一種采用雙斷點觸頭系統的新型塑殼斷路器

趙瑞峰 上海人民電器廠 (200072）

趙瑞峰 (1983年～), 男, 2006年加入上海人民電器廠，目前從事塑殼斷路器設計工作。

0引 言

塑料外殼式斷路器廣泛應用在國民經濟建設的各個領域中，是低壓電器重要的基礎元件。當線路中發生過載、短路和欠電壓故障時，塑殼斷路器可以對正在運轉中的工業用電設備、民用電氣設備、電源設備起到相應的保護作用。從20世紀90年代中期開始，國際上一些著名的電氣公司陸續推出了新一代塑殼斷路器產品。新產品在產品結構、智能化、網絡化方面有較大突破。它們在安全性、可靠性、經濟性、智能化和環保要求等方面更能適應現代電網的需求。

1 塑殼斷路器的結構與分類

1.1 塑殼斷路器的結構

塑殼斷路器是一種能夠關合、承載和開斷正常回路條件下的電流，并能在規定的時間內承載和開斷異常回路條件(包括短路條件)下的電流的開關裝置。其一般由觸頭系統、滅弧系統、操作機構、脫扣器、外殼等構成。

圖1 塑殼斷路器結構

1.2 塑殼斷路器的分類

按操作方式分為有電動操作、儲能操作和手動操作

按極數分為三極和四極

按安裝方式分：有插入式、固定式和抽屜式等

按接線方式分：板前接線和板后接線

按脫扣器的型式和特性分類：

(1)分勵脫扣器

分勵脫扣器為附件，由用戶單獨選配。

(2)欠電壓脫扣器

欠電壓脫扣器為附件，由用戶單獨選配。

(3)過電流脫扣器

(4)剩余電流脫扣器

剩余電流脫扣器按脫扣時間分有二種型式：非延時型、延時型。

剩余電流脫扣器按脫扣形式分有三種型式：脫扣、脫扣報警、報警不脫扣。

2 塑殼斷路器的應用

塑殼斷路器適用于交流50Hz或60Hz，額定電流從16A至1250A，額定絕緣電壓750V，額定工作電壓690V及以下配電網絡，一般作為配電保護用。殼架額定電流630A及以下的斷路器亦可作為保護電動機之用。在正常情況下，斷路器可分別作為線路的不頻繁轉換及電動機的不頻繁起動之用。

在低壓配電系統中，塑殼斷路器的應用非常廣泛，它一般用于配電饋線控制和保護、小型配電變壓器的低壓側出線總開關，動力配電終端控制和保護以及住宅配電終端控制和保護，也可用作各種生產機械的電源開關。

塑殼斷路器的保護功能由欠壓脫扣器、過電流脫扣器、分勵脫扣器等脫扣器來實現。欠壓脫扣器用來監視工作電壓的波動，當電網電壓降低至70%～35%額定電壓或電網發生故障時，斷路器可立即分斷，在電源電壓低于35%額定電壓時，能防止斷路器閉合。分勵脫扣器用于遠距離遙控分斷斷路器。過電流脫扣器可分為熱過載脫扣器和短路脫扣器，用于防止過載和負載側短路。

傳統的塑殼斷路器采用熱動式脫扣控制方式，利用負荷電流的熱效應使雙金屬片受熱彎曲產生變形控制脫扣。由于雙金屬片的形狀結構和熱變形精度難以保證，因而斷路器脫扣延時時間難以精確控制，斷路器斷流精度不高。智能化脫扣器的使用，不僅可以提高保護精度，還可以提供三段保護：長延時、短延時和瞬時保護。三段保護的實現可以使選擇性保護成為可能。帶通信接口的智能化斷路器可用在現場總線系統中，可與多種現場總線或工業以太網聯接組成智能化配電監控系統。

圖2 帶三段保護特性的選擇型斷路器的特性曲線

保護電動機用斷路器，在400V配電網絡中用作鼠籠型電動機的起動和運轉中分斷及其過載、短路和欠電壓保護，額定電流160A及以下還可作缺相保護。

帶剩余電流保護的斷路器可以作為人身觸電和設備漏電保護之用，也防止因設備絕緣損壞，產生接地故障電流而引起的火災危險。

3 塑殼斷路器的現狀及發展趨勢

3.1 國內塑殼斷路器現狀

我國20世紀90年代中期以來開發的一系列塑殼斷路器產品在產品性能以及技術指標有了長足進步和突破，基本能滿足目前低壓電網的要求。但這些產品基本上是以仿制、改進為主，在結構、技術、材料和性能指標方面只能相當于國外老一代產品。與國外新一代塑殼斷路器產品比較有較大差距，主要表現在：

