新一代塑壳断路器的现状和发展动向.doc

新一代塑壳断路器的现状和发展动向1 引言一些国际著名的电气公司从20世纪90年代中后期开始开发新一代塑壳断路器，至今新一代塑壳断路器已基本完成了对老产品的更新换代工作。新一代塑壳断路器的综合技术经济指标较老产品有了较大的提高。总体开发思路是：最大限度地满足整个配电系统的需要，不盲目追求高指标，在提高技术指标的同时考虑系统的适用性、安全性、可靠性和经济性。新一代塑壳断路器具有完善的额定电流系列，额定电流可调，与框架断路器一起能提供从几十安培至几千安培的配电系统整体解决方案。2 新一代塑壳断路器的型及其技术性能指标新一代塑壳断路器的型号及其技术指标如附表所示。由附表可知，大部分新一代塑壳断路器已形成了完整的系列。Schneider公司的NS系列最大壳架额定电流已达3.2kA，是目前额定电流最大的塑壳断路器。ABB公司的Tmax T4的额定极限短路分断能力最大可达200 kA。新一代塑壳断路器大部分壳架等级的额定运行短路分断能力Ics与额定极限短路分断能力Icu相同，大大提高了短路分断的可靠性。3 新一代塑壳断路器技术发展动向3.1 新型双断点触头系统双断点触头系统增加了一个断点，加强了短弧的近阴极效应，具有较高的电弧电压，可提高短路分断能力。该系统在机械结构上避免了软连接或可转动的导电连接，提高了机械和电气可靠性，在新一代塑壳断路器中得到了广泛的应用。新型双断点触头系统一般采用转动式结构，早期也采用叉式双断点结构。从结构上看，叉式结构2个断点斥力所产生的转矩不对称，转动磨擦阻力较大，相同条件下分断速度没有转动式结构快。同时，叉式结构2断点间灭弧室的隔离也较难实现，不易采用气压原理提高吹弧能力。因此，ABB在设计Tmax T4 、T5 和T6时也采用了转动式双断点结构。3.2 动触头卡住机构塑壳断路器一般采用限流分断原理，利用短路电流流过触点产生的电动力使触头迅速斥开，引入电弧，限制短路电流上升。为防止交流电流过零时触头重新闭合，有的断路器专门设计了触头斥开的卡住机构，使触头斥开后卡在斥开位置，待操作机构动作后才使卡住机构解锁。采用触头卡住机构再配合快速动作的操作机构，可使断路器的分断速度控制在几毫秒内，大大提高了分断速度。3.3 封闭式触头灭弧系统新一代塑壳断路器的触头灭弧系统基本采用封闭式设计结构，将动、静触头和灭弧室一起用耐弧的塑料材料封闭，形成一个封闭式的结构。新一代塑壳断路器有两种封闭式结构：(1) 三极的触头灭弧系统封闭在一个外壳中，但每一极是完全隔开的，如Moeller 公司的NZM3。(2) 每一极的触头灭弧系统单独地形成一个单元，如Mitsubishi公司的WS225。与敞开式结构相比，封闭式触头灭弧系统具有如下优点：(1) 防止短路分断时产生的金属粒子喷溅到操作机构，造成机构卡死或使动、静触头弹簧退火。(2) 防止电弧反吹而不能进入灭弧室，影响短路电流分断。(3) 利用电弧在封闭空间产生的压力形成的强大气流，加速电弧冷却和喷射，使电弧迅速熄灭。(4) 利用电弧产生的强大气流加速触头斥开，或打击脱扣杆使机构迅速动作，加速电弧熄灭。封闭式触头灭弧系统不仅提高了短路分断能力，且能做到Icu=Ics，提高了短路分断的可靠性。3.4 电子脱扣器在新一代塑壳断路器上的应用电子脱扣器是微电子、计算机和通信技术的结合，具有传统热磁脱扣器不可比拟的优势。例如 ：脱扣特性稳定，不受环境温度及气候的影响；脱扣电流和时间的精度较高；整定电流可调，并可设置不同的特性曲线以适应各种负载保护的要求；电子脱扣器可以派生通信功能，实现网络化控制，还可派生区域联锁、电量监控及电能分析等辅助功能。各公司的新一代塑壳断路器均可安装电子脱扣器，并逐渐向160 A及以下的小容量额定电流壳架发展。由于经济原因，目前大部分公司160 A壳架电流及以下的塑壳断路器仍采用可调式热磁脱扣器 ；壳架电流250 A及以上可安装电子脱扣器也可安装热磁脱扣器；壳架电流630 A或800A 以上的大容量塑壳断路器一般均设计成只能安装电子式脱扣器，但用于直流电路的断路器，因电流信号检测的原因，仍采用热磁式脱扣器(如ABB公司的TmaxT5和T6及Schneider公司的NS 系列等)。近年来，塑壳断路器电子脱扣器技术有了新的发展。ABB 公司推出了超越区域选择性的电子控制器PR223EF，将塑壳断路器的限流性能与选择性完美地结合在一起。PR223EF可以安装在250800 A壳架的塑壳断路器上，该控制器在电路中采用了早期故障检测和阻断(EFDP)运算法则实现快速区域联锁，可在300s内早期预测短路电流，并结合断路器的快速驱动和断开机构(Tmax 系列的分断时间在5 6 m s 以下) ，使PR223EF提供的总脱扣和联锁时间约为10 ms，因而装有PR223EF 的塑壳断路器能在100 kA及以下电流范围内实现选择性。