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断路器:保障有力 特点鲜明 不断革新
作者:系统管理员            来源:             发布时间: 2011-07-08
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现代社会的生产、生活中,从工业化的流水生产线到人们的衣食住行,处处需要电源,电在现代人们的生活中犹如空气和水一样扮演着不可或缺的角色。电流从电厂、电站发电、高压输送、到千家万户的电器,这个过程中,配电是一个及其重要的环节,配电系统包括变压器、断路器和各种高低压用电设备,其中低压断路器起到了关键的保护作用,在实际应用中被广泛使用。如何正确的选用低压断路器,使之在配电系统中合理使用;智能电网的提出,对低压断路器的新要求;随着技术的不断改进,低压断路器的发展趋势。带着这些疑问本刊记者特意采访了中国兵器工业第六设计研究院电气总工李泽平,请他就有关问题对此予以介绍。 

 

合理使用 保障有力 

记者:低压断路器和熔断器都是电网中使用较多的保护设备,两者在使用中有哪些相同和不同之处?如何进行配合使用? 

低压断路器与熔断器二者各有优缺点,从使用、安装和维修等方面进行分析考虑。熔断器的历史要早于断路器,其具有过载、短路等保护功能,在使用功能上不低于断路器,而且在某些方面还优于断路器。但是,熔断器在维修时相对断路器要麻烦一些。尤其近些年,低压断路器的发展极为迅速,新产品层出不穷,一切急用户之所急,使低压断路器无论在使用功能上,还是在安装、维修方面,都有较大的进展。特别是智能型低压断路器的问世,更使得断路器的使用领域进一步扩展。相对来讲,低压熔断器的发展却基本上停止不前,产品的更新换代更是举步维艰。所以,很多用户在进行保护设备选型时更偏重于使用低压断路器也是可以理解的。 

1)低压熔断器的特点。①选择性好。上下级熔断器的熔断体额定电流只要符合国标和IEC标准规定的过电流选择比为1.61 的要求,就视为上下级能有选择性切断故障电流。②限流特性好,分断能力高。③尺寸较小。④价格较便宜。⑤故障熔断后必须更换熔断体,比较麻烦。⑥保护功能单一,只有一段过电流反时限特性,过载、短路和接地故障都用此功能防护。⑦发生一相熔断时,对三相电动机将导致两相运转的不良后果,当然可用带发报警信号的熔断器予以弥补,一相熔断可断开三相。⑧不能实现遥控,需要与电动刀开关、开关组合才有可能。 

2)低压断路器的特点。①故障断开后,可以手操复位,不必更换元件,除非切断大短路电流后需要维修。②有反时限特性的长延时脱扣器和瞬时电流脱扣器两段保护功能,分别作为过载和短路防护用,各司其职。③带电操机构时可实现遥控。④选择型低压断路器具有多种保护功能,有长延时、瞬时、短延时和接地故障(包括零序电流和剩余电流保护)保护,分别实现过载、断路延时、大短路电流瞬时动作及接地故障防护,保护灵敏度极高,调节各种参数方便,容易满足配电线路各种防护要求。另外,可有级联保护功能,具有更良好的选择性动作性能。⑤现今产品多具有智能特点,除保护功能外,还有电量测量、故障记录以及通信借口,实现配电装置及系统集中监控管理,主要在配电线路首端和特别重要场所的分干线使用。⑥非选择型断路器上下级之间难以实现选择性切断,故障电流较大时,很容易导致上下级断路器均瞬时断开。⑦尺寸较大、价格较高,尤其选择型低压断路器的价格更高。 

根据以上保护电器性能的比较和配电线路的故障特点,可知低压熔断器和断路器的使用场所及范围。 

1)下列位置应选用选择型断路器。变压器低压出线的总开关。变电所低压配电屏引出的母干线,或引出的电流容量较大(如500A 以上)的树干式线路的保护。重要场所的低压配电屏引出的电流容量较大(如300A 以上)的放射式线路保护。
    2
) 下列位置宜选用非选择型断路器:末端回路的保护。靠近末端回路的上一级分干线的保护,当供给用电设备不多,且偶然停电不太大时。
    3
)下列位置宜选用熔断器:配电线路中间各级分干线的保护。变电所低压配电屏引出的电流容量较小(如300 A以下)的主干线的保护。有条件时也可用作电动机末端回路的保护,但此处不宜选用gG型熔断器(即全范围分断、一般用途的熔断器),而应选用aM型熔断器(即部分范围分断、电动机保护用熔断器)。因aM 型熔断器选用的熔断体额定电流比gG 型小得多,有利于提高保护灵敏性,也避免了使上级保护电器选的过大。 

 

记者:交流系统灭弧容易,直流系统灭弧较难。由于系统不一样、灭弧的原理不同,因此交流断路器与直流断路器在结构和性能上有很大区别,能否把交流断路器用在直流回路中?此时应注意什么问题? 

