2P DC 1 500 V框架隔離開關設計

摘 要： 2P DC 1 500 V框架隔離開關適用于光伏、儲能系統。這類產品相比老產品而言更具成本上的優勢。產品主要的設計改進點為：修改機構連桿加大開距;主弧觸頭、窄縫滅弧技術通過臨界電流試驗;電場磁場的仿真設計專用滅弧以及絕緣技術保證滅弧可靠通過電壽命試驗。經試驗驗證，2P DC 1 500 V框架隔離開關符合標準要求。

關鍵詞： 2P; DC1500 V; 框架; 隔離開關

中圖分類號： TU852

文獻標志碼： A

文章編號： 1674-8417（2024）05-0021-05

DOI：

10.16618/j.cnki.1674-8417.2024.05.004

0 引 言

在新能源行業中，直流低壓電器產品的發展一般有兩個趨勢。一是提高電壓從而提高發電效率，二是使用最簡易的單觸頭正負兩極斷路器、開關產品。兩者的本質都是將成本降到最低。新能源行業中的光伏和儲能系統，剛開始使用的基本是以往交流派生的直流斷路器、開關。隨著產量越來越大，技術越來越先進，專用的高電壓、兩極的斷路器、開關產品都開始大量涌現。^［1-2］

本文介紹一種2P/DC1 500 V框架式隔離開關設計方法。這種隔離開關基于框架斷路器產品，電流范圍1 600～4 000 A，是光儲系統中非常重要的一個低壓電器。這種產品使用了最簡單的單觸頭正負兩極，通過修改機構連桿加大開距，通過主弧觸頭、窄縫滅弧技術通過臨界電流試驗，通過電場磁場的仿真設計專用滅弧以及絕緣技術保證滅弧可靠通過電壽命試驗，并且達到了低壓電器最高電壓DC 1 500 V，在達到高性能的同時，同時也達到了成本最低。

1 增加開距

文獻［3］中提到了，若能提高斷路器、開關的觸頭開距，可以有效提高直流滅弧能力。目前對直流高電壓產品來說，增大開距是一種最常見和通用的方法。

框架結構簡圖如圖1所示。

圖1中，連桿為關鍵部件，將連桿加長后，即可得到更大的觸頭開距。觸頭開距加長簡圖如圖2所示。因為連桿的質量主要集中在動觸頭上，其他連桿的敏感度影響非常小。具體敏感度如文獻［4］所述，此處不再展開。實測也能證明，實際的修改未影響到整體分斷速度。故機構就可以通過此簡單修改，增加觸頭開距從45 mm到65 mm。

2 主弧觸頭

與其他小額定電流產品不同，框架產品的額定電流較高，動觸頭往往分為數片。主弧觸頭結構如圖3所示。因為分為數片，可以分為主觸頭與弧觸頭。

主觸頭片數較多，主要用于承載電流。顧名思義，弧觸頭用于分斷電弧。

主觸頭用于承載電流，分斷時并不產生電弧。因此，主觸頭在整個生命周期內，能夠保證幾乎一致的開距、超程、終壓力、內阻等數據，提高了產品的可靠性。

弧觸頭用于分斷電弧?；∮|頭一般比主觸頭要長得多，形成大開距;且弧觸頭深入滅弧室，使得電弧能夠更好地轉移;弧觸頭上的觸點，可以使用更耐燒蝕的CuW材料。另外，由于弧觸頭基本是1～2片，也非常適合做成窄縫，起到良好的滅弧作用。

一般來說，普通電壓的主弧觸頭的設計，無需設計額外絕緣，并且主弧觸頭偶爾擊穿一次也關系不大，但在高電壓觸頭滅弧系統設計中，主弧觸頭如果沒有良好的絕緣，頻繁擊穿會導致電壽命急劇縮短。

此處有兩個要點，具體如下。

一處要點是主弧觸頭間的絕緣。主弧觸頭間的絕緣如圖4所示。主弧觸頭間，需要設置如圖所示絕緣件，避免主觸頭起弧后，電弧擊穿到主觸頭動靜觸頭之間。主觸頭的小開距難以熄滅電弧，所以會導致分斷失敗。

另一處要點是主弧觸頭時序問題。相對主觸頭，弧觸頭應該“先合后分”。可靠的“后分”使得電弧可以保證出現在弧觸頭上。需要注意：

① 弧觸頭本身的強度問題，不可使用截面積較小的觸頭片，避免物理打斷，推薦使用2片;

