翁 國(guó) 璋

[ABB(中國(guó))有限公司 南京分公司, 江蘇 南京 210005]

0 引 言

直流電廣泛應(yīng)用于電力工程、通信、光伏、軌道交通、數(shù)據(jù)中心等行業(yè)及電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)中。直流電不像交流電那樣具有周期性、過(guò)零點(diǎn),其一直保持在恒常值,這對(duì)直流電電路保護(hù)提出了不同的要求。斷路器在開斷直流線路時(shí)因直流電沒(méi)有過(guò)零點(diǎn),致使開關(guān)開斷電弧的難度變大了。

1 低壓直流系統(tǒng)的接地型式

低壓直流系統(tǒng)的接地分接地系統(tǒng)和不接地系統(tǒng),其中接地系統(tǒng)分為一個(gè)極(負(fù)極或正極)接地和電源中點(diǎn)接地2種接地型式。低壓直流系統(tǒng)的接地型式如圖1所示。

圖1 低壓直流系統(tǒng)的接地型式

2 常用交流斷路器的直流分?jǐn)嗄芰σ蠹靶⌒蛿嗦菲髟谥绷飨到y(tǒng)中的應(yīng)用

根據(jù)文獻(xiàn)[1]第四章“短路電流計(jì)算”圖4-1短路電流波形圖(a)“遠(yuǎn)端短路時(shí)的電流波形圖”,預(yù)期短路電流中包含有初始值為A衰減到零的直流分量,其熱效應(yīng)依據(jù)文獻(xiàn)[1]第五章“高壓電器及開關(guān)柜的選擇”式(5-23)及表5-7,變電所各級(jí)電壓母線及出線處的短路電流直流分量熱效應(yīng)值為

Qf=0.02I2

式中:I——超瞬態(tài)短路電流有效值。

由此可見,常用的交流斷路器也應(yīng)具有直流分?jǐn)嗄芰?。這從元器件廠家的樣本也可以得以驗(yàn)證。如ABB的SH200/S200/S200M系列小型斷路器可使用于不超過(guò)125 V的直流系統(tǒng)中,且無(wú)需考慮極性,即斷路器上、下進(jìn)線均可以。但當(dāng)電壓超過(guò)直流125 V時(shí),就需要選用DC專用的S200MDC系列產(chǎn)品,其主觸頭2P串聯(lián)使用時(shí),額定工作電壓可達(dá)DC 440 V,Icu達(dá)到10 kA。

不是所有的廠家都在樣本上標(biāo)示交流斷路器的直流應(yīng)用參數(shù),如常熟開關(guān)的CH3N/H普通小型斷路器的技術(shù)參數(shù)表中就未標(biāo)示直流的應(yīng)用情況,需要選擇專用的CH3Z微型斷路器,1P的額定工作電壓為DC 125 V,2P的額定工作電壓為DC 250 V。良信電器專用于直流的NDB1Z-63小型斷路器額定工作電壓DC 440 V時(shí),需要選擇4P的斷路器。施耐德C65H-DC,2P時(shí)的額定工作電壓為DC 250 V,Icu=10 kA。

3 不同電壓時(shí)斷路器主觸頭連接方案

直流電流沒(méi)有過(guò)零點(diǎn),隨著工作電壓的提高,直流電流的電弧分?jǐn)嘣絹?lái)越難,此時(shí)必須依賴將主觸頭串聯(lián)起來(lái),使得分配到每個(gè)主觸頭上的電壓降低,這樣斷路器就能應(yīng)用于更高電壓的回路中[2-3]。ABB公司的Emax DC系列斷路器四極串聯(lián)時(shí),其額定工作電壓能達(dá)到DC 1 000 V的值。

應(yīng)用于直流電壓≤500 V的斷路器主觸頭串接方案如圖2所示。

圖2 應(yīng)用于直流電壓≤500 V的斷路器主觸頭串接方案

4 額定極限短路分?jǐn)嗄芰Φ淖兓?/h2>

本文主要基于圖1(a)及圖2(a)分析負(fù)極接地型式時(shí)的Icu變化。以ABB的E2N1600 PR122/DC R1600 3P萬(wàn)能式斷路器按圖2(a)串接方案進(jìn)行說(shuō)明。

(1)當(dāng)發(fā)生如圖1(a)中的a類即正負(fù)極間直接發(fā)生短路時(shí),斷路器依靠正極回路上的2個(gè)串接主觸頭和負(fù)極上的1個(gè)主觸頭串聯(lián),共同負(fù)責(zé)短路故障電流的分?jǐn)?斷路器的Icu=50 kA。

(2)當(dāng)發(fā)生如圖1(a)中的b類即正極與地間直接發(fā)生短路時(shí),回路短路電流值與發(fā)生(1)故障時(shí)短路電流值很相近,但斷路器僅能依靠正極回路上的2個(gè)串接主觸頭來(lái)分?jǐn)喽搪冯娏?造成每個(gè)主觸頭上承受的電壓值提高。查樣本得知,斷路器的Icu=25 kA,降低了很多。

(3)選擇斷路器的額定極限短路分?jǐn)嗄芰cu時(shí),必須考察最不利情況下的斷路器分?jǐn)嗄芰Α2N1600斷路器在上述使用情況下只能按Icu為25 kA來(lái)設(shè)計(jì)(電路計(jì)算預(yù)期接地短路電流不能大于25 kA)。

5 接線極性

在高電壓、大電流的直流使用場(chǎng)合下,元器件廠家為了實(shí)現(xiàn)所要求的短路分?jǐn)嗄芰?均采取了一些有別于交流應(yīng)用的措施。ABB的Tmax DC塑殼斷路器采用磁吹弧技術(shù)來(lái)保證DC 750 V下的分?jǐn)嗄芰_(dá)到50 kA。該技術(shù)利用確定方向的電流在線圈中產(chǎn)生確定方向的磁場(chǎng),該磁場(chǎng)與電弧發(fā)生相互作用,將電弧強(qiáng)力吹入滅弧罩,以達(dá)到盡快滅弧的目的。所以,用于直流系統(tǒng)的萬(wàn)能式斷路器及塑殼斷路器,需要嚴(yán)格按照元器件生產(chǎn)廠家標(biāo)示的極性進(jìn)行接線或訂貨時(shí)提前提出要求。

6 保護(hù)脫扣器

應(yīng)用于直流系統(tǒng)中的塑殼斷路器及小型斷路器一般都是采取熱磁式保護(hù)方式,這與交流時(shí)的保護(hù)方式類似[4-6];萬(wàn)能式斷路器有的采用電子液晶保護(hù)脫扣器,如ABB的Emax DC萬(wàn)能式斷路器配置的PR122/DC及PR123/DC直流專用電子式脫扣器,選用時(shí)需要注意PR122/DC僅適用于不接地和負(fù)極接地直流系統(tǒng),而PR123/DC則不受限制。

7 結(jié) 語(yǔ)

為了實(shí)現(xiàn)斷路器對(duì)直流供電系統(tǒng)的可靠保護(hù),必須清楚直流系統(tǒng)的接地型式,其在不同的短路故障形式下將影響斷路器的短路分?jǐn)嗄芰?同時(shí)還應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的電壓高低采取適當(dāng)?shù)闹饔|點(diǎn)串接方案,并嚴(yán)格按照出廠的正負(fù)極性進(jìn)行接線。