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DQZHAN技術訊：低壓電氣和低壓電器技術之——淺談低壓斷路器的限流技術

導讀：限流措施是一種簡單有效的限流保護電路，論述了該保護電路應用于寬范圍輸入正激變換器和寬范圍輸入反激變換器時工作狀況的區別，并給出了一個適用于寬范圍輸入反激變換器的補償電路。*后的實驗結果驗證了限流保護電路及補償電路的工作原理及其有效性。

任何開關電器應用特例其實是在工程設計中出現的，而不會出現在研發過程中。解決這些工程應用特例，研發出開關電器的新產品，會極大地提升產品的工作特性和它的市場價值。

但在新品未面市前，設計工程師們要用現有的產品來解決問題。由此可見，設計工程師們的實際工作經驗遠高于研發工程師，而且理論分析能力未必會低于研發工程師。

限流，是低壓限流型斷路器的一項功能。有點象公路上限高桿的作用：

在低壓斷路器限流技術里，有許多很有意思的物理現象，以及獨特的結構設計和工作原理。

解析低壓斷路器的限流技術之前，我們不妨先來了解一下低壓斷路器的發展歷程。以下文本摘自《低壓電器的滅弧技術》：

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20世紀20年代，Slipen提出了電流過零后出現鞘層和近極作用（即：近陰極效應），發明了柵片滅弧，使低壓電器從簡單滅弧的**代刀開關，發展到配電線路用的斷路器和控制系統用的接觸器等專用的品種，前者使得低壓配電系統具有較高的開斷能力，后者則滿足控制要求的頻繁操作能力。

20世紀50年代，發現開關電器觸頭開斷后電弧有個短暫的停滯過程（即：零休時間），這個過程對控制電器的電氣壽命和斷路器的開斷性能有很大的影響，包括觸頭材料、吹弧磁場、觸頭打開速度、滅弧室尺寸等，這些研究對低壓開關的開斷性能和電氣壽命的提高起了很大的作用。

這一時期另一個對提高低壓電器性能有重大意義的是磁場吹弧的新機理，即橫向磁場能在弧柱中感應出流場，使冷氣流從電弧前端進入而從后端流出，形成對稱渦流的流場，這一冷氣流可帶走電弧的熱量，有利于電弧的熄滅；另一方面在觸頭分斷的初期，這一作用可使然弧初期的金屬相電弧轉變為氣相電弧，有利于縮短電弧的停滯時間。這一發現使磁吹成為當時*有效的滅弧措施之一。

隨著低阻抗大容量變壓器的故障短路電流可達100kA以上，要求故障分斷電器不但要有足夠大的分斷能力，還應帶有顯著的限流效應，這就促進了限流技術在低壓電器中的應用。

限流型低壓斷路器的限流原理是依靠短路電流產生的電動斥力或通過沖擊電磁鐵產生的電磁力使觸頭系統在操作機構動作前就使提前斥開而呈現電弧，利用電弧電壓來限制電流。

ABB公司在意大利的低壓電器分公司根據這一原理早在20世紀80年代初期就提出觸頭單邊斥開，觸頭雙邊斥開，電動機槽結構和雙斷點開斷等多種限流斷路器的結構方案，盡管近年來限流技術有很大的發展，但這些基本方案仍沿用至今。

20世紀80年代初期，英國、德國和日本相繼發現了限流開斷過程中電弧背后擊穿與轉移現象，并研究出這種現象是由于背后區域熱擊穿所引起的。

上世紀80年代末，施耐德電氣公司提出“固體絕緣屏幕”的限流技術，它用一絕緣材料制作的屏幕插入動、靜觸頭之間，把電弧隔斷，該公司并把這種技術應用于額定電流為25A的Optical25小型斷路器。

對低壓斷路器來說，直到20世紀末才開始注意氣吹對提高低壓斷路器開斷性能的作用。當開斷時，電弧高溫使產氣材料氣化，通過冷卻電弧和控制電極的金屬蒸氣噴流來達到提高電弧電壓和開斷性能的目的：把產氣材料放在由靜觸頭導電回路形成的槽中，進一步加強氣吹作用，被稱為槽形沖擊加速器技術(ISTAC)，并開發出PSS系列塑殼斷路器。

