限流与熔断器配合原理
一、限流型断路器的原理
大家都知道限流型断路器的分断能力很高，可以达到150-200KA，但这里给出的数据往往是预期短路电流值，并不是实际通过限流型断路器短路电流值，因此在采用限流型断路器保护的配电系统校验动热稳定时，要注意所选择的短路电流参数。有些厂家声称他们的低压断路器全部是限流型断路器，大家在了解限流型断路器的限流原理后，就可以分辨真伪。低压断路器的限流问题是为了分断低阻抗大容量变压器及不断发展的配电网络所引起的很大的故障短路电流而提出的,它要求断路器的分断时间短得足以使短路电流在达到其预期峰值前分断。50年代末,法国首先研究限流分断问题,并研制出了限流空气断路器,使空气断路器的短路分断能力达到100KA。
几十年来,有许多种成熟的、效果好的限流技术在低压断路器中得到广泛的使用,如去离子栅灭弧、限流电阻、自复式限流元件、磁吹、电动斥力、VJC以及固体绝缘屏幕限流技术等。目前,在先进的塑壳式断路器的设计中,充分利用了空气 电磁原理和限流原理,使其分断能力达200KA。近年来,随着计算机技术、控制技术、新材料技术以及电力电子技术的引入,使得限流技术有了更新的发展,如超导限流器、以GTO为基础的限流器、可控阻抗变换器及故障检测技术等,这些限流分断新技术的研究会大大提高断路器的分断能力和限流能力。 传统低压断路器限流分断的原理是当故障发生时,触头快速打开产生电弧,相当于在线路中串入一个迅速增长的电弧电阻，从而限制短路电流。这个迅速增长的电弧电阻，通常称为“动态电弧电阻”。 与一般的断路器的灭弧室不同，低压限流断路器的灭弧室采用多个灭弧栅片。在开断过程中，首先动触头和静触头分开产生电弧，在电磁场和热场,流场的作用下运动至灭弧栅片。当电弧进入栅片后，由于被分成的多个短弧的近极压降，使电弧电压迅速上升，从而达到限流的目的。为了有较高的电弧电压，限流断路器灭弧室的栅片数比一般的断路器要多,并且排列得更紧密。电弧电压上升得越快，限流效果就越好，最终，电弧电压超过电源电压的值,使得电源电压无法维持电弧，从而完成熄弧限流分断。
要使电弧电压迅速升高,传统的有两种方法：(1)磁吹线圈。这种情况下,电弧将会被迅速拉长,它不仅增加了电弧的长度,而且也增加电弧的热传导面积。(2)使用引弧道来迅速升高电弧电压。当触头打开时,沿着引弧道上的电磁力将拉长电弧,当电弧被驱动到灭弧室,就会进一步分割、冷却,这种方法的前提要求:①电弧必须能被强迫脱离触头(在触头间的间隙大于约1mm时,它才会发生);②电弧必须非常快地脱离触头区,这样就减少了触头材料的损耗,同时,触头间隙恢复;③电弧必须以非常快的速度沿着引弧道运动(约100m/s),然后进入去离子栅片以提高最终的电弧电压值。
在限流断路器的设计中,有以下4个基本的原则：
a 触头迅速打开
b 迅速提高电弧电压
c 使最终的电弧电压值高
d 快速的介质强度恢复。
常用的限流技术分三类：
1)人工零点法。利用电弧去产生人工零点,使得弧隙中的电流为零,从而使电弧熄灭。
2)提高电弧静态伏—安特性法。通常采用去离子栅法、绝缘栅法、窄缝法及VJC法等。去离子栅法就是利用金属栅片把电弧分割成若干个互相串联的短弧,利用短弧的压降来提高电弧电压而使电弧熄灭;绝缘栅法:即栅片是绝缘的,其作用是导出电弧的热量,以提高电弧的弧柱压,同时,栅片将电弧分割成若干段的短弧,每一栅片就是短弧的电极,同时产生许多个阳极压降和阴极压降,对直流电弧而言,利用近极处的电弧电压降加弧柱的电压降一起灭弧;窄缝法,通常采用多重窄缝,这样,可以减少电弧进入上部窄缝的阻力,因而在驱动电弧运动的电磁力给定时,可以采用比单窄缝灭弧室更小的缝隙,一方面可将电弧直径压缩,使电弧同缝隙壁紧密接触;另一方面,也使电弧面积增加,长度增长,这些都进一步加强了冷却和去游离的作用,使电弧熄灭;VJC法主要是在电极的四周覆盖一定厚度的绝缘物或高电阻金属材料,从而对电弧弧柱进行控制,以达到升高电弧电压的目的。固体绝缘屏幕法是利用一固体绝缘屏幕快速插入到分断故障电流的触头中,使触头间燃烧的电弧被屏幕隔开而迅速熄灭。以上这些方法通常综合使用,如VJC及多窄缝法,以取得更好的限流分断的效果。
3)提高触头分断速度法。通常利用巨大的断开弹簧或其他加速装置将触头拉开,或利用储能的电容器对斥力线圈放电在铝盘中感应出涡流来产生巨大电动斥力,将动触头打开,与此同时,尽量加快脱扣器的动作及机构的动作,以达到高速分断的目的,这样,分离时所需时间越小,则限流作用就越大。在六十年代,电力电子器件就被引入到电器中。现在,已有无触头的晶闸管断路器、触头—晶闸管并联的混合式断路器在某些国家得到开发、并有一定程度的应用,但由于电力电子器件存在导通压降大造成的能耗高、分断电器不能形成间隙绝缘距离、过载能力差、工作参数缺乏相应的各个电压等级以及费用高,这些使其构成的无触点电器不能大量应用。
当然,无触点电器本身具有操作率高、开关速度快、控制功率小、噪音低、寿命长的特点,适合某些特殊的工作场合使用。在限流中,主要采用带触头的混合式,如触头—晶闸管并联的混合式断路器,具有触头正常导通时压降能耗小的特点,再利用电力电子器件的开断时间短的特点,进一步缩短电流的开断时间,从而实现限流分断。在断路器设计中,使用电力电子器件,主要要考虑器件的电流和电压的参数。早期使用晶闸管,但它不能自关断,需要换流关断,造成电器的体积增大。目前,通常考虑自关断的器件,如IGBT（绝缘栅双极晶体管）,GTO（可关断晶体管）等。
二、高压限流型熔断器与低分断能力电器之间的选择性配合
在这种使用情况下，限流型熔断器在大故障电流下动作，低分断能力电器之间只能分断它所允许分断的小电流，因此需要根据两者不同的时间-电流曲线配合实现。1/以曲线相交点为分界，限流型熔断器承担大故障电流分断，其他电器承担正常电流和小故障电流开断。2/如果其他电器不随熔断器撞击器联锁脱扣，则相交点必须大于高压限流型熔断器的最小动作电流。3/曲线相交点电流必须小于其他电器的开断能力。4/当用高压限流型熔断器开断电路时，其他电器必须具有足够通过短路电流和关合短路电流的能力（校验该电器的热稳定、动稳定对应采用其开断电流、关合电流），这些能力应与高压限流型熔断器截止电流和I2t值相适应。5/如果其他电器随熔断器撞击器联锁脱扣，例如负荷开关，则要求负荷开关允许的转移电流值大于熔断器的最大转移电流值。