低壓斷路器臨界直流負載電流試驗探討*

王文強，高原彬，康志林

(甘肅電器科學研究院,甘肅 天水 741018)

0 引 言

新的能源格局下直流電的應用場景日趨豐富，直流斷路器作為保障輸配電回路及設備安全可靠運行的保護電器，越來越多的使用在直流輸配電系統。交流在工頻每半個周期必然通過一次零值[1]。交流斷路器由于存在電弧過零點，容易進行分斷控制，相比較直流斷路器的分斷就不是那么容易了，因此直流斷路器的故障電弧特性研究也成為了直流電力系統需要關注解決的關鍵問題之一[1]。針對電器行業當下發展要求，國家市場監督管理總局和國家標準化管理委員會定于2021年4月1日實施的低壓開關設備和控制設備標準GB/T 14048.2-2020對斷路器增加了臨界直流負載電流試驗規定，臨界負載電流是在使用條件范圍內燃弧時間明顯延長的分斷電流[2]。筆者分析斷路器分斷原理，搭建實驗裝置，研究探討斷路器開關電弧理論，在現有直流電流試驗平臺基礎上通過改造試驗回路實現斷路器臨界直流負載電流的試驗檢測。基于直流電流試驗平臺改造的臨界直流負載電流試驗方法具有經濟、可行、科學、可靠的實用價值。

1 斷路器電弧理論

1.1 電弧的產生

斷路器作為電路的開關裝置，能夠實現在短時間內分斷接通電路的功能。斷路器開關分斷過程中電壓電流超過一定的界限在觸頭間會電離出低溫等離子體，觸頭間空氣由絕緣狀態變成可導通的游離態，發生氣體放電現象，這就是電弧。研究電弧知識，可掌握電弧規律，弄清臨界負載直流電流及熄弧特性。

1.2 直流電路及其電弧

圖1所示為電弧分析等效簡化直流電路圖，其中有電阻R、電感L和斷路器觸頭QF，直流電壓源U，電路閉合狀態下有電流i流過。

圖1 電弧分析等效簡化直流電路圖

斷路器觸頭QF從閉合電路分斷動作，分開一定長度時電弧燃燒,斷路器兩極間有端電壓uh，此時有電壓平衡方程式：

(1)

由式(1)可知觸頭間端電壓uh和電流i關系為非線性的，根據式(1)做電壓uh和電流i的電路特性圖如圖2所示。

圖2 電弧電路伏安特性曲線圖

圖2中有A、B兩條電弧伏安特性曲線，曲線A為斷路器分斷過程假定在弧長一定條件下電流減小的特性，直線B是(U-iR)的值，A、B交于1、2兩點，點1和點2將A、B間區域劃分成三個區域，交點1、2分別對應電流I1和I2， (U-iR)-uh就是電感電壓L×di/dt的值。

由圖解法可知點1和點2處有L×di/dt=0，uh=U-iR，電弧穩定燃燒。針對點1附近做電弧燃燒分析，電流略微增加，工作點進入L×di/dt>0 區，電流繼續增大到I2才能再次穩定；電流略微減小，工作點進入L×di/dt<0 區，弧電壓uh增大，電感抑制作用使得電流減小，一直減小到零值電弧熄滅為止，所以在點1附近電弧燃燒實際并不穩定。針對點2附近做電弧燃燒分析，電流略微增大，工作點進入L×di/dt<0 區，電路電感電壓有下降趨勢抑制這種變化使電流自動減小到I2保持電弧穩定；電流略微減小，工作點進入L×di/dt>0 區，電路電感電壓有增大趨勢補償電流值回到I2保持電弧穩定。因此點2附近保持電弧穩定燃燒，是斷路器電弧穩定燃燒點。

uh>(U-iR)

(2)

減小電流使di/dt<0，則式(1)變成了式(2)，滿足式(2)是斷路器電弧的熄滅條件。當A、B交于兩點1、2時，由針對1、2點的分析，I2及附近電弧穩定燃燒，只有i

