斷路器電子脫扣器輸出繼電器設計與試驗

喬卿陽，沈宇鵬，許太亞

斷路器電子脫扣器輸出繼電器設計與試驗

喬卿陽1，沈宇鵬2，許太亞2

（1.武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064；2. 武漢長海電氣科技開發(fā)有限公司，武漢 430064）

針對斷路器電子脫扣器驅動，本文設計了一種繼電器觸點雙極串聯(lián)輸出方案。介紹了負載的性能要求，詳細闡述了負載回路的工作原理。試驗證明該方案提高了電子脫扣器的分斷能力，保證了斷路器的工作可靠性。

斷路器 觸點雙極串聯(lián) 分斷能力

0 引言

直流斷路器是直流電力系統(tǒng)重要的保護元件，其保護功能可通過電磁脫扣器與電子脫扣器實現(xiàn)。電磁脫扣器通常實現(xiàn)短路保護，在出現(xiàn)過載工況時，電磁脫扣器保護實現(xiàn)比較困難，此時需要電子脫扣器作為后備保護，實現(xiàn)斷路器的短路保護和過載保護功能。

斷路器作為保護元件，為保證其控制電源的供電可靠性，通常采用220VDC蓄電池供電方式為其提供控制電源，斷路器操作機構及分合閘線圈的工作電壓即為220VDC。在空氣中開斷電路時，只要電壓在12~20 V，被開斷電流在0.25~1 A，在電器的觸頭間隙就會產(chǎn)生電弧[1]。電侵蝕是觸頭損壞的主要原因，在閉合狀態(tài)下電弧對觸頭的危害很小，但是在分斷過程中，由于分斷過程歷時較長，在整個分斷的期間，由于金屬材料的觸頭間的轉移和液態(tài)金屬的濺射以及金屬蒸汽的擴散，將對電器產(chǎn)生很大的危害[2]。直流電流的分斷過程中，電弧沒有過零點，電弧難以熄滅，導致小型功率繼電器難以實現(xiàn)較高的直流電流分斷能力，小型功率繼電器的分斷電壓一般不超過125VDC，難以滿足直流斷路器的工作需要。通過以上分析可知，提高繼電器的觸頭弧壓及縮短繼電器分斷時間是提高繼電器分斷能力的關鍵。本文設計了一種輸出繼電器觸點雙極串聯(lián)的電子脫扣器，提高了輸出繼電器斷口弧壓，提高了電子脫扣器的分斷能力，大大提升了電子脫扣器的工作可靠性。

1 斷路器分閘回路電氣原理

斷路器分閘回路電氣原理圖見圖1。斷路器分閘可通過兩個回路實現(xiàn)。當分閘信號開關閉合時，分閘線圈得電，分勵脫扣器動作，斷路器實現(xiàn)分閘操作。斷路器分閘動作到位后，分閘信號斷開或者QF輔助開關由常閉觸點轉換為常開觸點，分閘線圈失電，完成電動操作分閘過程。

斷路器出現(xiàn)過載或斷路工況時，電子脫扣器輸出分閘信號，分勵脫扣器驅動信號觸點閉合，分閘線圈得電，分勵脫扣器動作，斷路器實現(xiàn)分閘操作。斷路器分閘動作到位后，QF輔助開關由常閉觸點轉換為常開觸點，分閘線圈失電，斷路器完成保護動作，此時分勵脫扣器驅動信號斷開。

圖1 斷路器分閘回路電氣原理圖

通過電動操作進行操作時，由于分閘信號觸點容量通常較大，滿足分閘線圈功率要求，故電動操作過程對分閘信號操作時序無特殊要求，其閉合時間滿足斷路器分閘時間即可。即若斷路器分閘時間為60 ms，則分閘信號閉合時間超過60 ms即可。

若通過電子脫扣器進行斷路器分閘操作，由于電子脫扣器分閘輸出繼電器觸點容量通常不能滿足分閘線圈功率要求，分勵脫扣器驅動信號不能實現(xiàn)回路的分斷功能。為保護電子脫扣器輸出繼電器不受損壞，回路的分斷必須由輔助開關QF實現(xiàn)。

圖2 斷路器動作時序圖

在圖2中，若斷路器電動操作分閘時間如實線所示，即分勵脫扣器驅動信號輸出時間大于QF轉換時間，則回路分斷由輔助開關QF實現(xiàn)，斷路器實現(xiàn)正常分閘過程。

若斷路器電動操作分閘時間如虛線所示，則分勵脫扣器驅動信號輸出時間小于QF轉換時間，回路的分斷由電子脫扣器輸出繼電器實現(xiàn)。若繼電器分斷容量小于負載功率，斷路器分斷過程可能失敗。

現(xiàn)有的電磁式繼電器大多為交流繼電器，具有較好的交流電流分斷能力，直流分斷能力差。在直流滅弧中，電弧的電壓值應在整個燃弧過程中高于被分斷的直流工作電壓，但不能高到危及設備絕緣的程度[3]。本論文提出了一種繼電器雙極串聯(lián)輸出的方案，提高了繼電器的弧壓，縮短了繼電器的分斷時間，提高輸出繼電器的分斷能力，提高了電子脫扣器的工作可靠性。

3 雙極串聯(lián)的繼電器輸出電路

圖3 繼電器雙極串聯(lián)電路圖

繼電器雙極串聯(lián)電路圖如圖3所示。圖中6、8為一極，2、4為一極。繼電器閉合時，2、4和6、8同時接通，負載得電。繼電器斷開時，2、4和6、8兩對觸點同時斷開，負載斷開回路。

