小型交流断路器在直流电路中的应用

小型交流断路器在直流电路中的应用摘要：讨论了小型交流断路器在直流电路中的灭弧原理。由于直流熄弧电流不存在自然的过零点，因此必须强制过零才能熄灭直流电弧。分析了直流电路中电感和时间常数对直流电弧熄灭的影响。在分析交、直流瞬时脱扣整定电流的差别的基础上，给出了选择断路器的要点。最后，介绍了小型交流断路器在直流电路中的实际应用。一、概述随着终端保护电器的小型交流断路器越来越广泛的应用，直流电路的保护对断路器的需求也日趋增加。除了小型直流断路器外，小型交流断路器也大量地使用在直流电路中，本文以施耐德电气公司生产的小型交流断路器为例说明如何在直流电路中使用交流断路器及应注意的问题。二、直流电路熄弧原理由于直流电路的电流不存在过零点，所以在熄弧时必须强制直流燃弧电流等于零，或使电流接近于零(10A)，才能使电弧熄灭。下面简述有关直流稳态电流分析短路熄弧原理，稳态电流可以理解为分断电路时的额定电流、过载电流或短路电流。其等效电路图如图1所示。在电路稳态时，即触头未分断前，电流的初始状态为ia=E/R，直流电路在分断燃弧时的等效方程式如下：从以上的分析中看出，当电弧电压大于电源电压时，电弧电流的导数小于零，说明电弧电流ia呈下降趋势;当电弧电流ia趋近于零时，电弧趋于熄灭。直流电弧的熄弧条件为：当电弧电压大于电源电压时，电弧趋近于熄灭。否则，电弧处于稳定燃烧阶段，ia=(E-ua)/R，如图2所示。图2中，P点uaE，电弧电流开始减少，直到电弧熄灭。直流电弧熄弧的要点在于：①电源电压越小对熄弧越有利;②断路器应使电弧电压快速上升，尽快达到和超过电源电压，上升和超过电源电压快慢决定电流熄弧的快慢。三、直流电路中的电感和时间常数对直流电弧熄弧的影响众所周知，直流电路中电感是个储能元件，在燃弧时，电感要向电路和电弧中释放其线圈储存的能量。电路的电感越大，释放的能量越大，电弧越难熄灭。对式(1)等式两边同乘dia/dt，然后积分，积分的区间边界为：当t=t0时，ia=ia0，当t=ta(燃弧时间)时，ia=0(电弧熄灭)。即等式的左项表示电弧燃弧时的能量;右边第1项表示电源能量;第2项表示电阻消耗的能量;第3项表示电感储存能量。上式表明电弧燃烧时，电感储存的能量(正号)的作用同电源相同，向电弧提供能量，增加电弧燃烧的能量。同时，电阻的作用在电弧燃烧时消耗电弧能量(负号)。电路的时间常数τ=L/R间接表示了电路的负载性质和电路电感的大小，电感越大分断时电弧的能量越大，熄弧越困难。相反电弧容易熄灭。如τ=0为纯阻性负载，电弧最容易熄灭。有关交直流两用的小型断路器的国际标准IEC60898-2：2000中对直流电路规定了两种时间常数τ=4ms或τ=15ms，它表示短路时短路直流电流上升到0.63倍最大峰值电流时所需的时间，τ=L/R(ms)(见图3)。由于电感限制电流具有突变的特性，以及时间常数和电路电感的正比关系，时间常数的大小间接表示了电路电感的大小，时间常数越大电流的变化越慢，在实际应用中断路器分断短路电流越困难。所以，短路试验中IEC6089822：2000就规定了1500A的较大短路电流对应较小的时间常数τ=4ms进行试验，≤1500A可采用4ms或15ms任何一种时间常数进行试验。从该标准可以看出，时间常数对于断路器分断短路电流的影响。四、交流和直流瞬时脱扣值的区别小型交流断路器瞬时脱扣特性中规定B、C、D等不同类别。例如C类的小型交流断路器瞬时脱扣值规定为额定电流5～10倍，工厂瞬时脱扣值是按照有效值整定的，但实际上交流断路器瞬时脱扣器是螺管线圈的构造，它的脱扣电流是峰值电流，为有效值的1.414倍。考虑直流的特点，其电流值对应交流有效值。其短路电流不存在类似交流的峰值问题，所以小型交流断路器在直流电路中应用时它的瞬时脱扣值应乘以一个系数(约1.4)。例如，C类的小型交流断路器在直流中应用时它的瞬时脱扣值范围应为1.4×5In～1.4×10In=7In～14In。由此可知，在直流电路中应用时，交流断路器瞬时脱扣器的实际电流脱扣值要高于在交流电路的瞬时脱扣值。这也是为什么在直流电路中直流短路电流较交流短路难以分断的另一个原因。表1给出小型交流断路器在直流线路中瞬时脱扣值的变化。