摘 要 本文介紹了低壓斷路器的市場發(fā)展、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、技術(shù)性能。針對目前大量使用的低壓斷路器現(xiàn)狀,從提高供電可靠性和安全性上,對低壓斷路器的應(yīng)用選擇,進(jìn)行了一些有益的討論。
關(guān)鍵詞 低壓斷路器 熱磁式 智能控制器
0引 言
隨著國民經(jīng)濟(jì)快速增長、電網(wǎng)高速發(fā)展、城市和鄉(xiāng)村的用電負(fù)荷增加以及用電負(fù)荷日益多樣性和復(fù)雜化,承擔(dān)供配電和對供電設(shè)備及線路進(jìn)行保護(hù)的主要元器件———低壓斷路器的制造技術(shù)水平也有顯著的提高。
1. 萬能式斷路器的市場發(fā)展
我國低壓萬能式斷路器的發(fā)展經(jīng)歷了兩個階段:①采用熱磁式技術(shù)的低壓萬能式斷路器,如DWl0/DWl5/ME系列、AH系列等產(chǎn)品,ME和AH系列產(chǎn)品是我國20世紀(jì)80年代采用的引進(jìn)技術(shù),分別從德國AEG公司(現(xiàn)被GE公司收購)和日本寺畸公司引進(jìn)的制造技術(shù),目前廣泛應(yīng)用于低壓配電網(wǎng)絡(luò)中;②隨著計算機(jī)單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展及其在電器制造領(lǐng)域的應(yīng)用,斷路器在接通、分?jǐn)?、保護(hù)、安全、維護(hù)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(xué)研究所研發(fā)的產(chǎn)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(chǎn)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(wǎng)絡(luò)中得到大量應(yīng)用。
2. 智能型低壓萬能式斷路器結(jié)構(gòu)
智能型低壓萬能式斷路器按機(jī)械結(jié)構(gòu)可分為:操作機(jī)構(gòu)、絕緣體、觸頭系統(tǒng)、滅弧系統(tǒng)、儲能電機(jī)、智能保護(hù)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(jù)外形和機(jī)械結(jié)構(gòu)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(chǎn),市場占有率也較低。
DW45與DW48系列的主要區(qū)別在于體積和電流范圍,框架結(jié)構(gòu)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(shù)都可分為3極和4極;電氣性能上差異不大:額定運(yùn)行分?jǐn)嗄芰cs均為50kA以上,額定極限分?jǐn)嗄芰cu為65kA以上,額定短時耐受分?jǐn)嗄芰cw為50kA以上;機(jī)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(nèi)市場占有率極大,遍布全國各主要企業(yè)生產(chǎn)。
2.1斷路器本體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
(1)斷路器為立體布置形式,具有結(jié)構(gòu)緊湊和體積小的特點(diǎn)。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(tǒng)、滅弧系統(tǒng)、操作機(jī)構(gòu)、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(jī)構(gòu)等組成。
(2)絕緣系統(tǒng)。斷路器底座、蓋采用絕緣性、阻燃性、機(jī)械強(qiáng)度都是很好的絕緣材料,不僅提高斷路器的分?jǐn)嗄芰?而且保證了斷路器的機(jī)械壽命、電氣壽命。
(3)觸頭系統(tǒng)。采用主、弧觸頭系統(tǒng),多路并聯(lián),降低電動斥力,提高觸頭系統(tǒng)的電動穩(wěn)定性。新型耐弧的觸頭材料,使觸頭在分?jǐn)喽搪冯娏骱蟛恢逻^分發(fā)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(nèi),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?jǐn)啻箅娏鲿r炸裂。采用去離子?xùn)牌瑴缁≡?使得斷路器上方飛弧距離為零。
(5)操作機(jī)構(gòu)和手動、電動儲能機(jī)構(gòu)。采用五連桿機(jī)構(gòu),完成合、分閘動作,并可手動或電動儲能。
2.2抽屜座結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
(1)抽屜座由帶有導(dǎo)軌的左右側(cè)板、底座和橫梁等組成,底座上設(shè)有推進(jìn)機(jī)構(gòu),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(shè)置安全隔板。
(2)斷路器本體在抽屜座內(nèi)的運(yùn)動具有3個“位置”:連接、試驗(yàn)、分離位置。連接:主回路、二次回路均接通,安全隔板開啟;試驗(yàn):主回路斷、二次回路通,安全隔板關(guān)閉,可以進(jìn)行動作試驗(yàn);分離:主回路、二次均斷開,安全隔板關(guān)閉。
