论小型直流断路器的高可靠性(终稿)

论小型直流断路器的高可靠性 ■ 北京人民电器厂有限公司 南寅 赵志群 张自峰 张书瑞 王文进 2011-5-20 摘 要： 介绍了符合AP1000核电标准的GM5T-63小型直流断路器，创造性地设计了新型灭弧系统和脱扣系统，满足了小型直流断路器无极性保护和AP1000核电标准中的抗震要求，可任意接线，可逆电流保护，寿命可预测，抗震能力好，应用在交流场合不需降容等需求，并将断路器的选择性保护能力大幅提高。如应用在核、热电厂、变电站、光伏发电、高速铁路等直流电源保护系统，将会给系统带来高安全性和高可靠性。 关键词：直流断路器 逆电流保护 PV 核电 电力直流 自北京人民电器厂有限公司1996年在全球首推20kA小型直流断路器至今已有15年了，小型直流断路器以体积小、分断能力高、防护等级高、可重复使用、有断路器状态指示和故障报警指示等特点，在电力系统得到广泛的应用。 在这15年的应用中也发现了许多问题，特别是随着智能电网对直流系统安全等级要求的提高，现有小型直流断路器技术水平和标准已不能适应高安全性和高可靠性的要求。 1. 目前直流断路器相关标准的不完善 （1） 抗震等级要求没有规定 日本本州岛发生8级以上地震，致使福岛第一核电站直流电源和备用电源系统全部失效，虽然有其它各种原因造成，但这仍然给我们电力系统一个提示，如万一发生地震，发电厂和变电站中的直流电源系统，要确保应用于直流电源系统中的保护电器能抗8级以上的地震。目前我们现行的直流断路器标准中，对这一

点没有做明确的规定，而AP1000核电标准则规定了断路器在震级、裂度、在一定高度时X、Y、Z三个方向的抗震水平。 （2） 逆电流时不能保护 直流电流因无过零现象，电弧很难熄灭。当断路器断开时，小型断路器的开距只有5mm左右，灭弧栅片又多达9片以上，每两片栅片之间的距离又在1mm左右；所以，栅片之间的弧阻远大于动、静触头5mm开距产生的弧阻，电流肯定不经过灭弧室而流向弧阻小的动、静触头通路，此时，动、静触头之间产生的电弧因不能被冷却和拉长，导致电弧在动、静触头之间燃弧，将产生高达几千度的高温，将会使断路器烧毁。 为使触头之间弧阻大于灭弧室的弧阻，使电弧能够经过灭弧室进行冷却和拉长，达到熄灭电弧的作用，常规小型直流断路器一般在静触头下方区域设置磁钢，利用磁钢产生磁场，强制将电弧拉长，迫使其从动、静触头之间流向灭弧室，最终达到分断直流电流的作用。 磁钢的极性以固定的极性方向放置在断路器触头系统中，特别要求电流在断路器内部以一定方向流动，这将使得产生的电弧受到磁钢磁场力的作用，被吹向引弧角。所以，当外接线时，要求必须认准断路器上+、-极标记进行接线。一旦正、负极接反，在事故状态下，电弧反吹，断路器将无法分断直流电流。 一个220kV变电站在有分电屏时需用小型直流断路器几百只，成套设备企业要对每只断路器正负极接线做仔细的核对，才能确保系统的安全性与可靠性。因+、-极接线接错而导致断路器烧毁的事故在工程现场经常发生。 （3） 使用寿命不能预知 断路器的使用寿命到底有多少年，现在大多数产品没做规定和试验，仅有部分标准对断路器机械寿命和电气寿命做出了建议。但机械寿命和电气寿命不代表产品使用寿命，只代表在规定的各种条件下的分断次数，因断路器的金属导电件由绝缘材料包裹，绝缘材料、导电材料因长期受热、受力的影响而产生老化、变形，导致断路器保护功能和操作功能失效，所以断路器的使用寿命是由它的材料、机、电寿命等综合因素所决定。AP1000核电标准里关于产品使用寿命的规定是：

