交流斷路器在直流電路中的應用

吳曉雪

摘要：直流熄弧電流不存在自然的過零點，必須強制過零才能熄滅直流電弧，在直流電路中一般以交流斷路器代替直流斷路器提高分斷能力。結合西安地鐵二號線EPS事故照明裝置交流斷路器在直流電路中的實例，分析交流斷路器在直流回路中的實際應用。

關鍵字：交流斷路器 直流電路 熄弧

一、直流電路應用

1.附件

交流斷路器中含有分勵脫扣器、欠電壓脫扣器、電動操作機構等附件。分勵、欠電壓脫扣器均為電壓線圈，只要電壓值一致，不需要做任何改變，就可用于直流系統。輔助、報警鋤頭，交直流通用。電動操作機構，用于直流電路中需重新設計。

2.保護特性

2.1過載長延時保護特性

（1）熱動式（雙金屬元件脫扣器）

熱動元件采用熱雙金屬材料制成，通過雙金屬元件本身，或其傍側的電阻發熱元件，或雙金屬元件與電阻發熱元件串聯通電發熱，使雙金屬受熱膨脹，變形彎曲來推動斷路器跳閘，以切斷電路。由于直流電流平均值與交流的有效值的發熱效果是相同的，因此交流與直流基本上無變化。但當額定電流大于1500A時，因集膚效應等因素，交流電流有效值產生的熱量要大于直流，但影響不是太大，所以熱動式的雙金屬元件脫扣器用于直流是不需要作任何更改的。

但是熱動式中的有一些規格，如額定電流600A及以上采用CT式（電流互感器式），利用互感器的副邊電流供給雙金屬元件或發熱元件作發熱源，則不可能用于直流電路。

（2）全電磁式

全電磁式脫扣器的交流的斷路器在直流電路中使用時，動作特性要變化?？紤]直流電源絕大部分經交流整流和濾波后所得，整定值變化的范圍為110%—140%原動作電流。

2.2 瞬時脫扣器

采用電磁鐵作電磁脫扣器（瞬時動作脫扣器）斷路器，其瞬動電流整定值將有所變化，變化率取決于直流的波形。一般交流斷路器工廠瞬時脫扣值是按照有效值整定的，但實際上交流斷路器瞬時脫扣器是螺管線圈的構造，它的脫扣電流是峰值電流，為有效值的1.414倍?？紤]對于經交流整流、濾波的直流電路特點，其電流值對應交流有效值，短路電流不存在類似交流的峰值問題，所以交流斷路器在直流電路中應用時，瞬時脫扣值應乘以一個系數，約1.4。

2.3電子式脫扣器

無論是過載長延時或是短路瞬時，原按交流50Hz設汁的電子式脫扣器都無法使用在直流電路。

3.接線方式

50Hz交流電流每秒鐘有100次的電流過零點，在此瞬間無電流，即使斷路器的動、靜觸頭間有電壓（如是純電感或純電容負載，i=0時U最大；純電阻負載，i=0，U=0），電弧也比較容易熄滅。但直流電流無過零點這一特性，電弧切斷有相當大的困難。直流電路的電壓越高，電弧電壓大于電源電壓的熄弧條件越難滿足，電弧越不容易熄滅，故使用交流斷路器于直流電路作保護電器時，必須采取多斷點的接線方式。

3.1交流斷路器多斷點連接有以下兩個作用：

（1）在分斷直流短路電流時，相當在電路中增加若干個電弧動態電阻，電弧電阻起到對短路電流的限流作用，同時也提高電弧的燃弧電壓和減小電路的時間常數，從而可提高斷路器的直流分斷能力。

（2）降低每一弧隙電壓。例如，兩極斷路器串聯在250V的直流電源中，每弧隙電壓為125V，減少了1/2電壓，即燃弧時，弧隙電弧減少了1/2的能量，這樣有利與電弧的熄滅。

3.2 斷點接線圖

多斷點的接線方式有兩種，一是串聯，二是并聯。

二、實際應用

西安地鐵二號線EPS事故照明裝置工作原理：市電正常給負載供電時，充電機將交流電整流成電池組充電所需達到的充電電壓，加載至電池組“+”、“-”兩極。當市電不能正常供電時，啟動逆變器工作，將電池組“+”、“-”兩極之間的直流電壓逆變成交流電壓。

EPS事故照明裝置電池組逆變電路中未使用直流斷路器，而是采用交流斷路器，運用多斷點接線方式將電池組“+”極3極串聯，提高直流分斷能力。

1.交流斷路器選型

交流斷路器作用電池組直流電源的過流保護時，選型三要點：工作電流、額定短路能力、工作電壓。以鳳城五路站EPS事故照明裝置為例（電池組41節容量135Ah，電池組電壓548V，電池組內阻2.7mΩ/節）說明。

（1）選擇斷路器的工作電流。I=U/Z，Z為電路和設備阻抗，Ri=0.0027*41=0.1Ω為電池內阻Z=Ri+R=U/I，當R》mRi，Ri可忽略不計。R約為10Ω，I=548/10=54.8A，可選擇額定電流為63A、100A的斷路器。

（2）選擇斷路器的額定短路能力。Icu=U/Ri=548/0.1=5.5KA，可選擇10 kA或20kA的直流短路保護能力的斷路器。

也可近似計算所選用的斷路器的短路保護能力，用公式Ics=KC，C為電池容量，單位為Ah，K為系數，10≤K<20，一般選擇10，但不超過20。C=135，K取10，Ics=13.5KA，選擇20kA的直流短路保護能力的斷路器。

（3）選擇斷路器的工作電壓。根據電池的放電電壓？決定所選擇斷路器的工作電壓，斷路器的額定工作電壓要大于電池組的放電電壓。放電低壓為548V，可選擇額定電壓為690V的斷路器。

故鳳城五路站EPS事故照明裝置電池組“+”極交流斷路器選擇ABB S1N125R100，額定工作電流100A，額定短路能力20KA，工作電壓690V。

2.交流斷路器接線方式選擇

交流斷路器串聯極數選擇使用取決于直流工作電壓和直流供電系統。選擇原則：

（1）串聯的極數和直流電源電壓成正比，直流電壓越高，需要交流斷路器的串聯極數越多。同一直流電源電壓下，串聯的極數越多，斷路器的直流分斷能力越高。

（2）一般直流電源電壓在60V及以下時，選擇單極斷路器即可，在125V時可以選擇使用2？極串聯，在250V及以上時可以選擇3極或4極串聯使用，以提高斷路器的分斷能力。

（3）串聯后的直流短路分斷能力要遠高于交流斷路器本身的分斷能力。若無需過高分斷能力可根據負載和電路電壓的情況減少斷路器的串聯極數。

鳳城五路站EPS事故照明裝置電池組電池組電壓548V，在250V以上可以選擇3極或4極串聯使用。3極串聯時單極承受電壓180V左右，4極串聯時單極承受電壓130V左右，但回路中不需要過高分斷能力，故實際選擇斷路器3極串聯方式使用。

三、總結

結合交流斷流器在直流電路中的應用特點，分析直流供電系統、負載阻抗和短路電流等特性，交流斷路器應用于直流電路中要注意以下幾點：（1）改變電流保護整定值。（2）提高分斷能力，選擇合適的多斷點串聯或并聯連接方式。

參考文獻：

[1]用交流和直流的斷路器[P].家用和類似用途的過電流保護斷路器.IEC60898.2000.

[2]（德）Kiaus Kosack，著.胡明忠，校.胡明忠，胡沫非，譯.低壓開關電器和開關設備手冊[M].北京：機械工業出版社.