② 因電壽命主觸頭不磨損，應設計弧觸頭觸頭在觸點電磨損完結后，也能實現可靠的“后分”;

③ “后分”應盡可能明顯，時差要至少達到3 ms，避免因振動引起的偶爾時差變短的情況造成影響。

3 滅弧室柵片排布

第1節講述了開距的增大。單純的開距增加尚且不夠，還需要合理排布的滅弧室柵片來支持。

以往的滅弧室排布設計僅憑經驗，在有仿真軟件出現后，可以借助有限元電場、磁場分析來科學合理排布柵片。

首先，需要確定柵片數量。按照每兩片柵片之間30 V計算且需要單極承受一定次數的分斷，DC 1 500 V，理論上需要50片柵片為最可靠。但是，由于平時承受的工作電壓為單極DC 750 V左右，故不必設計如此大的余量。最后將柵片設置在單極48片。

DC 1 500 V單極分斷波形如圖5所示。通過試驗可知，單極可以承受次數不多的DC 1 500 V分斷。電壓波形顯示，第一次電壓上升到1 465.85 V，之后延續了一定時間，最后，在1 692.49 V電弧電壓的情況下，熄滅了1 500 V單極電弧。

然后，使用Ansys分析軟件，對柵片排布進行電場仿真驗證^［5］。

滅弧室電場仿真如圖6所示。這是2P DC1 500 V新設計的滅弧室，由于滅弧室柵片相當多，需要在觸頭打開過程中不斷接力來進行引弧。圖中可以明顯地看出觸頭在每個階段的位置電場強弱的分布。

如圖6（a）所示，這是觸頭閉合階段，在此階段，要考慮到觸頭在剛打開時，電弧如何快速轉移。

如圖6（b）所示，觸頭在剛打開階段，由動觸頭上的引弧部分，接近滅弧室中部的柵片。這個過程可以不必等待電弧通過動、靜引弧片進入最上下柵片后再進行電弧的切割。

如圖6（c）所示，觸頭在打開中段，動觸頭頂端指向滅弧室中部的柵片，引弧部分接近動引弧片。這樣，在整個過程中，電弧能夠按照預期的引弧路徑，從靜觸點，轉到滅弧室中部柵片，再進入動引弧片。

如圖6（d）所示，在觸頭完全打開階段，動觸頭的引弧部分指向動引弧片，而靜端引出的電弧，也通過靜引弧片進入靜端柵片。

如此，電弧就通過了所有柵片。實物試驗與仿真結果相同。

但正如之前所說，只有在單極DC 1 500 V分斷時，電弧才會經過所有柵片，而在正常的電壽命操作時，是單極DC 750 V。單極DC750 V，則電弧主要在中部的一半柵片上經過后熄滅。所以，為了節省空間，可以特意將中部柵片設計得較厚耐燒蝕，而動、靜端柵片都設計得較薄，從而節省空間。

4 窄縫技術

無論在符合GB/T 14048.2—2020《低壓開關設備和控制設備 第二部分：斷路器》^［6］的斷路器還是符合GB/T 14048.3—2017《低壓開關設備和控制設備 第三部分：開關、隔離開關、隔離開關和熔斷器組合裝置》^［7］的隔離開關中，都有關于臨界電流試驗的規定。臨界電流指直流系統中，小電流反而比大電流難分斷的情況。

臨界電流問題主要是小電流的電弧太小，無法吸入滅弧室，因此反而比大電流更難以熄滅。臨界電流的試驗電流為2 A、4 A、8 A、16 A、32 A、64 A、128 A……依次成倍上升到額定電流。根據電流伏安特性，同樣的電壓，小電流更容易熄滅，如2 A、4 A、8 A，通常在開距足夠的情況下，不用進滅弧室已經幾乎熄滅。而額定電流，如400 A以上的電流，因為電流較大，在分斷時產生了較大的磁場，可以正常被滅弧室柵片吸入滅弧室中。那么，就非常容易出現諸如16 A、32 A、64 A等的不大不小的電流，既難以自熄，又難以進入滅弧室。

解決臨界電流的方法主要有兩種，分別是觸頭大開距與窄縫。

觸頭大開距較易解釋，當觸頭開距增加，電弧被拉長直至電壓無法維持電弧后熄滅。但是在有限的電器產品體積內，無法給出非常大的空間，尤其是在特別高的電壓情況下。

窄縫技術則有效解決了臨界電流的問題，成本上也優于永磁鐵方案。如圖4所示，窄縫技術一般配合能夠產氣的絕緣件，在動、靜觸頭打開位置，由包裹在滅弧柵片上的產氣絕緣件形成一道窄縫來壓縮電弧^［8］。

