一、概述:
直流小型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。奥来电气的PB7DC直流小型断是专门用于直流配电系统的低压电气产品,其质量稳定可靠,获得国内及国外多个质量认证。经过多年使用运行表明,它具有快速切断直流电弧和安秒特性、选择性好等优点,能保证低压直流系统安全运行。
二、直流小型断路器的分断特性:
直流小型断路器的触头接通电流和长期承载电流与一般交流小型断路器的性能相似,无特殊要求。而直流小型断路器与交流小型断路器的分断电流的差异较大,因直流小型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。
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。
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,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。
PB7DC直流小型断路器在完成极限在动、静触头之间有永久磁铁磁缸,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。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。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,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2~30ms。
交流小型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Ie=32A,交流瞬动电流值为10Ie=320A,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。
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,PB7DC直流小型断器单极能分断250V直流电压,如用两极分断250V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。
三、直流小型断路器分断电流的上下配合:
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2Ie~5Ie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。
(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。
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。
直流小型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。断路器上下级差为3级时,能够保证选择性。
四、直流小型断路器选型原则和技术参数:
(1)额定电压:按直流回路的额定电压选择。断路器的触头可以串联使用,以提高额定电压或可靠性。
(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。
五、总结:
(1)由于直流小型断路器的结构特点,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,较交流小型断路器性能良好,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。
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