(1)短路分斷能力不夠高。

國內產品Icu多為70~80kA，而Ics僅為50%~60%Icu，運行可靠性不夠好。

(2)結構仍為敞開式，未采用模塊化結構，短路分斷試驗時金屬粒子卡死機構和燒斷彈簧的現象時有發生。

(3)產品體積較大，技術經濟落后。

(4)電子線路可靠性較差，損壞率比較高。

(5)附件性能可靠性較差，尤其是欠電壓脫扣器運行中比較容易失效

3.2 塑殼斷路器的發展趨勢

隨著現代設計技術、微電子技術、計算機技術、計算機網絡技術、通信技術、智能化技術、可靠性技術、測試技術的發展以及新工藝的出現，未來塑殼斷路器在技術上和功能上都會有很大的提高。微機技術、微電子技術、計算機網絡和數字通信技術以及人工智能技術在低壓電器中的應用，智能電器將會從簡單的采用微機控制取代傳統繼電器功能的單一封閉裝置，發展到具有完整的理論體系和多學科交叉的電器智能化系統。這將成為電氣工程領域中電力開關設備、電力系統繼電保護、工業供配系統及工業控制網絡技術新的發展方向。

(1)高性能、高可靠、小型化

新型塑殼斷路器的高性能除了提高其主要技術性能外，重點追求綜合技術經濟指標，除了提高短路分斷能力外，特別關注飛弧距離的減小，同時要求小型化。這對發展新一代緊湊型低壓成套開關設備十分重要。

(2)電器智能化、電子化

電器智能化是以智能電器這種有形產品為基礎建立的相關學科知識及應用技術的系統集成。隨著電子技術和計算機技術的同步發展，智能電器經歷了半導體、電子式、智能式等幾個階段。目前，隨著專用集成電路和高性能的微處理器的出現，智能斷路器、智能控制保護器、智能接觸器等功能完善的智能電器元件和智能型配網絡系統將應運而生。

未來脫扣器的智能化不僅體現在可實現長延時、短延時、瞬時過流保護、接地、欠保護等保護功能、可顯示電壓、電流、頻率、有功功率、無功功率、功率因數等系統運行參數。而且具備更強的分析能力和綜合能力。另外，由于在供電系統中大量使用軟起動器、變頻器、電力電子調速裝置、不間斷電源等裝置，使電網和配電系統中出現大量的高次諧波，而模擬式電子脫扣器一般只反映故障電流的峰值，造成斷路器在高次波的影響下發生誤動作。帶微處理器智能化斷路器反映的是負載電流的真實有效值，因此可避免高次諧波的影響。

(3)智能電器網絡化

近年來, 現場總線的出現給工業自動化帶來了革命性的變革。現場總線是一種造價低、可靠性強并適合工業環境使用的通信系統，僅需要一根雙芯電纜，使布線非常簡單，減少了安裝維護費用。

將智能電器—中央控制設備、智能電器與智能電器之間，通過總線連接起來，在低壓配電系統和電動機控制中心統一就形成了一個智能化監控、保護與信息網絡系統。這種系統具有以下優點：當系統中電器設備發生故障時，通信電器與現場總線器能夠顯示故障信號，便于排除故障，保證系統正常運行；系統傳輸的信號量增加，提高了系統自動化程度；信號傳輸的精度提高，保證了系統運行的可靠性。因此，這種系統使操作人員在控制室中能夠方便地控制各種現場設備，并且能夠及時了解現場設備運行情況,處理各種故障。

4 新一代塑殼斷路器

在低壓輸配電網絡中, 塑殼斷路器是重要的基礎元件之一。一般應用于那些經常會發生用電設備過載、短路的場合，它們能安全、可靠地切斷故障電流，防止事故擴大危及到整個輸配電系統。國際上一些著名的電氣公司已經推出新一代產品，其主要技術特征為：高性能的觸頭滅弧系統、模塊化結構設計、智能化脫扣器、安裝方式簡便多樣，與現場總線進行通訊等。

4.1 高性能觸頭接觸系統

新一代塑殼斷路器廣泛采用了轉動式雙斷點觸頭接觸系統（見圖3）。這種新型雙斷點觸頭系統，加強了短弧度近陰極效應，具有較高的電弧電壓，便于提高分斷能力，并省去軟連接，從而提高了運行可靠性和電氣機械壽命。兩個觸頭的電動斥力迭加，可使斥開速度大大提高，并且轉動式雙斷點結構在有限的空間內加大了觸頭開距，從而提高短路分斷能力。為了防止交流電流過零時，電流減小時觸頭回彈或重新閉合，斷路器專門設計了觸頭斥開卡住自鎖結構，使觸頭斥開后卡住在最大斥開位置，待操作機構動作后方能使卡住機構解鎖。觸頭斥開卡住機構配合快速動作的操作機構，可以使塑殼斷路器在幾個ms之內完成斷路電流分斷，大大提高了短路分斷能力。

