强去游离因素。在限流断路器的设计中,有以下几个基本的原则:1触头迅速打开2迅速提高电弧电压3使最终的电弧电压值高4快速的介质强度恢复3常用的限流技术分三类:1人工零点法其原理如图2所示:对于低压直流断路器,利用电弧去产生人工零点,使得弧隙中的电流为零,从而使电弧熄灭。在某种程度上塑壳式断路器正是利用这种作用去限制其允通电流,其工作

8、原理:电容器C 上已预先充有如图所示极性的电压,当开断电路,开关S1闭合,电容C释放电流I2与流过断路器S1的电流I1的方向相反,电阻R是用来限制放电电流对电源的影响,当I1=I2时,弧隙S1上的电流为零,电弧熄灭,尽管实际电路设,零点,从而使灭弧、限流更进一步,在理想情况 下触头可以无弧分断。图2人工零点法2提高电弧静态伏安特性法在低压直流断路器中,通常采用去离子栅法、绝缘栅法、窄缝法及VJC 法等。去离子栅法就是利用金属栅片把电弧分割成若干个互相串联的短弧,利用短弧的压降来提高电弧电压而使电弧熄灭;绝缘栅法:即栅片是绝缘的,其作用是导出电弧的热量,以提高电弧的弧柱压,同时,栅片将电弧分割成

9、若干段的短弧,每一栅片就是短弧的电极,同时产生许多个阳极压降和阴极压降,对直流电弧而言,利用近极处的电弧电压降加弧柱的电压降一起灭弧;窄缝法,通常采用多重窄缝,这样,可以减少电弧进入上部窄缝的阻力,因而在驱动电弧运动的电磁力给定时,可以采用比单窄缝灭弧室更小的缝隙,一方面可将电弧直径压缩,使电弧同缝隙壁紧密接触;另一方面,也使电弧面积增加,长度增长,这些都进一步加强了冷却和去游离的作用,使电弧熄灭;VJC 法主要是在电极的四周覆盖一定厚度的绝缘物或高电阻金属材料,从而对电弧弧柱进行控制,以达到升高电弧电压的目的3;固体绝缘屏幕法是利用一固体绝缘屏幕快速插入到分断故障电流的触头中,使触头间燃烧的

10、电弧被屏幕隔开而迅速熄灭4。以上这些方法通常综合使用,如VJC 及多窄缝法,以取得更好的限流分断的效果。3提高触头分断速度法5在直流限流断路器中,通常利用巨大的断开弹簧将触头拉开,或利用储能的电容器对斥力线圈放电在铝盘中感应出涡流来产生巨大电动斥力,将动触头打开,与此同时,应尽量加快脱扣器的动作及机构的动作,以达到高速分断的目的,这样,分离时所需时间越小,则限流作用就越大。4发展中的限流新技术电器和电力电子学作为两个电工学科的分支学科,两者的结合必然会带来电器产品的全新设计和性能的突破。电工电子学,也称功率电子学(Power Electronics ,自1957年第一个晶闸管在美国GE 公司诞

11、生之日起,几十年来,电力电子学已逐渐应用到电气工程的所有领域中。在六十年代,电力电子器件就被引入到电器中。现在,已有无触头的晶闸管断路器、触头晶闸管并联的混合式断路器在某些国家得到开发、并有一定程度的应用,但由于电力电子器件存在导通压降大造成的能耗高、分断电器不能形成间隙绝缘距离、过载能力差、工作参数缺乏相应的各个电压等级以及费用高,这些使其构成的无触点电器不能大量应用。当然,无触点电器本身具有操作率高、开关速度快、控制功率小、噪音低、寿命长的特点,适合某些特殊的工作场合使用。在限流中,我们主要采用带触头的混合式,如触头晶闸管并联的混合式断路器,具有触头正常导通时压降能耗小的特点,再利用电力电