五、选择断路器几个要点1、直流整流电路过流保护直流整流电路的过流保护一般考虑采用在交流侧的熔断器或断路器的保护方案，可根据整流电路、负载和直流侧工作电流来选择交流断路器的额定电流、额定电压和分断能力。2、电池组直流电源的过流保护举例说明：一电池组的容量为500Ah。最大放电电压240V(110块2.2V的电池串联)。每块电池内阻为0.5mΩ(电池组内阻Ri=55mΩ)。电源在选择断路器时应考虑以下3点：(1)选择断路器的工作电流。I=U/Z，Z为电路和设备阻抗Z=Ri+R=U/I，当RmRi，Ri可忽略不计。R=20Ω时，I=240V/20Ω=12A。断路器额定工作电流可选择16A。(2)选择断路器的额定短路能力。Icu=U/Ri=240V/0.05Ω=4kA。可选择具有6kA或10kA的直流短路保护能力的断路器。如果电池组的内阻未知，可近似计算所选用的断路器的短路保护能力，用公式Ics=KC，C为电池容量，单位为Ah，K为系数，10≤K20，一般选择10，但不超过20(如，Ics=5kA)。交流断路器可采用多极串联的方式来提高其直流分断能力。(3)选择断路器的工作电压。可根据电池的放电电压(也认为是直流电路的电源电压)决定所选择断路器的工作电压。断路器的额定工作电压要大于电池组的放电电压。六、交流断路器在直流电路中的串联使用电路中，单相交流电压为220(230)V、440V;而直流电路电压为24、48、60、125、220(250)、440V。交流断路器在直流电路中应用时重点要考虑直流电路的电压问题。直流电路的电压越高，电弧电压大于电源电压的熄弧条件越难满足，电弧越不容易熄灭，故交流断路器分断直流短路电流越困难。交流断路器在直流电路应用中要提高其直流分断能力问题，尤其对于电压较高的直流电路电压，简单有效的办法是将多极断路器串联使用。(1)选择断路器的工作电流。I=U/Z，Z为电路和设备阻抗Z=Ri+R=U/I，当RmRi，Ri可忽略不计。R=20Ω时，I=240V/20Ω=12A。断路器额定工作电流可选择16A。(2)选择断路器的额定短路能力。Icu=U/Ri=240V/0.05Ω=4kA。可选择具有6kA或10kA的直流短路保护能力的断路器。如果电池组的内阻未知，可近似计算所选用的断路器的短路保护能力，用公式Ics=KC，C为电池容量，单位为Ah，K为系数，10≤K20，一般选择10，但不超过20(如，Ics=5kA)。交流断路器可采用多极串联的方式来提高其直流分断能力。(3)选择断路器的工作电压。可根据电池的放电电压(也认为是直流电路的电源电压)决定所选择断路器的工作电压。断路器的额定工作电压要大于电池组的放电电压。七、直流应用电路在直流应用时是否将交流断路器串联使用取决于直流工作电压和直流供电系统。首先要考虑的是直流电路电源电压但同时也要考虑直流供电系统的形式。IEC60898：222002规定额定电压为230V小型交流单极断路器在直流电路中使用时直流电源电压一般不能超过220V，220V直流电压应考虑断路器的二极串联使用。从更安全的角度上讲建议当直流电压为125V时使用二极串联使用，125V时，可考虑三极和四极断路器串联，以提高断路器的分断能力。表2为交流断路器多极串联时的直流分断能力。由表2可见：①串联的极数和直流电源电压成正比，直流电压越高，需要交流断路器的串联极数越多;②同一直流电源电压下，串联的极数越多，断路器的直流分断能力越高;③一般直流电源电压在60V及以下时，选择单极断路器即可，在125V时可以选择使用2极串联，在250V及以上时可以选择3极或4极串联使用;④表2给出的是在时间常数τ=15ms条件下的试验参数，τ对断路器分断能力的影响见第3节的叙述;⑤从表2的数据可见，串联后的直流短路分断能力要远高于交流断路器本身的分断能力。若无需过高分断能力可根据负载和电路电压的情况减少断路器的串联极数。参考IEC6089822∶2000，提出常用几种直流电路应用见表3。八、结语(1)只要了解交流断流器在直流电路中应用的特点，分析不同的直流供电系统，负载阻抗和短路电流等情况，小型交流断路器完全可在直流电路中应用。(2)随着我国等同采用IEC60898：2000《家用和类似用途的过电流保护断路器第2部分：用交流和直流的断路器》的新国家标准的编制和颁布，并对其应用起到指导和规范的作用。