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作者：呂東 吳永正 羅春凌 周道娟
摘 要 本文介紹了低壓斷路器的市場發展、產品結構、技術性能。針對目前大量使用的低壓斷路器現狀,從提高供電可靠性和安全性上,對低壓斷路器的應用選擇,進行了一些有益的討論。
關鍵詞 低壓斷路器 熱磁式 智能控制器
引言
隨著國民經濟快速增長、電網高速發展、城市和鄉村的用電負荷增加以及用電負荷日益多樣性和復雜化,承擔供配電和對供電設備及線路進行保護的主要元器件——低壓斷路器的制造技術水平也有顯著的提高。
1. 萬能式斷路器的市場發展
我國低壓萬能式斷路器的發展經歷了兩個階段：①采用熱磁式技術的低壓萬能式斷路器,如DWl0/DWl5/ME系列、AH系列等產品，ME和AH系列產品是我國20世紀80年代采用的引進技術，分別從德國AEG公司（現被GE公司收購）和日本寺畸公司引進的制造技術，目前廣泛應用于低壓配電網絡中；②隨著計算機單片機技術的發展及其在電器制造領域的應用，斷路器在接通、分斷、保護、安全、維護等方面的性能有了顯著變化，智能型低壓萬能式斷路器，如DWl8、DW48等系列，由上海電器科學研究所研發的產品DW45萬能式斷路器和國外ABB公司的F和E系列、MG公司的M系列、西門子公司的3WL系列、德國金鐘—默勒公司的IZM系列、GE公司的MPAKRT系列等均屬該類產品。智能型低壓萬能式斷路器因其卓越的性能正以驚人的速度在低壓配電網絡中得到大量應用。
2. 智能型低壓萬能式斷路器結構
智能型低壓萬能式斷路器按機械結構可分為：操作機構、絕緣體、觸頭系統、滅弧系統、儲能電機、智能保護單元、附件（分勵、欠壓、輔助、合閘線圈等）7大部分。
智能型低壓萬能式斷路器根據外形和機械結構有所差異，DW45系列和M系列斷路器靠近；DWl8、DW48和日本AE-S、AE-SS系列斷路器相似，其中DWl8系列因體積較大的原因較少有廠家生產，市場占有率也較低。
DW45與DW48系列的主要區別在于體積和電流范圍，框架結構上以及斷路器本身安全閉鎖上的差異。DW48系列電流殼架分1600A、3200A，DW45系列電流殼架分為2000A、3200A、6300A，電流范圍大；按極數都可分為3極和4極；電氣性能上差異不大；額定運行分斷能力Ics均為50kA以上，額定極限分斷能力Icu為65kA以上，額定短時耐受分斷能力Icw為50kA以上；機械壽命和電壽命也相同，分別為10000次和2000次。DW45斷路器在國內市場占有率極大，遍布全國各主要企業生產。
2.1斷路器本體結構特點
(1) 斷路器為立體布置形式,具有結構緊湊和體積小的特點。有固定式和抽屜式之分，把固定式斷路器本體裝入專用的抽屜就成為抽屜式斷路器。本體由觸頭系統、滅弧系統、操作機構、智能控制器、輔助觸頭、接線端子、欠壓脫扣器、分勵脫扣器、閉合電磁鐵、電動儲能機構等組成。
(2) 絕緣系統。斷路器底座、蓋采用絕緣性、阻燃性、機械強度都是很好的絕緣材料，不僅提高斷路器的分斷能力，而且保證了斷路器的機械壽命、電氣壽命。
(3) 觸頭系統。采用主、弧觸頭系統，多路并聯，降低電動斥力，提高觸頭系統的電動穩定性。新型耐弧的觸頭材料，使觸頭在分斷短路電流后不致過分發熱而引起溫度過高。
(4) 滅弧室。滅弧室全部置于斷路器的絕緣基座內，每極分開，相互絕緣，與其他部分及操作人員隔離，既安全又不致于在分斷大電流時炸裂。采用去離子柵片滅弧原理，使得斷路器上方飛弧距離為零。
(5) 操作機構和手動、電動儲能機構。采用五連桿機構，完成合、分閘動作，并可手動或電動儲能。
2.2抽屜座結構特點
(1) 抽屜座由帶有導軌的左右側板、底座和橫梁等組成,底座上設有推進機構，并裝有位置指示，抽屜座的上方裝有輔助電路靜隔離觸頭。橋式主回路觸頭前方設置安全隔板。
(2) 斷路器本體在抽屜座內的運動具有3個“位置”:連接、試驗、分離位置。連接：主回路、二次回路均接通，安全隔板開啟；試驗：主回路斷、二次回路通，安全隔板關閉，可以進行動作試驗；分離：主回路、二次均斷開，安全隔板關閉。
