1,限流型斷路器的原理

大家都知道限流型斷路器的分斷能力很高,可以達到 150-200KA,但這里給出的 數據往往是預期短路電流值,并不是實際通過限流型斷路器短路電流值,因此在采用限流型斷路器保護的 配電系統校驗動熱穩定時,要注意所選擇的短路電流參數.

有些廠家聲稱他們的低壓斷路器全部是限流型 斷路器,大家在了解限流型斷路器的限流原理后,就可以分辨真偽.低壓斷路器的限流問題是為了分斷低 阻抗大容量變壓器及不斷發展的配電網絡所引起的很大的故障短路電流而提出的,它要求斷路器的分斷時 間短得足以使短路電流在達到其預期峰值前分斷.

50 年代末,法國首先研究限流分斷問題,并研制出了限 流空氣斷路器,使空氣斷路器的短路分斷能力達到 100kA.幾十年來,有許多種成熟的,效果好的限流技 術在低壓斷路器中得到廣泛的使用,如去離子柵滅弧,限流電阻,自復式限流元件,磁吹,電動斥力,VJC 以及固體絕緣屏幕限流技術等.

目前,在先進的塑殼式斷路器的設計中,充分利用了空氣電磁原理和限流 原理,使其分斷能力達 200kA.近年來,隨著計算機技術,控制技術,新料技術以及電力電子技術的引入, 使得限流技術有了更新的發展,如超導限流器,以 GTO 為基礎的限流器,可控阻抗變換器及故障檢測技術 等,這些限流分斷新技術的研究會大大提高斷路器的分斷能力和限流能力.

傳統低壓斷路器限流分斷的原 理是當故障發生時,觸頭快速打開產生電弧,相當于在線路中串人一個迅速增長的電弧電阻,從而限制短 路電流.這個迅速增長的電弧電阻,通常稱為"動態電弧電阻".

與一般的斷路器的滅弧室不同,低壓限流斷路器的滅弧室采用多個滅弧柵片.在開斷過程中,首先動觸頭和靜觸頭分開產生電弧,在電磁場和熱場, 流場的作用下運動至滅弧柵片.當電弧進入柵片后,由于被分成的多個短弧的近極壓降,使電弧電壓迅速 上升,從而達到限流的目的.為了有較高的電弧電壓,限流斷路器滅孤室的柵片數比一般的斷路器要多, 并且排列得更緊密.電弧電壓上升得越快,限流效果就越好,最終,電弧電壓超過電源電壓的值,使得電 源電壓無法維持電弧, 從而完成熄弧限流分斷.

要使電弧電壓迅速升高, 傳統的有兩種方法:

(1)磁吹線圈.

這種情況下,電弧將會被迅速拉長,它不僅增加了電弧的長度,而且也增加電弧的熱傳導面積.

(2)使用引 弧道來迅速升高電弧電壓.

當觸頭 打開時,沿著引弧道上的電磁力將拉長電弧,當 電弧被驅動到滅弧室, 就會進一步分割,冷卻,這種方法的前提要求;①電弧必須能被強迫脫離觸頭(在觸頭間的間隙大于約 1mm 時,它才會發生);②電弧必須非?？斓孛撾x觸頭區,這樣就減少了觸頭材料的損耗,同時,觸頭間隙恢復; ③電弧必須以非?？斓乃俣妊刂〉肋\動(約 l00m/s),然后進入去離子柵片以提高最終的電弧電壓值.

在限流斷路器的設計中,有以下 4 個基本的原則:

a.觸頭迅速打開

b.迅速提高電弧電壓

c.使最終的 電弧電壓值高

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d.快速的介質強度恢復

常用的限流技術分三類:

1)人工零點法.

利用電弧去產生人工零 點,使得弧隙中的電流為零,從而使電弧熄滅.

2)提高電弧靜態伏一安特性法.