3.5 可通信塑壳断路器采用电子脱扣器的新一代塑壳断路器均可派生通信功能，实现网络控制。通信一般采用分开的通信适配器(或称数据管理接口)与通信系统连接。如Siemens的VL系列可通过断路器数据适配器(BDA)与计算机连接，通过加强型数据适配器(BDA Plus)与以太网连接，通过COM10Profibus模块与Profibus现场总线连接等。可通信断路器与现场总线系统连接时，大公司往往推行自己的协议。中小公司不具备独立开发协议的能力，就采用大公司或总线组织的公开协议。如Moeller 公司的NZM 系列塑壳断路器采用数据管理接口(DMI)和接口模块与总线系统连接。DMI 可显示实测电流、故障电流及断路器状态等，通过更换不同的接口模块，NZM 能与Profibus、DeviceNet等不同的总线系统连接。我国的SA 和CM1 等系列塑壳断路器所采用的通信适配器通信方式与Moeller公司所采用的通信接模块相似，说明在当前多总线并存的情况下，采用外接通信接口的方式对可通信塑壳断路器是一种经济、实用和灵活的系统接入方式，并逐步得到中小企业的认可。3.6 模块化结构设计新一代塑壳断路器的结构普遍采用模块化设计，除封闭式触头系统外，过电流脱扣器也普遍采用模块化设计。热磁式脱扣器或电子式脱扣器均设计了可更换的脱扣器模块，不打开盖子就可方便地更换脱扣器，以适应各种用户的需要、降低制造成本。3.7 附件的扩展和标准化新一代塑壳断路器提供了丰富的内部和外部附件。内部附件均采用盒式结构，用户不需打开盖子就可更换内部附件，安装方便、灵活、安全。内部附件趋向标准化，除了通常的电动操作机构、插入式安装基座和各种操作手柄外，有些公司的外部附件还提供母线连接与安装一体的适配器及可柔性安装的联锁机构等附件，以适应配电柜标准化设计的要求。3.8 接地故障保护功能和剩余电流保护功能采用电子脱扣器的新一代塑壳式断路器均具有接地故障保护功能，其特点为：(1) 用过电流互感器检测电流信号。(2) 用微型处理器对相线和N线的电流互感器信号进行处理和运算，计算接地故障电流。接地故障动作电流为额定电流的20%80%，主要用于相线金属性接地故障的保护。新一代塑壳断路器均可提供剩余电流保护，在结构上一般采用两种方式：(1) 孪生式结构的断路器。以日本三菱、富士等公司为代表的采用内置式剩余电流模块。塑壳断路器与剩余电流断路器的外形和安装尺寸完全一样，故称为孪生式断路器。该型式的剩余电流断路器的体积较小，更换方便。(2) 拼装式剩余电流断路器。以欧洲Siemens、ABB、Schneider等公司为代表，在塑壳断路器上拼装剩余电流模块构成剩余电流断路器。剩余电流模块作为塑壳断路器的外部附件供货，剩余电流模块与断路器有垂直式(装在断路器底部)和水平式(装在断路器底侧面)两种拼装方式。新一代塑壳断路器派生剩余电流断路器大部分采用垂直拼装方式。除了AC 型和A 型剩余电流模块外，近年来还开发了能检测平滑直流电流的B 型剩余电流模块如ABB 公司的RC223和Moeller公司的RCD模块。B 型剩余电流保护的塑壳断路器能在交流故障电流(包括1kHz及以下交流故障电流)、脉动直流故障电流和平滑直流故障电流的条件下正确动作。ABB 公司的B 型剩余电流断路器还可针对各种不同的频率的交流故障电流设定灵敏度，以适应不同的使用场合频率的需要。3.9 操作机构操作机构的快速动作对提高分断能力至关重要。综合分析各公司的操作机构，基本结构仍然是弹簧储能的连杆机构，但从以下几方面进行了改进，提高了机构的分断速度和机械寿命：(1) 明显加长了跳扣转动轴心至锁扣面端点的尺寸，尤其是大幅度加长了跳扣转动轴心至跳扣与连杆接销轴心的尺寸，同时适当增加了弹簧的储能。一旦跳扣解扣，在从四连杆机构转化为五连杆机构的过程中，提高了上连杆绕跳扣转动轴心转动及绕上连杆与跳扣联结销轴心转动的角速度，同时还大大提高了连杆对动触头分闸的提拉力，显著提高了断开速度。(2) 通过简化机构各构件的形状及增加工艺孔等措施，尽可能降低跳扣和连杆等零件的质量，减小机构的运动惯量，提高分断速度。(3) 提高制造工艺，保证了构件尺寸精度和配合精度，减小滑动部位的磨擦力和脱扣力，提高机构脱扣速度。3.10 采用环保材料新一代塑壳断路器在设计、制造直至使用的整个过程中充分考虑了对环境的保护，防止有毒、有害物质对环境造成污染。断路器的外壳和触头等材料普遍采用可回收的环保材料(如外壳普遍采用无卤阻燃热塑性材料，触头采用不含金属镉的银基合金材料等)。为了方便资源的再生利用，对壳体等较大的塑料零件用模压的标记标明材料的类型(如PC、PA等)，以便回收时对材料进行分类和再生利用。除外露的导电零件仍采用电镀被覆层外，其他内部导电零件一般尽可能采用裸铜，以减少电镀对环境的污染。