楊 長 河

[中國振華電子集團(tuán)宇光電工有限公司(國營第七七一廠), 貴州 貴陽 550018]

0 引 言

液壓阻尼電磁斷路器在1.5倍額定電流時,脫扣延時覆蓋0～320 s范圍。由于范圍廣,國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對瞬斷型、快速型、中速型及慢速型斷路器分段不清晰,導(dǎo)致各生產(chǎn)廠家所生產(chǎn)的不同類別斷路器延時類型混雜,特別是多極中速型斷路器,極有可能混裝有快速型、中速型及慢速型多種類型的斷路器,給工程師在選型、應(yīng)用時造成困擾。斷路器與各類阻、感、容性及混合性能設(shè)備的匹配性較差,應(yīng)用在各類設(shè)備中極易造成脫扣延時過長,保護(hù)精度下降,甚至設(shè)備燒損。脫扣延時過短,抗不了起動浪涌而滑扣,各類延時類別斷路器混雜,使設(shè)備帶載能力下降。為了能正常起動設(shè)備,應(yīng)用工程師只有無限加大斷路器的額定電流,犧牲保護(hù)能力來選型與應(yīng)用。本文規(guī)范安/秒特性脫扣曲線類別,合理分段脫扣延時范圍,降低斷路器選型應(yīng)用難度,提升斷路器與設(shè)備特性匹配度,減少斷路器使用故障,提高被保護(hù)設(shè)備安全等級。

1 液壓阻尼電磁斷路器工作原理

1.1 液壓阻尼電磁斷路器脫扣器結(jié)構(gòu)

液壓阻尼電磁斷路器的脫扣器由銜鐵片、定鐵芯、壓簧、阻尼油、軛鐵、電磁線圈、阻尼油杯、動鐵芯組成[1],液壓阻尼電磁斷路器脫扣器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 液壓阻尼電磁斷路器脫扣器結(jié)構(gòu)

1.2 液壓阻尼電磁斷路器脫扣器工作原理

液壓阻尼電磁斷路器的脫扣器工作原理主要依據(jù)壓簧力一次函數(shù)與電磁力二次函數(shù)疊加。斷路器工作原理函數(shù)疊加曲線圖如圖2所示。

圖2 斷路器工作原理函數(shù)疊加曲線圖

壓簧的鋼度決定一次函數(shù)的斜率,線圈匝數(shù)、氣隙面積、氣隙長度和真空磁導(dǎo)率決定二次函數(shù)的開口,兩函數(shù)的交叉點即為斷路器脫扣與否的臨界點,又稱為斷路器的極限動作電流或斷路器的最大承載電流。此電流臨界點一般設(shè)計為110%In,由于受線圈匝數(shù)精度、壓簧力值精度、導(dǎo)磁材料性能等影響,每只合格的斷路器電流臨界值會在105%In～115%In范圍內(nèi)分布。

1.2.1 斷路器100%In通電運行過程

斷路器鎖定并接通電源,對所保護(hù)設(shè)備供電,斷路器內(nèi)部線圈流過設(shè)備的額定電流,此電流如果小于110%In(In為斷路器的標(biāo)稱電流),則斷路器動鐵芯所受的電磁力小于壓簧的預(yù)壓力,脫扣器狀態(tài)處于兩函數(shù)疊加區(qū)陰影部分內(nèi),此狀態(tài)下,動鐵芯被壓簧預(yù)壓于延時管底部,銜鐵片被扭簧支撐于吸合行程最高位置(見圖1狀態(tài)),斷路器保持110%In(臨界電流)值以下而穩(wěn)定運行,斷路器處于額定電流以內(nèi)狀態(tài)保持給設(shè)備供電。