低壓電器的氣吹作用，可由兩種方法來達到，一種是依靠滅弧室器壁放置的產氣材料產氣，另一種是利用半封閉獨立的滅弧單元，讓電弧高溫在滅弧單元內引起壓力上升，通過出氣口而形成氣吹。

施耐德電氣公司的NS系列塑殼斷路器就充分利用了上述兩種氣吹作用，并使產品達到同期塑殼斷路器中*高的開斷能力，與之同時半封閉的滅弧室結構和氣吹作用的應用也推廣到框架斷路器上，使框架斷路器的開斷性能也有大幅度的提高

施耐德電氣公司推出的NS系列塑殼斷路器之所以能達到高的開斷性能，除了依靠獨立滅弧單元和氣吹的作用外，另一原因是采用了旋轉雙斷點的開斷結杓，這種觸頭系統的結構，到了新世紀進一步得到了推廣。

國際上有名電器公司紛紛推出新一代采用雙斷點觸頭系統和利用氣吹作用的塑殼斷路器，如美國CE公司的RecordPlus系列，ABB公司的TMAX系列等，結構上也更多樣化，除旋轉雙斷點外，又出現了平行雙斷點和橋式雙斷點等新結構，日本寺崎公司更是把雙斷點的結構用于框架斷路器，推出了TemPower2斷路器，改變了框架斷路器傳統的單斷點結構。

傳統的限流開關，電弧能量全部由斷路器開斷過程來承擔，因而限制了斷路器尺寸的進一步縮小，一種新的思路是用一個限流器和斷路器串聯，在開斷時，電弧能量大部分由限流器來承擔，這就可以大大地減輕斷路器的負擔。

這種限流器可以由多種原理來實現，近年來受人注目的是采用一種稱為正溫度系數的材料PTC來實現，它是一種導電塑料，由聚合物（如聚乙烯）加上填充的導電炭粒組成，當短路電路通過這種限流器，使原有導電炭粒組成的橋路因熱膨脹拉斷，讓限流器的電阻驟然增加而達到限流效果。

另一方面真空開斷技術、固態斷路器也在不斷地發展，西門子公司3WSI低壓真空斷路器的開斷能力已達50kA，盡管其開斷能力尚不能與空氣滅弧的傳統斷路器相比較，但無電弧或無噴弧使**性遠高于傳統的結構。

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解釋幾個相關概念：

（1）交流電弧的零休和重燃條件

我們先來看看交流電弧的過零熄弧及重燃條件。這對于理解限流原理很重要。

我們知道，當電弧電流過零時，切確地說，是在過零前某時刻，由于電弧電壓已經低于起弧電壓，電弧熄滅。但是，電弧留下了熾熱的氣體，這些氣體中仍然保持一定的正負離子。隨著溫度的迅速降低，正負離子越來越少。弧隙中的這團熾熱氣體，它的特性可以用重燃電壓來表示，即Ub。

電弧過零熄滅后，間隙中的氣體也在恢復，我們用介質恢復能力Uhf來表示。如果過零后的線路電壓Uhf大于Ub，則電弧一定重燃；反之，若Uhf小于Ub，則電弧一定熄滅。

我們來看下圖：

圖中的Ub1和Ub2為兩條電壓恢復曲線，我們看到Ub1大于Ub2。同時我們發現，Uhf在A點與Ub2相交，于是電弧在A點重燃；對于Ub1，它與Uhf完全不相交，因此若低壓斷路器或者低壓限流斷路器的主觸頭弧隙中的介質（空氣）滿足Ub1曲線的重燃電壓關系，則交流電弧一定熄滅。

在各類教科書和《低壓電器手冊》中，把介質恢復強度用符號Ujf代表，把電壓恢復強度用符號Uhf代表，因此交流電弧不重燃的條件是：

介質恢復強度Ujf大于電壓恢復強度Uhf。

也即：

聯系到以上描述，就是：交流電弧熄滅的條件是：電壓恢復曲線小于介質恢復曲線。即：Ub<Uhf。

（2）近陰極效應

我們再來看下圖：

電流過零前，左側的電極為陽極，右側為陰極。由于電弧的電離氣體的原因，在陽極附近有大量的正離子存在。

當電流過零后，原先的陽極變為新的陰極，而原先的陰極變為新的陽極。我們在上圖中看到，新陰極附近的電子迅速地向新陽極方向運動，而正離子由于體積大質量也大，在很短的一段時間內仍然留在原地，于是新陰極前面出現了一個由正電荷組成的墻，這堵墻的電壓高達300V左右，使得電極在瞬間獲得了300V左右的介質強度，它有效地阻止了電子發射。