(3)抽屜座與斷路器本體間有機(jī)械連鎖,斷路器必須在分閘狀態(tài)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(guān)等各種功能的內(nèi)部附件外,還具有機(jī)械聯(lián)鎖、門聯(lián)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(jié)構(gòu)特點(diǎn)
(1)過電流保護(hù)特性。過載保護(hù)、短路短延時保護(hù)、短路瞬時保護(hù)、接地故障保護(hù)。
(2)測量功能?？蓽y量電流、電壓、功率、電能、功率因數(shù)、頻率等。
(3)負(fù)載監(jiān)控。為保證重要負(fù)荷的正常供電,可控制分?jǐn)鄡陕肥芸刎?fù)荷。
(4)MCR和HSISC保護(hù)。針對斷路器本身進(jìn)行的高速瞬時保護(hù);其中,MCR保護(hù)對斷路器的接通分?jǐn)嗄芰M(jìn)行保護(hù),在斷路器分閘及和合閘瞬間(100ms)起作用。HSISC保護(hù)是當(dāng)越限故障電流產(chǎn)生時,控制器會在10ms內(nèi)發(fā)出跳閘指令,對斷路器的極限承載能力進(jìn)行保護(hù),防止開關(guān)承載超過極限分?jǐn)嗄芰Φ碾娏?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(nèi)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(hù)特性
智能型低壓萬能式斷路器智能保護(hù)控制器具有的常規(guī)保護(hù)功能:①過載保護(hù)Ir1(也稱:過流保護(hù),長延時保護(hù)),其整定值為額定電流值In的0.4～1倍,可按步長為1A進(jìn)行整定,動作時間可在0到相應(yīng)的反時限特性下最大值時間內(nèi)設(shè)定,時間步長按反時限特性曲線自動生成;②延時速斷保護(hù)Ir2(也稱:短路短延時保護(hù)),其整定值為過載保護(hù)電流值Ir1的1.5—15倍,可按步長為1A進(jìn)行整定,動作時間可在0到相應(yīng)的定時限特性下或反時限特性下最大值時間設(shè)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(hù)Ir3(也稱:瞬時保護(hù),短路保護(hù)),其整定值為額定電流值In的1倍到運(yùn)行分?jǐn)嗄芰cn之間,可按步長為1A進(jìn)行整定;④接地故障保護(hù)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(jìn)行整定。
斷路器制造廠家在產(chǎn)品出廠時,用戶若無要求,保護(hù)值均按最大值設(shè)置,用戶應(yīng)根據(jù)設(shè)計或現(xiàn)場負(fù)荷的調(diào)整而在控制器的面板上進(jìn)行設(shè)定,但應(yīng)特別注意的是,Ir1、Ir2、Ir3的定值范圍(保護(hù)特性)不能相交;Ir4的定值范圍與Ir1、Ir2、Ir3的保護(hù)定值范圍無關(guān),可根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)定或關(guān)閉,建議在D,ynll變壓器供電系統(tǒng)中,采用三極斷路器時關(guān)閉Ir4保護(hù),在Y,ynl2變壓器供電系統(tǒng)中,不能關(guān)閉此保護(hù),整定值應(yīng)超過變壓器容量的30%以上,采用四極斷路器時,應(yīng)開通此保護(hù),整定值也應(yīng)超過變壓器容量的30%以上。
智能斷路器控制器的常規(guī)保護(hù)功能特性與上下級電器保護(hù)特性的可選擇性配合。設(shè)計選型時,對其之間的選擇性保護(hù)配合應(yīng)滿足以下要求:①智能斷路器的長延時保護(hù)特性Ir1應(yīng)低于被保護(hù)對象(如電線、電纜、電動機(jī)、變壓器等)的允許過載的特性;②變壓器低壓側(cè)總路智能斷路器的長延時保護(hù)特性Ir1應(yīng)低于高壓側(cè)熔斷器的保護(hù)特性;③變壓器低壓側(cè)總路智能斷路器的延時速斷保護(hù)特性Ir2與高壓側(cè)速斷保護(hù)動作時間級差應(yīng)為0.4—0.7s;④智能斷路器與熔斷器配合時,以熔斷器保護(hù)特性為后備保護(hù)特性;⑤上級智能型低壓萬能式斷路器短延時保護(hù)特性整定值Ir2≥1.2倍下級斷路器短延時保護(hù)特性整定值或瞬時保護(hù)特性整定值(若下級無短延時保護(hù)時);⑥上下級斷路器的保護(hù)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(hù)特性的情況下,上下級斷路器之間的選擇性保護(hù)的配合關(guān)系為:上級智能型低壓萬能式斷路器瞬時整定電流保護(hù)值Ir3應(yīng)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(hù)值;⑧具有短路短延時保護(hù)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(shè)計選型時注明為延時欠電壓脫扣器,且延時時間應(yīng)不小于斷路器的短延時保護(hù)整定時間。
根據(jù)上述智能型斷路器選擇性保護(hù)配合的選用要求,在設(shè)計選型或投運(yùn)前,必須對其保護(hù)類別和保護(hù)特性定值Ir1、Ir2、Ir3、Ir4進(jìn)行確定,按設(shè)定保護(hù)值進(jìn)行安裝調(diào)試后,才能使配電網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定、安全、可靠運(yùn)行有保障。