(3) 抽屜座與斷路器本體間有機械連鎖,斷路器必須在分閘狀態才能搖出來。
2.3附件
斷路器除具有分勵脫扣器、合閘線圈、分閘線圈、欠壓脫扣器、輔助開關等各種功能的內部附件外，還具有機械聯鎖、門聯鎖等外部附件，滿足用戶各種場合的要求。
2.4智能控制器結構特點
(1) 過電流保護特性。過載保護、短路短延時保護、短路瞬時保護、接地故障保護。
(2) 測量功能。可測量電流、電壓、功率、電能、功率因數、頻率等。
(3) 負載監控。為保證重要負荷的正常供電，可控制分斷兩路受控負荷。
(4) MCR和HSISC保護。針對斷路器本身進行的高速瞬時保護；其中，MCR保護對斷路器的接通分斷能力進行保護，在斷路器分閘及和合閘瞬間(100ms)起作用。HSISC保護是當越限故障電流產生時，控制器會在10ms內發出跳閘指令，對斷路器的極限承載能力進行保護，防止開關承載超過極限分斷能力的電流，合閘100ms以后起作用。智能控制器的核心是CPU。
2.4.1CPU智能控制器的工作電源
智能控制器的工作電源核心是雙電源供電的方式。主電源2#來自安裝于斷路器內部出線母排上的三相速飽和電流互感器,與CPU采樣電流互感器裝于同一位置。
2.4.2智能控制器的保護特性
智能型低壓萬能式斷路器智能保護控制器具有的常規保護功能：①過載保護Ir1（也稱：過流保護，長延時保護），其整定值為額定電流值In的0.4～1倍，可按步長為1A進行整定，動作時間可在0到相應的反時限特性下最大值時間內設定，時間步長按反時限特性曲線自動生成；②延時速斷保護Ir2（也稱：短路短延時保護），其整定值為過載保護電流值Ir1的1.5—15倍，可按步長為1A進行整定，動作時間可在0到相應的定時限特性下或反時限特性下最大值時間設定，可選擇反時限特性時，時間步長按反時限特性曲線自動生成，也可選擇定時限特性曲線時，時間步長為0.1s；③速斷保護Ir3（也稱：瞬時保護，短路保護），其整定值為額定電流值In的1倍到運行分斷能力Icn之間，可按步長為1A進行整定；④接地故障保護功能Ir4，其整定值為額定電流值In的0.2～1倍，可按步長為1A進行整定。
斷路器制造廠家在產品出廠時，用戶若無要求，保護值均按最大值設置，用戶應根據設計或現場負荷的調整而在控制器的面板上進行設定，但應特別注意的是，Ir1、Ir2、Ir3的定值范圍（保護特性）不能相交；Ir4的定值范圍與Ir1、Ir2、Ir3的保護定值范圍無關，可根據需要進行設定或關閉，建議在D,ynll變壓器供電系統中，采用三極斷路器時關閉Ir4保護，在Y,ynl2變壓器供電系統中，不能關閉此保護，整定值應超過變壓器容量的30%以上，采用四極斷路器時，應開通此保護，整定值也應超過變壓器容量的30%以上。
智能斷路器控制器的常規保護功能特性與上下級電器保護特性的可選擇性配合。設計選型時，對其之間的選擇性保護配合應滿足以下要求：①智能斷路器的長延時保護特性Ir1應低于被保護對象（如電線、電纜、電動機、變壓器等）的允許過載的特性；②變壓器低壓側總路智能斷路器的長延時保護特性Ir1應低于高壓側熔斷器的保護特性；③變壓器低壓側總路智能斷路器的延時速斷保護特性Ir2與高壓側速斷保護動作時間級差應為0.4—0.7s；④智能斷路器與熔斷器配合時，以熔斷器保護特性為后備保護特性；⑤上級智能型低壓萬能式斷路器短延時保護特性整定值Ir2≥1.2倍下級斷路器短延時保護特性整定值或瞬時保護特性整定值（若下級無短延時保護時）；⑥上下級斷路器的保護特性不能相交和重疊；⑦在智能斷路器具有短路短延時或瞬時保護特性的情況下，上下級斷路器之間的選擇性保護的配合關系為：上級智能型低壓萬能式斷路器瞬時整定電流保護值Ir3應等于或小于自身斷路器的短時極限耐受通斷能力Icw，而大于或等于1.1倍的下級斷路器的瞬時短路電流保護值；⑧具有短路短延時保護的智能型低壓萬能式斷路器，在帶有欠電壓脫扣器時，則必須在設計選型時注明為延時欠電壓脫扣器，且延時時間應不小于斷路器的短延時保護整定時間。
根據上述智能型斷路器選擇性保護配合的選用要求，在設計選型或投運前，必須對其保護類別和保護特性定值Ir1、Ir2、Ir3、Ir4進行確定，按設定保護值進行安裝調試后，才能使配電網絡的穩定、安全、可靠運行有保障。