這種作用被稱為近陰極效應。

近陰極效應產生的作用使得交流電弧在過零后有一個休止期，被稱為交流電弧的零休現象。零休時間對電弧產生了抑制作用和限流作用。

由于近陰極效應的存在時間十分短暫，大約只有150微秒左右，因此近陰極效應僅對低壓電器的滅弧有效，對高壓電器無效。

近陰極效應的零休限流作用在低壓斷路器滅弧原理中普遍存在。

（3）限流和限流比

首先，我們都知道塑殼斷路器和微型斷路器的體積很小，為了要限流，則首要的問題是體積必須精巧。當然，在原理上也要符合基本要求。

這里的限流，指的是當開關電器流過短路電流時，開關電器能在短路電流還未達到峰值時就給予開斷。

開斷電流值與短路電流峰值之比被稱為限流比。

注意開關電器的限流作用有兩個特點：

1）限流很類似于熔斷器的保護作用；

2）由于電流從過零后到峰值點的時間為5毫秒，因此限流動作的時間很短暫。

也因此，限流型斷路器在國家標準中被定義為A類斷路器。A類斷路器只有過載長延時保護L參數和短路瞬時保護I參數。

（4）低壓斷路器限流作用的原理

我們來看下圖：

先看左圖：

我們看到流過靜觸點和動觸點的導電桿的電流方向正好相反。我們先用右手螺旋定則判斷磁場方向，再用左手判斷電動力方向，我們可以得出結論：動靜觸頭導電桿的受力是斥力。對于動觸頭來說，受力方向向右，即FU。這里的“U”就是U形導體結構的意思。

同時，在觸頭上也有作用力，即電流線的收縮霍姆力Fh。這兩個力的合力構成動觸頭快速打開的作用力。

再看右圖：

這里有沖擊電磁線圈。當發生過電流時，沖擊電磁線圈產生的快速打擊作用力直接頂開動觸頭。

一般地，限流型塑殼斷路器采用左圖所示的電動力開斷法來限流，而限流型微型斷路器則用右圖所示的快速沖擊力來限流。

圖中藍色的導線是軟連接，用于緩沖和消除沖擊力對脫扣器的影響。

我們來看下圖：

這是ABB的透明微型斷路器。圖中由很粗導線繞制的部分就是用于限流作用的沖擊電流線圈。

請注意：沖擊電流線圈的鐵芯的上端用于打擊動觸頭，下端則用于拉動脫扣器脫扣。

限流技術不但涉及到電弧，也涉及到機構方案。是一個很綜合的問題。

如果想把限流問題給搞清楚，的確需要仔細研究才行。

（5）限流斷路器的結構模式

限流斷路器的結構方案有五種，其中也包括施耐德公司的雙斷點結構。這五種限流開關的結構模式圖如下：

上部左圖就是普通斷路器，也即非限流的斷路器。

上部中圖，我們看到了U形結構。由前所述，我們知道它能實現限流功能。

上部右圖，我們看到靜觸點也有旋轉中心，也可斥開。此開關具有動、靜觸點的雙斥開結構。

中圖，加了勵磁繞組，增強了觸頭臂上的斥開電動力。

下圖，即施耐德公司的雙斷點結構。兩個觸頭串聯同時斥開，增強了滅弧能力，也增大了電弧電壓。因此，*后這個方案也是*優的結構。

注意：我在雙斷點結構中有一句話，是：“增大了電弧電壓”，知道是什么意思嗎？它和限流開關有何種關系？

我們來看下圖：

分析如下：

(1)從短路電流開始出現的時刻t=0，到t0時刻，限流斷路器即將開始動作。在此過程中，動觸頭上承受的電動斥力隨著短路電流的增加而增加，一直到電動斥力等于觸頭壓力時為止。由于觸頭并未分開，因此電弧電壓Uh=0