2.4.3控制器的其他功能
由于配網(wǎng)中心眾多,大都是長期無人值守的配電房,缺乏運(yùn)行記錄的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),僅僅是不定時地測量負(fù)荷,無法正確反映變壓器、斷路器等供電設(shè)備長期運(yùn)行工況及負(fù)荷狀態(tài),一直以來是配網(wǎng)中心管理工作上的一個難題。近年來,與智能保護(hù)控制器生產(chǎn)廠家協(xié)商,開發(fā)了帶周期性運(yùn)行參數(shù)(三相電流、三相電壓、功率因數(shù)、諧波等)采樣和連續(xù)記錄功能,具有USB接口,采用U盤可讀取每時段的運(yùn)行數(shù)據(jù)以及變壓器的運(yùn)行工況,具有數(shù)據(jù)功能的智能保護(hù)控制器解決了配網(wǎng)中心長期以來缺乏設(shè)備運(yùn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù),管理上的問題,對于供電設(shè)備的負(fù)荷狀況,變壓器是否長期單相負(fù)荷運(yùn)行,是否需要調(diào)整負(fù)荷分布等問題,有了數(shù)據(jù)上的依據(jù)。
2.4.4控制器的類型
第1代產(chǎn)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(hù)(Ir4)控制功能、保護(hù)定值和時間定值用旋鈕刻度式整定(長延時反時限保護(hù)特性的時間定值自動生成,不可整定)。
第2代產(chǎn)品在第1代的基礎(chǔ)上增加了三相運(yùn)行電流、電壓實(shí)時顯示(分別用字母I1、I2、I3和Ua、Ub、UC表示)和其他運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時顯示(功率、諧波等),故障類型記錄功能,數(shù)碼管數(shù)字顯示和點(diǎn)陣液晶中文數(shù)字顯示兩種。保護(hù)定值和時間定值采用可視數(shù)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(chǎn)品除具有前兩代產(chǎn)品的全部功能外,增加了通信功能(Profibus、Modbus通信協(xié)議),周期性運(yùn)行參數(shù)采樣和連續(xù)記錄功能,具有USB接口,采用U盤可讀取每年、每時段的運(yùn)行數(shù)據(jù)以及變壓器的運(yùn)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(chǎn)制造商把電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)應(yīng)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(hù)特性和分?jǐn)嘀笜?biāo)接近萬能式斷路器,有些塑料外殼式斷路器的分?jǐn)嗄芰?biāo)稱高達(dá)100kA,其實(shí)這樣的指標(biāo)是一個理論標(biāo)稱值,因限流技術(shù)在塑料外殼式斷路器應(yīng)用,實(shí)際分?jǐn)喽搪冯娏鬏^低,無法實(shí)現(xiàn)選擇性保護(hù)。如圖1所示,采用限流技術(shù)的智能塑料外殼式斷路器的實(shí)際分?jǐn)嗲€,在30kA時,其實(shí)斷路器已經(jīng)分?jǐn)嗔?實(shí)線是短路電流實(shí)際發(fā)生的過程曲線。
綜上所述,在400～800A內(nèi)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(yōu)勢,不需選擇性的場所可選用塑料外殼斷路器。從經(jīng)濟(jì)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7,000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6,000元左右。塑料外殼式便宜有優(yōu)勢,從大量的工廠廠用電斷路器的使用現(xiàn)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(jié) 語
低壓斷路器是配電網(wǎng)絡(luò)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(tǒng)動作實(shí)現(xiàn)的,越來越難滿足配電系統(tǒng)的可靠性、準(zhǔn)確性、安全性的要求,無法實(shí)現(xiàn)通信組網(wǎng)。而智能斷路器充分應(yīng)用了計算機(jī)控制技術(shù),不僅提高了保護(hù)精度,而且使得配網(wǎng)系統(tǒng)更可靠、安全、準(zhǔn)確。同時能實(shí)時瀏覽和記錄電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù),為電力負(fù)荷分析提供詳實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。故在近代電力電網(wǎng)中越來越重視智能斷路器的應(yīng)用。
參考資料
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文/重慶市電力公司城區(qū)供電局 呂東
四川瀘天化股份有限公司 吳永正
重慶櫻花電氣開關(guān)有限公司 羅春凌 周道娟