由热老化和运行老化次数和时间所决定：如产品使用寿命为15年，它的试验要求为： 热老化试验：要求断路器在100℃的高温环境下，进行48天热老化试验，产品特性和性能均保持不变； 运行老化试验：对断路器通以200%～600%额定电流时进行6次过负荷跳闸试验。在100%额定条件（电压和电流）下手动操作375次（每分钟最多4次）。 （4） 短路故障无选择性保护 直流断路器上下级之间的选型正确与否直接关系到直流系统出现短路故障时，是否能把故障限制在最小范围内。在有分电屏的直流系统中，小型直流断路器大多应用在测控保护屏和分电屏上，这两种屏上的小型直流断路器现在大多没有选择性保护，只要出现短路故障，上下级小型直流断路器都会动作，带来事故扩大的危害。 2. 适合于电力直流系统的小型直流断路器应具备以下条件 过载保护；短路保护；逆电流保护；抗8级以上地震；使用寿命达到15年；全选择性保护。 3. GM5T-63小型直流断路器如何实现抗8级以上地震 小型直流断路器过载和短路保护时，机构中的一种叫锁扣的零件受双金属片的弯曲带动或受电磁力驱动的铁芯带动脱离跳扣，而使机构动作，机构中的储能弹簧带动动触头离开静触头，从而使电路断开。因为用双金属片受热弯曲的力使断路器断开，这就要求锁扣和跳扣的搭扣力非常小，才能实现高灵敏脱扣。但也带来了在地震时，断路器脱扣器容易受震动而脱扣，产生误动的严重后果；既要在故障时高灵敏地脱扣，又要在地震发生时不能误脱扣，GM5T-63小型断路器的跳扣和锁扣的搭扣面创新地采用弧型结构设计，很好地解决了抗8级以上地震的技术难题。断路器安装在直流屏上，根据1E级设备抗8级地震的要求进行试验，结论为无误脱扣。 4. GM5T-63小型直流断路器如何实现逆电流保护 GM5T-63小型直流断路器采用了强制隔弧技术和电弧引导技术，可使断路器接线时无极性要求，并且能够可靠实现逆电流保护。具体实现原理如下： 当小型直流断路器在手柄的驱动下，或在电路中出现故障电流时，动触头对静触头做断开运动并产生间隙，一个高强度绝缘材料制成的绝缘件在动触头运动的驱使下插入上述的间隙中；当动触头对静触头做闭合运动时，上述绝缘件在动触头运动的驱使下从动、静触头之间的间隙中退出，绝缘件的运动方向与动触头运动方向相反，这相当于在动、静触头间加入了一个无穷大的电阻，绝缘件将大部分电弧迅速拉长、隔断，使得静触头部分电弧沿着上弧角向灭弧室方向运动，动触头部分电弧沿着下弧角也向着灭弧室方向运动，进而被灭弧室熄灭；剩余的少量电弧被绝缘件强制拉长，电弧电阻被迅速提高，进而电弧电压迅速增大，大幅减小了电弧被熄灭的时间。这解决了动、静触头之间的弧阻大于灭弧室弧阻的问题，达到了由灭弧室灭弧的要求。 强制隔弧件在插入动静触头前，电弧已经产生，此时电弧通过一个特殊形状的灭弧片，将停留在触头之间的电弧引导至灭弧室进行灭弧，从而保护了触头不被电弧烧毁。 5. GM5T-63小型直流断路器如何实现选择性保护 直流断路器上下级之间的选型正确与否以及是否把直流电源的故障电流限制在最小范围内，关系到电力系统运行的安全，对防止系统破坏、事故扩大和设备损坏极为重要。北京人民电器厂有限公司通过多年的试验研究，开发出

GM5T-63L快速限流型和GM5T-63H延迟动作型的小型直流断路器，能满足直流系统对小型断路器的限流和全选择性保护的要求。 北京人民电器厂有限公司根据GM5T-63L小型断路器与GM5T-63H小型断路器的限流曲线（见图一）和能量限制曲线（见图二），设置五档回路电阻值，针对不同容量蓄电池组所产生的不同短路电流，做了各级间的短路配合试验，制作如下GM5T-63系列小型直流断路器级差配合表（见表一），供用户设计选型时参考。在确定了蓄电池容量以后，用户只需计算从蓄电池至保护屏之间回路电阻值数（只计算导线、电缆和导体的电阻值，不要含断路器的内阻和蓄电池内阻值），对应配合表中回路电阻值数，查找出可配合（T）的上级断路器和下级断路器额定电流值即可。 图一GM5T-63L、H系列小型直流断路器限流曲线 表一 GM5T-63L、H系列小型直流断路器级差配合表 续表一 GM5T-63L、H系列小型直流断路器级差配合表 一是根据众所周知的小型断路器限流特性：断路器的反向斥力触头在通过短路电流时，触头间产生电动斥力限制了短路电流，并且断路器动作速度快（短路电流越大脱扣速度越快），触头迅速分断，使短路电流在上升中途，没有达到预期电流值前而下降，最终降为零。即断路器在短路电流上升过程，具有“截断”电流的能力。