李泽平:的确交流断路器与直流断路器的主要差别在于灭弧能力上。因为交流电每个周期都有过零点,在过零点容易灭弧;而直流电开关没有过零点,灭弧能力较差,所以要添加额外的灭弧装置。总体来说就是直流难灭弧,而交流有过零点,易灭弧。 

直流系统不同于交流系统,直流断路器的一些参数与交流断路器也有所区别,以直流断路器常用选用计算为例:  

1) 额定工作电压大于直流线路的电压,考虑到反接制动和逆变条件,应大于2倍电路电压。
    2)
额定电流大于等于直流线路的负载电流。对于周期负载,可按其等效发热电流考虑。
    3)
过电流动作整定值大于等于电路正常工作电流最大值,对于起动直流电动机,应避过电动机的起动电流。
    4)
逆流动作整定值小于被保护对象允许的逆流数值。
    5)
额定短路通断能力大于电路可能出现的最大短路电流。对于快速断路器初始电流上升陡度(初始di/dt)大于电路可能出现最大短路电流的初始上升陡度。
    6)
快速断路器分断的I²t小于与其配合的快速断路器的I²t 

交流断路器可以派生为直流电路的保护,应用在直流回路中,但必须注意三点改变: 

1)过载和短路保护。①过载长延时保护。采用热动式(双金属元件)作过载长延时保护时,其动作源为I²R,交流的电流有效值与直流的平均值相等,因此不需要任何改制即可使用。但对大电流规格,采取电流互感器的二次侧电流加热者,则因互感器无法使用于直流电路而不能使用。如果过载长延时脱扣器是采用全电磁式(液压式,即油杯式),则延时脱扣特性要变化,最小动作电流要变大110%~140%,因此,交流全电磁式脱扣器不能用于直流电路(如要用则要重新设计)。②短路保护。热动电磁型交流断路器的短路保护是采用磁铁系统的,用于经滤波后的整流电路(直流),需将原交流的整定电流值乘以系数13。全电磁型的短路保护与热动电磁型相同。 

2)断路器的附件,如分励脱扣器、欠电压脱扣器和电动操作机构等;分励、欠电压均为电压线圈,只要电压值一致,则用于交流系统的,不需作任何改变,就可用于直流系统。辅助、报警触头,交直流通用。电动操作机构,用于直流时要重新设计。 

3)由于直流电流不像交流有过零点的特性,直流的短路电流(甚至倍数不大的故障电流)的开断;电弧的熄灭都有困难,因此接线应采用二极或三极串联的办法,增加断口,使各断口承担一部分电弧能量。  

 

满足需求  特点鲜明 

记者:近年,提出了“智能电网建设”,作为未来10年甚至更长时间的目标,覆盖全国电力网的大系统。低压配电系统作为整个电力网的最基层部分,各级断路器担负着智能电网的重要器件,那么请您简单谈谈智能电网对低压断路器有着哪些新的要求? 

李泽平:随着建筑电气的发展和智能电网的提出,系统对低压断路器智能化的要求也越来越高,尤其是近年智能楼宇和智能终端配电回路系统的发展,对低压断路器的要求尤为突出。 

我国智能电器的发展已近20年,可通信电器的发展也将近10年。为满足智能电网的发展要求,更好的服务于社会,低压断路器以高可靠性为基础还应具有以下几方面的功能:  

1)全范围选择性保护 

是全新的概念,这是一项新技术,对于配电系统是一次重大的飞跃。包括全电流范围都能实现选择性保护。还有系统范围,现在第四代产品有了带选择性保护的小型断路器,把选择性保护的范围从一般的配电系统扩展到终端用户,是全范围、全区域的选择性保护。这就要用到很多新技术,如区域选择性级联技术。区域联锁是利用智能脱扣器的通信功能,当下级断路器检测到短路故障时,送出一逻辑等待信号给上一级断路器,使其在下级故障消除前闭锁而不能动作。  