2 試驗方法研究

2.1 試驗回路與裝置

GB/T14048.2-2020規定臨界直流負載電流試驗是適于且僅在直流斷路器部分進行的試驗項目。試驗電路回路由GB14048.1-2012給出如圖3所示。

圖3 單極電器驗證臨界直流負載電流試驗電路圖(注：試驗電路不使用金屬絲網和熔斷元件。)

如圖3所示，單極電器驗證臨界直流負載電流試驗電路圖由電源、被試電器和負載電路組成。S是試驗電源，D是試驗直流斷路器，B表示整定用臨時連接線，Z是阻抗負載電路，負載電路由電阻器串聯鐵芯電抗器組成。在試驗電源側和試品兩端分別測量ur1和ur2，I1表示試驗回路電流值，接地點T可以連接在電源側的星形點或者負載側的星形點，回路有且只有一點接地，正常運行時電器的外殼等接地部件和地絕緣。直流斷路器試驗時安裝在其本身的支架上或者等效的連接支架上，并且試驗在自由空氣環境中進行。

2.2 試驗方式

選取直流斷路器在制造商規定的最大直流工作電壓下進行試驗，當最大工作電壓大于50 V時試驗電壓為1.1倍的工作電壓。具有可調脫扣器的斷路器，試驗在最大脫扣整定值下進行。

在不超過試品斷路器額定電流條件下，臨界試驗在±10%允許偏差范圍內通以4A，8A，16A，32A，63A的試驗電流開展試驗，如果有拓展電流范圍的需要，試驗可以施加2倍關系電流在允許范圍內尋找臨界值。在每一試驗電流條件下斷路器閉合操作和斷開操作各5次，如果試品給出規定直流電流方向，按照試品給出的電源或負載端極性標志通電流，如果制造商未規定直流方向，則對斷路器進行5次正向操作，5次反向操作。確保每一試驗電流方向合適，根據最大燃弧時間平均值確定直流負載電流臨界值。驗證試驗電流的最高值和最低值所對應的關合開斷燃弧時間規定比臨界值的平均燃弧時間要短，如果電流臨界值不在這些標準值里,則無需進行下一步試驗。[3]

在每一次關合分斷循環中,直流斷路器保持閉合時間足夠長確保試驗通以全電流得到準確可靠的臨界直流負載電流,但閉合時間不能超過2 s，在試驗過程中燃弧時間不超過1 s。在該試驗中,在相同條件下,在電流和相對應的臨界值的方向,對同一樣品應進行50次操作[3]。

3 th與臨界直流負載電流關系的確定

確定直流負載電流臨界值的過程中燃弧時間th這一參數對于試驗結果的分析具有重要作用，th表示斷路器從開合產生電弧到滅弧完成這一過程的時間間隔。由公式(1)可得:

(3)

規定斷路器發生燃弧時的時間t值為0，當電流為I，t=th時電弧熄滅，電流為0，根據條件變換式(3)得：

(4)

(5)

推導公式(5)表明斷路器燃弧時間th受回路感性負載電感L、電流I、斷路器開斷弧壓uh值的影響，又由圖2電弧電路伏安特性曲線圖可知uh為非線性關系，可以使用圖解法做近似計算。燃弧時間th同電流I、電感L相關即回路電感增大或電流增大使得燃弧時間增大；同弧壓uh相關即斷路器關合分斷過程燃弧位置電壓越大燃弧時間反而越短。

由于直流電路不存在過零點的特性，斷路器分斷變得困難，在直流斷路器分斷過程中由于感性容性負載的影響，伴隨著電磁能量轉換影響斷路器工作性能，所以必須考慮燃弧時間th，臨界直流負載電流就是最長燃弧時間下的燃弧電流[4]。

4 結 語

從修訂后的斷路器新版國標對臨界直流負載電流試驗要求入手，分析了斷路器燃弧電路及燃弧特性，對回路以及方法進行了解讀運用，并做了燃弧時間t1和臨界直流負載電流關系問題的推導論證。文中探討斷路器臨界直流負載電流試驗方法，提供了在直流電流試驗平臺基礎上改造試驗回路進行臨界直流負載電流試驗的方法思路，這種試驗方法具有經濟、可行、科學、可靠的優點，希望可以供檢測研究機構借鑒參考。