圖3 轉動式雙斷點觸頭及卡住機構

4.2 全封閉觸頭滅弧結構

將U形靜觸頭、轉動式雙斷點動觸頭及其支撐件、觸頭彈簧、金屬柵片滅弧室、導磁體等封閉于一個塑料盒內，每一極為一個獨立單元，通過聯動桿組合成三極或四極觸頭，其結構見圖4。

應用全封閉觸頭滅弧結構，可以將生弧瞬間產生的強大氣流引導到特別設計的結構，應用氣體壓力脫扣新技術，加速機構脫扣，提高短路分斷能力。我們設計了一種兩側厚度不對稱，并且把靜觸頭作為嵌件壓制在塑料件內的新型全封閉觸頭滅弧腔體，使動、靜觸頭接觸更加可靠。

新一代塑殼斷路器的觸頭滅弧系統基本上采用封閉式的結構，把單相動靜觸頭和滅弧室罩一起用耐電弧的塑料材料封閉起來，形成一個封閉結構。封閉式的觸頭滅弧系統與傳統的敞開式結構比較有以下明顯優點：

(1)可以有效地防止短路分斷時產生的金屬粒子噴濺到操作機構，造成機構卡死或燒斷主彈簧；

(2)有效地防止熾熱的金屬噴濺到動靜觸頭彈簧，燒斷彈簧或使彈簧退火；

(3)防止電弧反吹而不能進入滅弧室，影響短路電流分斷；

(4)在封閉的腔體內產生電弧時，空氣壓力急劇上升產生強大的氣流加速電弧冷卻并向噴弧口噴出，有利于電弧的熄滅；

(5)保證相間絕緣。

圖4 封閉式的觸頭模塊

4.3 產品小型化和模塊化

在具備相同功能、相近體積的前提下新一代塑殼斷路器與國內各電器公司的塑殼斷路器相比，各項主要技術性能指標均有了很大提高，真正實現了高性能情況下的小型化。

斷路器本體由觸頭滅弧系統模塊、脫扣器模塊、操作機構系統和塑料外殼四部分組成。同一殼架產品熱磁脫扣器和智能脫扣器外形尺寸統一設計。可以實現同一電流殼架等級下脫扣器互換。

4.4 采用智能型脫扣器

電子脫扣器是微電子、計算機和通信技術的結合,具有傳統熱磁脫扣器不可比擬的優勢。脫扣特性穩定，不受環境溫度及氣候的影響，脫扣電流和時間的精度較高，整定電流可調,可設置不同的特性曲線以適應各種負載保護的要求，可以派生通信功能,實現網絡化控制。還可派生區域聯鎖、電量監控及電能分析等輔助功能。新一代塑殼斷路器均可安裝電子脫扣器,并逐漸向160A及以下的小容量額定電流殼架發展。

智能脫扣器基本功能有：

過電流保護：過載長延時反時限，短延時反時限，短延時定時限，短路瞬時動作。

脫扣器整定電流（Ir）可調，可由用戶自行設定。

短延時動作電流可調，可由用戶自行設定。

用戶可選擇配電保護或電動機保護切換。

預警功能：負載電流為整定電流（Ir）的70%～90%LED燈閃爍；超過115%，IED燈點亮。

過熱保護：當脫扣器溫度>85℃時，斷路器脫扣斷開。

缺相保護：設定為電動機保護，當一相電流與三相電流平均值之值達到20%時，斷路器自動斷開。

智能脫扣器派生功能：

(1)通信接口：可與多種現場總線、工業以太網連接，實現自動測量、自動控制

(2)接地故障保護

(3)脫扣原因顯示

(4)液晶顯示和觸摸式控制。

圖5 RMM2通訊模塊

4.5 具有剩余電流脫扣器

剩余電流脫扣器由零序電流互感器、電子線路和執行機構組成，剩余電流脫扣器要提高剩余電流保護的可靠性，擴大應用范圍。

(1)正弦交流剩余電流和含有直流分量的剩余電流都能可靠動作的A型產品。

(2)剩余動作電流和動作時間可調：0.03～10A、0～300ms。

(3)實現遠方指示剩余電流動作脫扣。

剩余電流脫扣器設計為獨立模塊，需要時拼接在斷路器下側。應用靈活、方便。

圖6 RMM2L-250/4剩余電流保護器

5 結 語

目前，我國正在致力于建設堅強可靠、自愈、安全、經濟、清潔的智能電網。

智能電網要求低壓電器產品實現智能化、網絡化。新一代塑殼斷路器在智能化，網絡化方面有了很大提高，功能更加完善、性能更加優良、可靠性更好。借著智能電網的東風，新一代塑殼斷路器一定能很好的推廣，而新型塑殼斷路器的廣泛使用，也可以為智能電網提供更好的保障。