2)智能低压断路器的电能管理与优质服务的配用电系统 

智能电网的主要特性包括:能够优化资源,提高设备资产的利用率和电网的运行效率;能够与电力市场和用户进行交互和实时响应,提升服务水平;能够以最优成本向社会提供优质电力。 

这些特性体现在低压配电系统和智能型断路器上可理解为实现强有力的全面的电能管理,可实时监测能源损耗,提高电力质量,根据用户情况制订配电系统管理和维护计划,使配电系统的节能增效更深入和高效。 

断路器的智能脱扣器应具有多参数电能测量功能,可测量数据包括电压、电流、频率、功率和谐波畸变率,并可显示故障电流值。除了可显示脱扣器显示屏所显示信息外,还可显示需求量、电能质量、最大值、最小值,以及故障报警、历史日志和维护指示等信息。 

3)用于新能源的低压开关电器 

智能电网要充分发挥分布式清洁能源的作用,为了这一目标,国际上也相应开发了用于清洁能源的特种开关电器,如ABB公司最近推出了用于保护光伏电池串的高性能小型断路器S800PVS。光伏电池串的工作与一般电源不同,当电池串某一单元短路时,其短路电流与正常工作电流相比,数量上大的不多,因而不适合用普通过载方式来保护,而当阳光强时,其工作电流会很大,也不适合用瞬时脱扣器来作为短路保护,保护光伏电池串主要是保护逆向电流。 

 

稳固发展 不断革新 

记者:近年来低压断路器的智能化技术不断涌现,那么根据您的了解智能断路器的基本工作模式是什么?同时您认为目前智能断路器的技术发展趋势主要有哪些? 

李泽平:断路器中引入智能控制器,可使其性能有质的飞跃。其不仅可以更精确、灵活地实现瞬时脱扣、短延时脱扣和长延时脱扣等功能,智能控制器提供了跟用户更友好的人机界面,可以实现各种故障报警、断路器在线监测功能。智能控制器提供了通信接口,支持现场总线,更适合于低压配电网的信息交换,能够实现遥测、遥信和遥控功能。 

智能断路器的基本工作模式为:当系统故障由继电保护装置发出断开信号或由操作人员发出操作信号后,首先启动智能识别模块,判断当前状态即断路器所处的工作条件,对调节装置发出不同的定量控制信息而自动调整相关参数,以获得与当前系统工作状态相适应的运动特性,然后使断路器动作。其核心在于根据监测到的不同故障电流自动选择操动机构参数及灭弧室预先规定的工作条件,电流小时低速断开,电流大时高速断开,以获得电气和机械性能上的最佳断开效果。 

目前,智能断路器已将计量、控制及通信等功能融于一体,使电力设备的模块化、系统化成为可能。微控制器技术的不断发展又为智能断路器功能的多样化,可靠性的提高,性能优化提供了技术保障。智能断路器的技术发展主要有如下几个趋势:新型传感器向更灵敏、小型化方向发展,微处理器向大存储容量、外设集成化发展,将为智能断路器性能的优化奠定基础。总线技术应用于智能断路器,采用串行通信方式实现现场设备与主控制器进行双向通信,提高传输的信息量、信息传输的精度,从而提高系统的性能及可靠性。采用新的更完善的通信协议,向着标准化、开放性发展的同时,更要注重互联性网络接口的产品,产品间的通用性。智能断路器朝功能全面化方向发展。如监控电网的谐波分量、功率因数和波形畸变等,而且能记录电网的波形变化,实时观测电网的工作情况等。将人工智能技术用于智能断路器可以提高智能控制器的精确度,尤其是在线监视和诊断方面都有了较大的突破。 

记者:新一代万能式(框架式)断路器除了具有高分断、小体积等特点外,还有哪些主要特征与新技术? 