1.2.2 斷路器過載脫扣運行過程

當(dāng)設(shè)備過載時,斷路器線圈中的電流增大,若電流大于110%In(斷路器的極限動作電流)時,斷路器動鐵芯所受的電磁力大于壓簧的預(yù)壓力,脫扣器狀態(tài)處于兩函數(shù)疊加區(qū)陰影部分外的交叉區(qū),此狀態(tài)下,動鐵芯受較大的電磁力作用,壓縮壓簧、擠壓阻尼油向線圈中心移動,當(dāng)與定鐵芯接觸瞬間,線圈成為有芯線圈,磁路中4個氣隙(銜鐵片至定鐵芯之間的氣隙,為有利的作工氣隙;軛鐵至銜鐵片之間的傳導(dǎo)氣隙及動鐵芯至軛鐵之間的傳導(dǎo)氣隙,這兩個氣隙為結(jié)構(gòu)所致的無用氣隙;動鐵芯至定鐵芯之間的運動氣隙,此氣隙決定延時注油量,通過控制動鐵芯與延時管之間的間隙來控制油的流量,從而控制動鐵芯運動的速度,達(dá)到延時脫扣的目的)。當(dāng)動鐵芯和定鐵芯接觸時,運動氣隙變?yōu)榱?脫扣器磁路中磁阻達(dá)到脫扣動作前階段的最小值,磁通量達(dá)此階段的最大值,定鐵芯通過作工氣隙吸合銜鐵片,推動斷路器鎖定解鎖機(jī)構(gòu)解鎖脫扣,斷路器過載脫扣保護(hù),切斷設(shè)備過載電源。此過程是通過控制阻尼油的流量(油的濃度、動鐵芯與延時管之間的間隙)來達(dá)到控制過流延時脫扣保護(hù)的目的。

1.2.3 斷路器抗起動浪涌運行過程

當(dāng)斷路器合閘起動遭受較大的冷起動電流或運行過程中遭遇大電流的沖擊時,動鐵芯受較大電磁力作用,克服壓簧擠壓延時油向線圈中心加速移動。短時段內(nèi),如電流恢復(fù)正常值,此時動鐵芯由于受電磁力作用擠壓阻尼油運動并已產(chǎn)生一定位移,動鐵芯進(jìn)入線圈內(nèi)部的體積已大于初始值,4個氣隙中其他3個氣隙未改變,但動鐵芯至定鐵芯之間的氣隙已小于初始值,磁路中的磁阻也小于初始值,額定電流下的磁通量大于初始值,此刻如動鐵芯所受電磁力大于壓簧力,說明延時油的濃度稀、動鐵芯與延時管的配合間隙大導(dǎo)致延時油的流量較大,動鐵芯進(jìn)入線圈的體積較多,此狀態(tài)下的延時管部件承受不了此波沖擊電流或起動浪涌,動鐵芯繼續(xù)向定鐵芯方向運動直至脫扣。如此沖擊電流大小及持續(xù)時間可能對設(shè)備造成損傷,需要斷路器做出保護(hù),可通過降低延時油的濃度并增大動鐵芯與延時管的間隙來降低脫扣時間,達(dá)到保護(hù)目的。該沖擊電流是設(shè)備起動時的冷起動電流,對設(shè)備不會造成損傷,不需要斷路器做出保護(hù),可以增加延時油的濃度及減小動鐵芯與延時管間的間隙來增大脫扣時間,達(dá)到保護(hù)目的。如電流恢復(fù)正常值后,此刻動鐵芯所受的電磁力小于壓簧力,動鐵芯將被壓簧推送至延時管底部,斷路器保持正常運行狀態(tài),完成一次抗浪涌工作過程。

1.2.4 斷路器短路脫扣運行過程

當(dāng)設(shè)備短路時,斷路器線圈中突然流過短路電流,幅值大且持續(xù)時間較長,此刻動鐵芯受線圈勵磁產(chǎn)生的電磁力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于壓簧的預(yù)壓力,動鐵芯會加速抖動,銜鐵片受吸合力值作用即將被吸合。如短路電流足夠大,動鐵芯在未動作或少許動作的狀態(tài)下,銜鐵片被吸合,斷路器解鎖脫扣,起短路保護(hù)作用。

