浅谈低压交直流控制与保护电器

浅谈低压交直流控制与保护电器

赵川宣宏斌

福建福清核电有限公司福建省福清市350318

摘要:随着电子信息化产业的不断推进，直流电越来越多地出现在控制系统中，因此，低压交直流控制与保护技术逐渐进入人们的视野，在本文中，笔者将根据自身的工作经历，对低压交纸篓控制与保护电器的相关内容进行详细的分析介绍，并提出自己的一些观点，以期为相关的工作人员提供借鉴。

关键词：低压；交直流；控制与保护；

前言

随着我国科技技术的不断发展，电能生产模式也随之丰富了起来。在当下的太阳能发电系统、光能发电系统等电力系统中，直流电都是系统的主要电力模式。与交流电源不同，直流电在当下的发展模式中，具有低压、直流、控制复杂等相关特点。因此，为了继续推动我国电子信息产业的持续发展，低压直流控制技术应该被着重地进行分析研究。在下文中，笔者将从低压交直流电的概述开始入手，对低压交直流控制与保护电器进行详细的说明与介绍。

1低压交直流控制设备概述

低压交直流控制设备是一种能根据外界的信号和要求，手动或自动地接通、断开电路，以实现对电路或非电对象的切换、控制、保护、检测、变换和调节的元件或设备。控制电器按其工作电压的高低，以交流1200V、直流1500V为界，可划分为高压控制电器和低压控制电器两大类。总的来说，低压电器可以分为配电电器和控制电器两大类，是成套电气设备的基本组成元件。在工业、农业、交通、国防以及人们用电部门中，大多数采用低压供电，因此电器元件的质量将直接影响到低压供电系统的可靠性。

2直流电网下的分断和要求

断路器在直流电网下，从开始分断起，随着电流的减小和分断，主电路电压会急剧升高，并在最大值附近急速波动。该时间段对断路器的触头耐压和分断性能要求最高。断路器的触头开距和机构拉弧动作时间不同，建弧电压的最大值也会不同。一般触头开距越大，燃弧时间越长，弧压越高。加大断路器的触头开距有利于熄灭电弧，其原理是单位时间的电弧能量不变，电压的上升或电弧阻抗的上升可迅速减小电弧电流，并趋向于零，使得电弧更容易熄灭;过长的燃弧时间会造成电弧能量急剧攀升，故障电流无法消灭。触头在ts时刻，故障电流达到电路保护设定的门限值，开始动作。一般要求机械结构设计能做到触头的开断时间＜10ms，最多在15ms左右（一般要求取决于断路器的尺寸和结构），一般要求物理分断时间≤ta（取决于电路中的时间常数和电流、电压水平）。时间常数表示过渡反应速度的物理单位。在电路中，也可被理解为电路对开关状态作出的反应速度。时间常数越大，电路作出的相应反应越慢，反之亦然。举例来说，在电阻、电感的电路中，IL是由初始值IL（0）按指数规律单调衰减到零，其时间常数为L/Ｒ。直流系统在分断过程中完全靠灭弧室利用栅片的散热效应和电压分割降低（＜20V的压降不易产生电弧）来消耗电弧的能量，以使燃弧熄灭。因此电路的时间常数对于选择断路器的分断能力和电弧建压能力就很重要，物理分断后在电弧完全熄灭前还有一定的燃弧时间考虑不同时间常数电路的支撑效应这个时间会略有差异。到ta时间后燃弧完全熄灭，触头两端的电压回到电网额定电压，同时整个分断过程结束。从整个分断过程来说，ts到ta的时间越短越好，这样可尽可能地减少预期短路电流的增长，也可以降低整个电弧的能量，便于分断。这部分的时间主要取决于两点，触头的物理分断速度（即电弧被拉开到最大开距并推向灭弧室的速度），以及燃弧熄灭的时间。燃弧熄灭的速度也取决于电弧的能量，相对来说，分断速度越快也可积累更多的电弧能量，反之减少燃弧熄灭时间。

3直流电路保护用断路器的不同取向

直流断路器考虑到额定电压、自身触头开距以及建弧电压的要求。一般采用两种方式提高额定电压范围:增加触头的拉弧开距和断点上灭弧室的大小，从而电弧的弧压可被建高，而单位长度的电弧能量降低，使得电弧被分割后更容易熄灭;增加分断点，通过串联方式分担建弧电压和故障电流的能量，且利用多个灭弧室的散热和减压能力使得燃弧自然熄灭。

3.1专用快速直流断路器

第一种方法要增大断路器的物理体积，且对触头的材料、工艺有较高的要求。目前，市场上如赛雪龙（Secheron），GE-repid，还有一些直流真空接触器都是按照这一原理方法增加断路器通断能力和灭弧性能。由于这类断路器的主触头、灭弧室、拉弧开距都相对较大，因此，单极的分断能力足以达到相当高的水平。这类断路器一般根据接地要求只有单极或者两极的产品。同时，这类断路器在保护逻辑上引入了di/dt(短路电流增长初速度)这个概念，相比传统溢出逻辑对于快速增长的故障电流响应更快，而在机构上一般采用灵敏度较高的快速分断设计(一般t≤15ms，且具备一定的与故障电流增长初速度相对应的反时限关系)，因而，也会在一定程度上起到限流作用。

这类工艺设计的缺点是断路器的体积较大，安装、运输的成本相对较高，且此类断路器的生产厂商一般针对小众客户群体供货，整个生产供货周期都会比其他同类通用型的低压元器件要长。产品一般定价也相对高昂，由于断路器的分断建压比较高，对于触头和机构的损耗也会较大，因此，目前这类断路器的使用场合和行业还是局限于一些铁路机车、大动力牵引和60MW以上发电机组灭磁等需要非常高的建弧电压以及时间常数的场合。

3.2通用断路器直流改进型

一些品牌依托其在一般断路器产品领域的技术经验和可靠质量，开始推出适合直流电网使用的万能式断路器改进型。这类产品的显著特点是选型简便，体积小巧(一般仅为专用单极/两极直流断路器的1/4～1/3)，接线方便并且与同系列交流产品在开孔尺寸以及安装位置上都比较接近。

随着传统的交、直流通用的热磁式保护之外的一些专用电子型直流保护单元的推出(如ABB公司的EmaxDC系列)，市场上此类断路器产品已经趋向成熟。在物理分断结构设计上，该类产品一般采用多极串联的方式来分担分断电压，既提高了灭弧室的利用率，又减少了单个触点的分断要求和损耗。

通过多点串联的多断点结构使用，可以有效地均分开断时承受的系统最大弧压，增加断路器触头的寿命，也降低单个触头的制造要求和材料成本，减少频繁操作产生的毛刺几率。目前，市场上大多数塑壳断路器能够做到的直流单极开距有效建弧电压(最小电弧电压，一般为起弧时电弧电压)或单断点的额定开断电压为DC250V。但是考虑到交直流的试验环境不同，对于串联同时开断的机构和触头的同步性要求较高，并非所有制造厂商都有能力制造通过直流多级串联达到高额定直流电压的产品。

结语

通过对低压交电器的控制与保护电器的分析，笔者认为，在未来，此类的技术将会得到越来越广泛的应用。在本文中，笔者仅从自身的角度对当下的交直流控制系统与保护电气进行了相关的介绍与说明，希望这篇文章能起到抛砖引玉的作用，引发更多读者的思考。

参考文献

[1]ABB(中国)有限公司.Tmax塑壳断路器技术资料[G]．

[2]ABB(中国)有限公司.Emax塑壳断路器技术资料[G]．

[3]ABB(中国)有限公司.低压直流产品技术资料[G]．