12、子器件的开断时间短的特点,进一步缩短电流的开断时间,从而实现限流分断。在断路器设计中,使用电力电子器件,主要要考虑器件的电流和电压的参数。早期使用晶闸管,但它不能自关断,需要换流关断,造成电器的体积增大。目前,通常考虑自关断的器件,如IGBT,GT O 等。IGBT 的容量可达1000A/1700V ,GT O 的容量可达5KV/2.5KA ,GT O 管具有普通晶闸管的全部优点,同时,它又有GTR 的一些优点,如具有自关断能力、使用方便、线路简单、控制功率较小等。所以,对于大容量的直流电路来说,GT O 是一种比较理想的开关器件。在文2中,介绍了一种混合型的直流断路器,其基本电路如图2所示:

13、图中:Q :主触头S:辅助主触头R K :变阻器三者为同轴操作V:为电力电子器件其基本原理是断路器接入时,Q ,S ,R K 同轴操作,R K 由最大变至最小,V 则由最小导通变至最大导通,直到被短接;断路器断开的过程正相反,当Q 出现分离间隙时,I F 就会全部转移到I S 支路,直至Q 分离、S 分离、V 断开,完成限流分断。 图3直流断路器基本电路需要指出的是,因为价格因素,GT O 并未被大量地引入到低压断路器中,从发展的角度来看,晶闸管肯定要被GT O 所替代,但GTO 本身也存在缺点,主要是:1关断增益较小,门极反向关断电流较大;2是为限制dv /dt 及关断损耗需设置专门的缓冲电

14、路,这部分电路消耗一定能量,而且需要快速恢复二极管、无感电阻、无感电容。根据ABB 公司文献1介绍一种GT O 的革新器件IGCT (Integrated Gate Com -mutated ,它不仅采用了高效的门关断技术,而且无需缓冲电路,IGCT 已在ABB 公司的新型中压设备如ACS 1000中得到了应用,可以预见IGCT 也能在低压限流器中得到应用。5结论与展望直流断路器的限流技术的进一步发展,应注意以下几个方面:1借鉴交流断路器的限流技术交流断路器的限流技术,近二十年来,已得到很大的发展。虽然交流限流和直流限流各有特点,特别是电性质差别较大,但其他方面,如触头材料、机构结构参数,灭弧

15、室性能等,就有一些共性。所以,好的限流方法,如VJC 法两者都可使用,这就要求我们要密切注意交流断路器的技术发展,能借鉴的大胆借鉴。2借鉴高、中压技术限流技术的发展主要集中在高、中压设备,但高、中压设备会有很多的共性,所以有的技术可以互相借鉴。另外,随着电力电子器件、新材料及限流技术的不断发展,有可能研制出具有更高分断能力的低压断路器,甚至是低压接触器。换句话来说,发展中的低等级断路器会替代目前高等级的低压断路器,发展中的低压接触器会具有低压断路器的短路分断能力。3多学科的综合利用随着短路电流的不断上升,应用新方法、新技术、新原理去开发新产品正是当务之急,我们不仅要引入电力电子学,而且要进一步

16、引入计算机技术、控制技术、智能技术去系统地、全面地研究限流问题,才能有所突破。参考文献1.ABB REVIEW ART ICE5/98PP34-42,M 479。2.潘平生配电电器用触头型无弧断路器的开发技术P1923低压电器4/95。3.张立等现代电力电子技术。4.陈德桂低压断路器中的限流新技术低压电器。低压电器产品生产许可证换(发证工作已经开始依据工业产品生产许可证试行条例及工业产品许可证管理办法,全国工业产品生产许可证办公室制定的低压电器产品生产许可证换(发证实施细则正在宣贯。实施细则中规定了管理机构、企业取得低压电器生产许可证的必备条件,生产许可证换发证申请及审批程序,生产许可证的监督管理及收费办法。还规定了申证单元及抽样数量检测项目,低压电器生产企业必备的检测设备及生产许可证企业生产条件考核方法。实施生产许可证管理的低压电器