2 液壓阻尼電磁斷路器安/秒特性脫扣曲線的分段與應(yīng)用

2.1 液壓阻尼電磁斷路器的安/秒特性脫扣曲線

液壓阻尼電磁斷路器的安/秒特性脫扣曲線圖如圖3所示。

圖3 液壓阻尼電磁斷路器的安/秒特性脫扣曲線圖

圖3中曲線為本系列某一只斷路器,受橫坐標(biāo)各個不同百分比電流作用下,在縱坐標(biāo)形成對應(yīng)的脫扣時間,所有時間集合而形成曲線,該斷路器在各個百分比電流的脫扣時間最長;圖中兩條曲線相同,但該斷路器在各個百分比電流的脫扣時間最短。圖3中,100%In及以下電流時,斷路器不允許脫扣,故無脫扣時間對應(yīng),為斷路器的額定承載能力區(qū)。當(dāng)電流達(dá)到110%In(極限動作電流)時,斷路器處于可能脫扣的臨界狀態(tài);當(dāng)電流達(dá)到150%In時,現(xiàn)有生產(chǎn)工藝能力可生產(chǎn)并實現(xiàn)0 s<150%In≤320 s的最大范圍,美國標(biāo)準(zhǔn)MIL-PRF-55629D[2]、MIL-PRF-39019[3]中規(guī)定0 s<150%In≤320 s范圍為4段,即瞬斷斷路器1.5In≤0.04 s、快速斷路器0.4 s≤1.5In≤7 s[4]、中速斷路器3 s≤1.5In≤70 s[5]、慢速斷路器30 s≤1.5In≤320 s。經(jīng)長期的選型與應(yīng)用,發(fā)現(xiàn)此分段便于斷路器生產(chǎn)廠家工藝控制,產(chǎn)品容易滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,但已不適用當(dāng)今設(shè)備特性要求。主要表現(xiàn)為:分段交叉重疊,如中速斷路器最低脫扣時間為3 s,小于快速斷路器的最高脫扣時間7 s值;而慢速斷路器最低30 s的脫扣時間也低于中速斷路器最高脫扣時間70 s值;分段范圍太廣,如中速斷路器3～70 s、慢速斷路器30～320 s,最高延時的斷路器為最低延時斷路器的20倍以上。因此,一個多極斷路器可能存在快速型和中速型,也有可能存在中速型和慢速型兩種斷路器,由于短板效應(yīng),如某三極中速型斷路器,其中一極在1.5倍電流時的脫扣時間為3 s,另外兩極為70 s,因3 s延時脫扣的斷路器不能承受較大的冷起動電流而脫扣,其他兩極斷路器即使具有再高的脫扣時間也會因該極3s內(nèi)脫扣的斷路器而機(jī)械同步脫扣,因此該斷路器只能劃分至快速型斷路器之內(nèi)。

2.1.1A曲線無抗浪涌瞬斷型斷路器的分段與應(yīng)用

無抗浪涌瞬斷型斷路器不具備抗浪涌及冷起動電流的能力。當(dāng)過載電流大于斷路器的極限動作電流110%In時,斷路器瞬間脫扣,1.5In測試脫扣時間僅為斷路器的響應(yīng)時間與測試電源起動的上升時間及計時器響應(yīng)時間之和,范圍0.008～0.03 s之間,相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定此類斷路器為不延時斷路器,本文分段方式與標(biāo)準(zhǔn)相同,命名為A曲線無抗浪涌瞬斷型斷路器,要求100%In1 h不脫扣、1.5In≤0.04 s[4],A曲線安/秒特性脫扣曲線圖如圖4所示。

圖4 A曲線安/秒特性脫扣曲線圖

此類斷路器主要用于純電阻型無冷起動電流的精密電子儀器設(shè)備,此類設(shè)備冷起動電流很小或無冷起動電流,斷路器起動過程中不會因尖峰電流沖擊而產(chǎn)生滑扣。

2.1.2B曲線抗弱浪涌快速型斷路器的分段與應(yīng)用

抗弱浪涌快速型斷路器具備較弱的抗冷起動電流的能力。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定快速型斷路器范圍為0.4 s≤1.5In≤7 s,即過載電流達(dá)到1.5In時,此類斷路器脫扣時間最短的為0.4 s,脫扣時間最長的為7 s。本文把0.4 s≤1.5In≤10 s范圍劃分成一大段,命名為B曲線抗弱浪涌快速型斷路器,為了使斷路器與設(shè)備達(dá)到最佳的匹配效果,同時保證斷路器出廠脫扣精度的一致性,把B曲線段分成兩小段,B曲線安/秒特性脫扣曲線圖如圖5所示。