李泽平:新一代万能式(框架式)断路器除了具有高分断、小体积等特点外,其智能控制器基于先进的具有DSP运算能力的32 bit微处理器设计、液晶显示和中文菜单方式操作,整体性能大幅提高并具有系列化、模块化、多功能及高可靠的特点。 

新一代万能式断路器一般具有如下一些主要技术: 

1)其智能控制器除具有电流选择性保护与接地保护功能外,还提供多种可选保护功能,其中电流不平衡保护、断相保护主要用于保护三相电动机等负载,防止电机绝缘击穿、烧毁。过电压、低压和电压不平衡保护可防止由于电压异常造成设备损坏或线路损耗等问题。欠频保护、过频保护主要是防止系统频率异常引起的工作不正常。逆功率保护则可以防止发电机电流“倒灌”造成汽轮机叶片或燃气轮机齿轮损坏的事故。相序保护可防止电动机工作的接线顺序错而导致电动机无法正常工作甚至损坏的问题。 

2)具有各种测量功能,如:电流、电压、有功、无功和电能等的测量。 

3)还可以对电流、电压的谐波畸变程度进行定量评估,包括各相的基波电流或电压值、基波有功功率、基波无功功率、基波视在功率、各相电流电压值的总谐波畸变THD thd 值、2-31 次谐波含有率测量,是决定是否进行校正的有效工具。 

4)通过2 路(内置式)或6路可编程触点输出模块提供23 种类型报警输出,触点动作方式可编程(非闭锁、闭锁、时间延时)。用户可通过双绞线将断路器和6 路可编程触点输出模块相连。当可靠连接后,进入智能控制器的“6 路输出”界面,可分别对报警类型和输出方式进行设定。 

5)断路器维护信息,如:触头磨损指示、控制器有电时操作次数、自诊断功能(存储器故障、超温报警)、附件监测(分励、合闸电磁铁、欠压、电机断线)、脱扣/不脱扣试验功能、历史记录等。 

6)通信功能:除具有传统的“四遥”功能外,还具有完善的测量及监控功能。本体通信模块内置独立的微处理器负责与智能控制器本体的数据交换及Modbus 通信,可与全系列智能控制器配合使用。使用CN1DP系列、CN1EG 以太网适配器可连接DeviceNetProfiBusCAN 及工业以太网等多种现场总线。 

记者:我国小型断路器从20 世纪70 年代开始发展,大量推广还是在20 世纪90 年代以后,下面请您简单谈谈小型断路器的发展趋势有哪些? 

李泽平:小型断路器(MCB)具有产品量大、面广等特点。在我国其年产量超过五亿极,其中70%左右用于国内市场,大部分用于终端配电与民用建筑,其产品质量涉及千家万户用电安全与人民生命财产安全。 

20世纪80年代初上海华通开关厂试制生产DZ12系列,年产量约为200 万台。天津低压电器厂试制生产DZ13 系列,产量不足百万台。由上海电科所负责设计试制的DZX19系列产品分断能力达10 kA,由于工艺不稳定未批量生产。1988年天津市引进法国梅兰日兰C45小断路器并获得极大成功,从20世纪90年代开始以温州柳市企业为主,大量仿制C45,开始批量生产DZ47 产品。从20 世纪90 年代中后期开始国外著名MCB制造商大批进入中国市场。目前国内企业生产的MCB 绝大部分为DZ47,其水平相当于国外20 世纪80 年代初水平。国内由上科所自主开发的DZX19DZ30 等产品由于各种原因没有投产,企业自主开发,投入批量生产的MCB产品几乎没有。国内生产MCB企业达数百家,大部分生产能力与工艺水平较低,全部采用手工装配,产品稳定性、一致性较差。部分优秀企业已采用自动检测线(含自动包装),但尚未采用自动装配线。国内主要生产企业以正泰、德力西为代表的温州企业占总量近80%。其他主要企业有上海良信、TCL和苏州法泰等。国外主要制造商施耐德、ABB、西门子、海格和罗格朗等均有国内生产企业。 

MCB的发展趋势:①发展高分断能力MCB,措施主要是提高限流性能。②发展带短延时分断功能的SMCB。③MCB可选择的脱扣特性增多。④DPN 结构的MCB向大容量和高分断能力发展。⑤产品性能同时符合IECENUL等标准,以适应全球化贸易需要。⑥配套附件进一步齐全,具有欠电压、分励、报警、辅助触头和电操机构等,附件安装位置灵活多样,如辅助触头可拼装在MCB下方,以减小安装面积。⑦产品进一步小型化,部分公司发展了12 mm/1 P产品。⑧安装与母排连接一体化技术也将成为MCB主流连接方式。 

 
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