二是根据北京人民电器厂有限公司自主知识产权的超级限流技术： （1）快速分断技术：GM5T-63L系列小型直流断路器采用一种新型机构，使断路器全分断时间被控制在2ms以内。 （2）超级的限流能力：GM5T-63L系列小型断路器采用一种新的限流技术，在短路电流达到2000A~4000A时，使限流系数达到0.07~0.32。以GM5-63L型断路器、6A规格为例。根据实际试验数据（用户可参考图一），预期短路电流达到3000A，而实际短路电流峰值仅为690A，限流系数为0.23；以GM5T-63L型断路器、4A规格为例。根据实际试验数据（用户可参考图一），预期短路电流为2000A，而实际短路电流峰值为480A，限流系数为0.24，限流效果非常明显。这要求经下级断路器分断限流以后的短路电流超过上一级断路器瞬时脱扣器动作阈值的维持时间不超过0.6ms。 （3）延迟动作技术：GM5T-63H采用大行程的瞬时脱扣器技术，使其瞬时脱扣器的空行程加上电流上升总时间控制在大于0.8ms。 （4）级联选择性技术：由于GM5T-63L的快速分断技术和超强的限流技术，经其分断限流以后的短路电流超过上一级断路器瞬时脱扣器动作阈值的维持时间不超过0.6ms，而GM5T-63H采用大行程的瞬时脱扣器技术，使其瞬时脱扣器的空行程时间控制在大于0.8ms，这种级联技术存在着动作分断时间差，这种时间差，能保证下级断路器动作而上级断路器不动作。 6. GM5T-63小型直流断路器如何实现15使用寿命 热老化试验：要求断路器经过100℃的48天热老化试验，产品特性和性能均保持不变。 运行老化试验：对断路器通以200%～600%额定电流时进行6次过负荷跳闸试验。在100%额定条件（电压和电流）下手动操作375次（每分钟最多4次）。 在GM5T-63小型直流断路器开发过程中按照安全等级1E级进行了热老化、运行老化和辐射老化试验。在研发过程中对初始样机经过100℃的48天热老化试验发现出现了塑料件存在变色和变形现象；经过试验后的断路器再进行过载试验出现早跳现象；移印标识处出现了变色现象。针对发现的问题采取的措施有：塑料件全部采用耐温

130℃以上的原料保证塑料件经过热老化试验后无变形现

象；全面采用耐高温颜料保证标识无变色现象；对断路器的热脱扣组件采用焊接后高温真空回火去除内应力以及控制产品热脱扣空行程保证在0.8mm以上的方法极大地提高了产品的性能。经过上述改进，断路器完全满足了上述热老化试验的要求。 运行老化是通过对断路器通以200%～600%额定电流时进行6次过负荷跳闸试验。在100%额定条件（电压和电流）下手动操作375次（每分钟最多4次）。GM5T-63产品完美地完成了上述试验。 7. GM5T-63系列小型直流断路器应用在光伏发电领域 GM5T-63系列小型直流断路器具有以下技术性能 1.保护电器（断路器）的基准环境温度：+50℃（UL 489B标准）。 2.运行环境 （1） 运行温度：-25℃~+50℃（UL 489B规定） （2） 储存度：-40℃~+70℃ 注：以上要求由于温度变化范围大，所以对电器元件耐热胀冷缩能力要求很高。 3.高工作电压 额定工作电压可达DC1000V。 4.应用于高海拔地区 光伏发电很多是在高原地区，有些地方平均海拔达4000米，对电器元件的耐压性能和耐温性能都有很高的需求。 5.应用于高防护等级配电柜中 光伏电站很多设于沙漠，部分用于潮湿多雨地区，因此要装配到防护等级IP65或者IP66的配电柜（箱）中，电器元件的散热受到影响，涉及到降容问题。 6.光伏发电中可逆电流保护 对于故障光伏串产生的反向电流以及故障逆变器反馈的交流再生负载，为模块和线路提供可靠保护。