圖5 B曲線安/秒特性脫扣曲線圖

分別為B1段:0.4 s≤1.5In≤5 s,圖5中曲線1至曲線2中間區(qū)域;B2段:5 s≤1.5In≤10 s,圖5中曲線2至曲線3中間區(qū)域。

此類斷路器具有一定的抗冷起動電流及浪涌的能力,主要用于阻、感、容混合負(fù)載,且阻性偏強(qiáng)的設(shè)備,設(shè)備冷起動電流尖峰值為設(shè)備額定電流2倍以內(nèi),且持續(xù)時間在300 ms以下。起動電流較大、持續(xù)時間較長的選用B2段斷路器。

2.1.3C曲線抗中浪涌中速型斷路器的分段與應(yīng)用

抗中浪涌中速型斷路器具備一定的抗浪涌能力。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定中速型斷路器3 s≤1.5In≤70 s,即過載電流達(dá)到1.5In時,此類斷路器脫扣時間最短的為3 s,最長的為70 s。此分段與B曲線存在明顯的交叉重疊,且范圍太廣,如多極斷路器有3 s和70 s兩種延時同時存在,也都屬于合格產(chǎn)品,但難以起動感容性設(shè)備負(fù)載。本文把10 s≤1.5In≤80 s劃分為一大段,命名為C曲線抗中浪涌中速型斷路器,同時把C曲線分成兩小段,C曲線安/秒特性脫扣曲線圖如圖6所示。

圖6 C曲線安/秒特性脫扣曲線圖

分別為C1段:10 s≤1.5In≤40 s、圖6中曲線1至曲線2中間區(qū)域;C2段:40 s≤1.5In≤80 s,圖6中曲線2至曲線3中間區(qū)域。

此類斷路器具有一定的抗冷起動電流及浪涌的能力,主要用于阻、感、容混合負(fù)載,且容感性偏強(qiáng)的設(shè)備,設(shè)備冷起動電流尖峰值為設(shè)備額定電流2～8倍,且從設(shè)備加電起動,電流從零上升至最大值然后恢復(fù)至額定值的持續(xù)時間在800 ms以下。起動電流較大、持續(xù)時間較長的選用C2段斷路器。

2.1.4D曲線抗強(qiáng)浪涌慢速型斷路器的分段與應(yīng)用

抗強(qiáng)浪涌慢速型斷路器,此類斷路器且有較強(qiáng)的抗起動浪涌能力。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定慢速斷路器30 s≤1.5In≤320 s,即過載電流達(dá)1.5In時,此類斷路器脫扣時間最短的為30 s,最長的為320 s。當(dāng)30 s與320 s兩種延時的斷路器同時組裝入多極斷路器中,由于短板效應(yīng)難以起動強(qiáng)浪涌設(shè)備。本文把80 s≤1.5In≤320 s劃分為一段,命名為D曲線抗強(qiáng)浪涌慢速型斷路器,同時把D曲線分成兩小段,D曲線安/秒特性脫扣曲線圖如圖7所示。

圖7 D曲線安/秒特性脫扣曲線圖

分別為D1段:80 s≤1.5In≤160 s,圖7中曲線1至曲線2中間區(qū)域;D2段:160 s≤1.5In≤320 s,圖7中曲線2至曲線3中間區(qū)域。

此類斷路器具有較強(qiáng)的抗冷起動電流及浪涌的能力,主要用于純感、容負(fù)載設(shè)備或感、容性混合負(fù)載設(shè)備,設(shè)備的冷起動電流尖峰值達(dá)設(shè)備額定電流值的8倍以上,且從設(shè)備加電起動,電流從零上升至最大值然后恢復(fù)至額定值的持續(xù)時間約1.5 s。起動電流較大、持續(xù)時間較長的帶載荷起動設(shè)備,選用D2段斷路器。

3 結(jié) 語

液壓阻尼電磁斷路器是繼熱式斷路器和熱磁斷路器后的第三代產(chǎn)品,安/秒特性脫扣曲線范圍廣、脫扣時間可設(shè)定,更適合于各類阻、感、容及混合負(fù)載過流、短路保護(hù)用,由于安/秒特性脫扣曲線范圍廣,如分段不合理、范圍交叉重疊,應(yīng)用過程中容易導(dǎo)致受浪涌沖擊,滑扣而不能合閘,本文從設(shè)備特性、使用需求及多年的設(shè)計、工藝實施經(jīng)驗,把液壓阻尼電磁斷路器的安/秒特性脫扣曲線進(jìn)行整理及分段,使得液壓阻尼電磁斷路器更能滿足裝備使用需求,降低故障率。