2.4.3控制器的其他功能
由于配網中心眾多，大都是長期無人值守的配電房，缺乏運行記錄的基礎數據，僅僅是不定時地測量負荷，無法正確反映變壓器、斷路器等供電設備長期運行工況及負荷狀態，一直以來是配網中心管理工作上的一個難題。近年來，與智能保護控制器生產廠家協商，開發了帶周期性運行參數（三相電流、三相電壓、功率因數、諧波等）采樣和連續記錄功能，具有USB接口，采用U盤可讀取每時段的運行數據以及變壓器的運行工況，具有數據功能的智能保護控制器解決了配網中心長期以來缺乏設備運行基礎數據，管理上的問題,對于供電設備的負荷狀況，變壓器是否長期單相負荷運行，是否需要調整負荷分布等問題，有了數據上的依據。
2.4.4控制器的類型
第1代產品具有基本的過載延時（Ir1）、短路短延時（Ir2）、瞬時（Ir3）、接地故障保護（Ir4）控制功能、保護定值和時間定值用旋鈕刻度式整定（長延時反時限保護特性的時間定值自動生成，不可整定）。
第2代產品在第1代的基礎上增加了三相運行電流、電壓實時顯示（分別用字母I1、I2、I3和Ua、Ub、UC表示）和其他運行數據實時顯示（功率、諧波等），故障類型記錄功能，數碼管數字顯示和點陣液晶中文數字顯示兩種。保護定值和時間定值采用可視數字步長定值或反時限自動生成步長定值（可選擇）的方式整定。
第3代產品除具有前兩代產品的全部功能外，增加了通信功能（Profibus、Modbus通信協議），周期性運行參數采樣和連續記錄功能,具有USB接口，采用U盤可讀取每年、每時段的運行數據以及變壓器的運行工況。
3. 智能萬能式斷路器和塑料外殼式斷路器的選擇使用
400～800A是智能萬能式斷路器和塑料外殼式斷路器的電流等級交叉的范圍。許多生產制造商把電子技術和計算機技術應用到塑料外殼式斷路器的制造過程中，稱為電子式塑料外殼式斷路器和智能型塑料外殼式斷路器，其保護特性和分斷指標接近萬能式斷路器，有些塑料外殼式斷路器的分斷能力標稱高達100kA，其實這樣的指標是一個理論標稱值，因限流技術在塑料外殼式斷路器應用，實際分斷短路電流較低,無法實現選擇性保護。如圖1所示，采用限流技術的智能塑料外殼式斷路器的實際分斷曲線，在30kA時，其實斷路器已經分斷了，實線是短路電流實際發生的過程曲線。
從斷路器的體積、絕緣、強度和剛度上比較而言，萬能式斷路器比塑料外殼式斷路器也有優勢，其短時耐受電流50kA以上的短路電流的能力也是優于塑料外殼式斷路器的。
綜上所述，在400～800A內選擇智能萬能式斷路器和塑料外殼式空氣斷路器，從選擇性、可靠性、安全性角度講，萬能斷路器比塑料外殼式空氣斷路器有優勢，不需選擇性的場所可選用塑料外殼斷路器。從經濟成本上看，兩者略有差異，一臺400～800A的固定式智能萬能斷路器的價格在7000元左右，一臺400～800A的電動智能塑料外殼式空氣斷路器的價格在6000元左右。塑料外殼式便宜有優勢，從大量的工廠廠用電斷路器的使用現狀來看，電廠、化工廠凡是對供電、選擇性、可靠性、安全性要求較高的場所在這一電流范圍都是采用萬能式斷路器。
4. 結語
低壓斷路器是配電網絡中的重要組成部分，而熱磁式斷路器主要是靠熱雙金和磁系統動作實現的，越來越難滿足配電系統的可靠性、準確性、安全性的要求，無法實現通信組網。而智能斷路器充分應用了計算機控制技術，不僅提高了保護精度，而且使得配網系統更可靠、安全、準確。同時能實時瀏覽和記錄電網運行參數，為電力負荷分析提供詳實的數據基礎。故在近代電力電網中越來越重視智能斷路器的應用。
參考資料：
鄭昕,朱方鐵,張培銘,等.MC9S12DGl28B在低壓斷路器智能控制器中的應用\[J].低壓電器,2007(1):22-24.
任元會.工業與民用配電設計手冊\[M].3版,北京:中國電力出版社,2005.
步豐盛.低壓電工實用技術問答\[M].北京:機械工業出版社,2001.
來源：中國工業電器網 |
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