窄縫滅弧原理如圖7所示。窄縫在一定程度上壓縮了電弧行進空間，將電弧路徑減窄，迫使電弧向窄縫的外部運動。這樣，難以轉移的小電流電弧，就又能轉移到滅弧室柵片上，完成了切割電弧滅弧。

窄縫的方案是否能夠通過臨界電流試驗，可以由簡單電壓公式計算，此處因為篇幅的原因，不再詳細論述。但實際情況比較復雜，電流、電壓、開距、觸頭形狀、柵片位置與形狀都可能帶來不同的影響，所以僅憑計算難以估準，需要根據試驗調整。

不同寬度窄縫的燃弧時間對比如圖8所示。圖中為2P/DC 1 500 V框架隔離開關，在65 mm的觸頭開距下，采用不同窄縫，在不同額定電流下的燃弧時間平均值。

由圖可見，3種不同寬度的窄縫，在16 A、32 A、64 A電流的試驗中，均有較長燃弧時間。其中，20 mm的64 A燃弧時間平均值700 ms，偶然幾次出現過超過1 s的值，按標準判定為不合格。

而10 mm、15 mm均能正常通過臨界電流試驗。

5 驗 證

產品進行過仿真技術的測算，但仍舊需要通過試驗來進行驗證。

隔離開關的試驗要求，按照GB/T 14048.3—2017《低壓開關設備和控制設備 第3部分：開關、隔離器、隔離開關及熔斷器》進行。

試驗驗證結果如表1所示。

6 結 語

在光儲系統中，需要越來越多的高電壓/直

流/低成本產品。以往都是由交流產品派生的產品，或者根本沒有能夠達到這些性能的產品，但是隨著這些年產品設計能力的高速發展，越來越多的新產品被開發出來，且開發速度越來越快。產品設計人員必須不斷提高創新思維，緊跟時代步伐，才能做出符合新時代要求的產品。

［1］ 俞侃，毛闐.建筑直流配電及主動低壓配電網研究［J］.現代建筑電氣，2023（1）：53-57.

［2］ 王利珍，季亮，孫銘悅，等.建筑光伏儲能技術研究綜述［J］.現代建筑電氣，2023（2）：5-11.

［3］ 蔣顧平，顧翔，唐豐田.觸頭滅弧系統增容提高塑殼斷路器短路分斷能力的研究［J］.電器與能效管理技術，2018（8）：16-20.

［4］ 蔣顧平，顧惠民.提高塑殼斷路器操作機構動作速度的研究［J］.電器與能效管理技術，2015（1）：21-23.

［5］ 閻照文.ANSYS10.0工程電磁分析技術與實例詳解［M］.北京：中國水利水電出版社，2006.

［6］ 國家市場監督管理總局，國家標準化管理委員會.低壓開關設備和控制設備 第二部分：斷路器：GB/T 14048.2—2020［S］.北京：中國標準出版社，2020.

［7］ 中華人民共和國國家質量督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.低壓開關設備和控制設備 第三部分：開關、隔離開關、隔離開關和熔斷器組合裝置：GB/T 14048.3—2017［S］.北京：中國標準出版社，2017.

［8］ 蔣顧平，李小利，周榮偉.DC 1 500 V光伏塑殼斷路器設計［J］.電器與能效管理技術，2017（10）：39-42.

收稿日期： 20240325

Design of 2P DC 1 500 V ACB Disconnector

HUANG Yinfang， JIANG Guping

（Shanghai Liangxin Electrical Co.， Ltd.， Shanghai 200137， China）

Abstract：

The 2P DC 1 500 V ACB disconnetctor is suitable for photovoltaic and energy storage systems.This type of product has a cost advantage over older products.The main design improvement points of the product are：Increase the opening distance by modifying the linkage of the mechanism;Passing the critical current test through the main arc contact and narrow gap arc extinguishing technology;Special arc extinguishing and insulation technology are designed through simulation of electric and magnetic fields to ensure reliable arc extinguishing through electrical life testing.After experimental verification，the new 2P DC 1 500 V ACB disconnetctor meets the standard requirements.

Key words：

2P; DC 1 500 V; ACB; disconnector