通常采用去離子柵法,絕 緣柵法,窄縫法及 VJC 法等.去離子柵法就是利用金屬柵片把電弧分割成若干個互相串聯的短弧,利用短 弧的壓降來提高電弧電壓而使電弧熄滅;絕緣柵法:即柵片是絕緣的,其作用是導出電弧的熱量,以提高 電弧的弧柱壓,同時,柵片將電弧分割成若干段的短弧,每一柵片就是短弧的電極,同時產生許多個陽極 壓降和陰極壓降,對直流電弧而言,利用近極處的電弧電壓降加弧柱的電壓降一起滅弧;窄縫法,通常采 用多重窄縫,這樣,可以減少電弧進入上部窄縫的阻力,因而在驅動電弧運動的電磁力給定時,可以采用 比單窄縫滅弧室更小的縫隙,一方面可將電弧直徑壓縮,使電弧同縫隙壁緊密接觸:另一方面,也使電弧 面積增加,長度增長,這些都進一步加強了冷卻和去游離的作用,使電弧熄滅;VJC 法主要是在電極的四 周覆蓋一定厚度的絕緣 物或高電阻金屬材料,從而對電弧弧柱進行控制,以達到升高電弧電壓的目的.固 體絕緣屏幕法是利用一固體絕緣屏幕快速插入到分斷故障電流的觸頭中,使觸頭間燃燒的電弧被屏幕隔開 而迅速熄滅.以上這些方法通常綜合使用,如 VJC 及多窄縫法,以取得更好的限流分斷的效果.

3)提高觸 頭分斷速度法.

通常利用巨大的斷開彈簧或其他加速裝置將觸頭拉開,或利用儲能的電容器對斥力線圈放 電在鋁盤中感應出渦流來產生巨大電動斥力,將動觸頭打開,與此同時,盡量加快脫扣器的動作及機構的 動作,以達到高速分斷的目的,這樣,分離時所需時間越小,則限流作用就越大.

在六十年代,電力電子 器件就被引入到電器中.現在,已有無觸頭的晶閘管斷路器,觸頭-晶閘管并聯的混合式斷路器在某些國家 得到開發,并有一定程度的應用,但由于電力電子器件存在導通壓降大造成的能耗高,分斷電器不能形成

間隙絕緣距離,過載能力差,工作參數缺乏相應的各個電壓等級以及費用高,這些使其構成的無觸點電器 不能大量應用.當然,無觸點電器本身具有操作率高,開關速度快,控制功率小,噪低,壽命長的特點, 適合某些特殊的工作場合使用.在限流中,主要采用帶觸頭的混合式,如觸頭一晶閘管并聯的混合式斷路 器,具有觸頭正常導通時壓降能耗小的特點,再利用電力電子器件的開斷時間短的特點,進一步縮短電流 的開斷時間,隊而實現限流分斷.在斷路器設計中,使用電力電子器件,主要要考慮器件的電流和電壓的 參數.早期使用晶閘管,但它不能自關斷,需要換流關斷,造成電器的體積增大.目前,通?？紤]自關斷 的器件,如 IGBT(絕緣柵雙極晶體管),GTO(可關斷晶體管)等.

2 高壓限流型熔斷器與低分斷能力電器之間 的選擇性配合

在這種使用情況下,限流型熔斷器在大故障電流下動作,低分斷能力電器之間只能分斷它所 允許分斷的小電流,因此需要根據兩者不同的時間-電流曲線配合實現.

1)以曲線相交點為分界,限流型熔 斷器承擔大故障電流分斷,其他器承擔正常電流和小故障電流開斷.

2)如果其他電器不隨熔斷器撞擊器聯 鎖脫扣,則相交點必須大于高壓限流型熔斷器的最小動作電流.

3)曲線相交點電流必須小于其他電器的開 斷能力.

4)當用高壓限流型熔斷器開斷電路時,其他電器必須具有足夠通過短路電流和關合短路電流的能 力(校驗該電器的熱穩定,動穩定對應采用其開斷電流,關合電流),這些能力應與高壓限流型熔斷器截止 電流和 12t 值相適應.

5)如果其他電器隨熔斷器撞擊器聯鎖脫扣,例如負荷開關,則要求負荷開關允許的 轉移電流值大于熔斷器的最大轉移電流值.