繼電器觸點為機械觸點，在機械觸點斷開過程中，會產(chǎn)生電弧。電弧的存在使繼電器的成功分斷存在很多不確定性。在電器設計中，經(jīng)常采用提高弧壓的方式提高斷路器的分斷速度，減少對斷路器觸頭的侵蝕。我們可將繼電器觸點視為小型的斷路器觸點，則可采用提高繼電器斷口弧壓的方法，提高繼電器的分斷能力。

假設回路電源電壓為U，負載阻抗為R，負載感抗為，在負載斷開時，電路暫態(tài)電流為，負載斷口電壓為U，可列出繼電器分斷時的暫態(tài)方程：

換算可得：

在繼電器觸點斷開的過程中，電壓擊穿空氣產(chǎn)生電弧，電弧為導電等離子氣體，繼續(xù)提供電流的流通路徑，同時由于有電流流經(jīng)電弧，電弧會產(chǎn)生一定的電壓，U即為繼電器觸點的弧壓。

若弧壓U與電源電壓U相等，即U=U，則公式2左端為0，由于RL和L均不為０，故此時可滿足等式成立條件，即繼電器斷口弧壓達到電源電壓值時，回路電流降到０，回路斷開。

從上述計算可以看出，提高弧壓U是提高繼電器分斷能力的關鍵。假設在單極斷口中，斷口建立弧壓為U，則公式２可變換為：

而在雙極串聯(lián)電路中，繼電器存在兩個觸點斷口，此時會產(chǎn)生兩個弧壓U和U。由于繼電器斷口觸點材質(zhì)、開距及電流等參數(shù)一致，則UU，此時公式(２)變換為：

即在繼電器雙極串聯(lián)情況下，繼電器觸點斷口弧壓提高到了原弧壓的兩倍。隨著弧壓的提升，負載阻抗R及感抗的分壓減小，回路電流下降。

3 實驗驗證

本文選用歐姆龍公司G6B-2214-US-DC24V繼電器進行實驗。G6B-2214-US-DC24V為單穩(wěn)態(tài)雙極輸出2a接點繼電器，采用某型斷路器的分勵線圈作為負載，線圈阻抗431W，測試回路工作電源DC220V。測試回路電流采樣電阻阻值3.3W。

實驗中，分別測試G6B-2214-US-DC24V繼電器單極斷開線圈負載的電流和斷口電壓波形及G6B-2214-US-DC24V繼電器雙極串聯(lián)斷開線圈負載的電流和斷口電壓波形。

圖4 繼電器單極斷開負載波形圖

圖4為繼電器單極斷開負載的波形。圖5為繼電器雙極串聯(lián)斷開負載的波形。圖中通道1為回路電流，通道1中采樣電阻為3.3W，故電壓值/3.3即為回路電流值。通道2為負載線圈兩端電壓，通道3為繼電器斷口電壓。

在圖4中，分斷前通道1電壓值1.68 V，可算得電流值為0.509 A，分斷過程中測得電壓1.2 V，回路電流為0.363 A。在繼電器分斷過程中，通道3測得的弧壓最高值為28 V。從繼電器開始產(chǎn)生弧壓至回路電流降為0的時間為17.2 ms，即繼電器分斷時間為17.2 ms。

圖5 繼電器雙極串聯(lián)斷開負載波形圖

在圖5中，分斷前通道1電壓值1.68 V，可算得電流值為0.509 A。分斷過程中由于串聯(lián)電弧的急劇變化，回路電流呈現(xiàn)較大的波動，總體電流較圖4中出現(xiàn)較大下降。在繼電器分斷過程中，通道3測得的弧壓最高值為44 V。從繼電器開始產(chǎn)生弧壓至回路電流降為0的時間為6.8 ms，即繼電器分斷時間為6.8 ms。

繼電器觸點的侵蝕大部分發(fā)生在觸點分斷過程中，分斷電流越大，分斷時間越長，則對繼電器觸點的侵蝕越嚴重，可能導致繼電器壽命的降低。通過上述數(shù)據(jù)可以看出，在雙極串聯(lián)工況下，繼電器弧壓有較大提升（提升了將近1倍），繼電器的分斷時間由17.2 ms降低為6.8 ms，而分斷電流則出現(xiàn)的明顯的下降。故在雙極串聯(lián)工況下，可大大改善繼電器觸點侵蝕的情況。

4 結論

通過以上理論計算，并通過實際測試，在繼電器單極分斷和雙極串聯(lián)分斷的情況下，繼電器的斷口弧壓由28 V提升至44 V，且繼電器的分斷時間有17.2 ms降至6.8 ms。由以上實驗可得出繼電器的雙極串聯(lián)可大大提高繼電器的分斷能力，提高繼電器的工作可靠性，大大提高了電子脫扣器的工作可靠性。

[1] Rieder W R. Low current arc modes of short length and time: A review[J]. IEEE Transactions of Components and Packaging Technologies, 2000, 23(2): 286-292.

[2] 劉教民. 低壓電器開關電弧運動機理及仿真[M]. 北京: 科學出版社, 2013: 26-27.

[3] A.埃克, M . 施梅爾茨勒. 開關電器技術基礎[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 1984: 14-15.

Design and Test of Output Relay of Circuit Breaker Electronic Release

Qiao Qingyang1, Shen Yupeng2, Xu Taiya2

(1.Wuhan Institute of Marine Electrical Propulsion, Wuhan 430064, China;2.Wuhan Changhai, Wuhan 430064,China)

TM561

A

1003-4862（2019）12-0062-03

2019-04-17

喬卿陽（1989-），男，工程師。研究方向：電力電子技術，繼電保護。E-mail: 379385267@qq.com