(2)從t0到t1階段，觸頭在t0打開，觸頭之間開始出現電弧。由于這時電弧電流并不大，因此電弧停留在原地，被稱為電弧停滯時間。電弧停滯時間與觸頭材料、吹弧磁場、開距和打開速度等都有關。由于電弧電流變化不大，因此電弧電壓也變化不大

(3)從t1到t2時刻，電弧在自身的勵磁作用下，進入滅弧柵片，電弧電壓快速增長

(4)當電弧進入滅弧柵片后，電弧電壓達到其*大峰值Uh，注意Uh>U。電弧電流強制減小，至t3時刻電流降到零，電弧熄滅

我們來看下圖：

圖的左側是母線系統，我們看到是單相電源;中間是限流型斷路器，并且有兩個斷點。注意在觸點的下方有U形結構，由此可知它可以利用電動力來產生限流脫扣。同時，我們還看到了沖擊繞組和沖擊電磁鐵，它的作用前面已經敘述過了，這里忽略。

圖的右側是負載。負載中我們看到了電阻R和電感L，想象它就是類似空調之類的負載吧。

為了討論方便，我們把負載外露導電部分所接的PE線給去除了。目的是顯然的，PE線以及剩余電流保護與我們的討論主題無關。

正常情況下，動觸頭在寶塔彈簧的作用下處于閉合狀態。當短路電流通過沖擊電磁鐵線圈時，動鐵芯頂桿推動轉動軸，轉動軸的頂端推動帶有動觸頭的直動桿使觸頭打開，電弧在觸頭上點燃后，再自勵磁場的作用下沿著弧角進入滅弧室而熄滅。

注意：沖擊電磁鐵的下端帶有脫扣機構，當動鐵芯動作后，脫扣機構產生脫扣，使動觸頭打開并保持在打開位置。

由此可見：限流斷路器在發生短路時執行了三套開斷操作：

**套是U形觸頭導電回路產生的開斷電動力;

**套是沖擊電磁鐵鐵芯上端產生的對觸頭的開斷沖擊力;

第三套是沖擊電磁鐵鐵芯下端產生的脫扣作用力。這一點請充分注意。

對比普通的斷路器，我們發現限流斷路器與普通斷路器的脫扣原理很不一樣。

我們再來看看ABB的透明微斷，來加強理解。值得注意的是：ABB的透明微斷是單觸點結構：

看出了主觸點在哪兒嗎?沖擊電磁鐵上方可不是主觸點哦!提示：動觸點應當配有軟連接，這是它的標志

在給出分析表達式之前，我們先復習兩個概念。

**個概念：KVL

KVL就是基爾霍夫電壓定律。KVL告訴我們，在閉合的網絡中，各處的電壓代數和為零。利用KVL，我們可以把電源電壓寫在等號的左邊，而等號右邊為環路中各電壓之和。也即：

U電源=U1+U2+U3+......+Un

**個概念：電感電壓

當流過電感的電流發生變化時，其變化率為di/dt，則電感兩端的電壓為：

在這里，di是電流改變量，dt是對應的時間長度。

這個式子說明：當流過電感的電流發生改變時，電感兩端將出現反向電動勢，或者反向電壓;若電流未發生變化，則電感電壓為零。當然，這里假定電感的電阻為零。

現在，我們就可以寫出表達式了:

在這里，等號左邊的就是交流電源，等號右邊的**項是電感上的電壓，**項是電阻上的電壓，第三項是觸頭之間的電弧電壓。我們把上式改寫一下，從中解出di/dt，如下：

現在我們來仔細分析這個表達式與限流斷路器的關系。

在深入討論之前，我們需要確定一件事：

我們知道，工頻頻率是50Hz，所以交流電流半個周波時間是10毫秒。如果限流斷路器的開斷時間大于10毫秒，則交流電流必然過零，于是我們就要考慮過零前后在主觸頭上的電弧變化;反之，我們就只考慮過零前電流減小的熄弧過程就可以了。

另外，若限流斷路器的分斷時間小于10毫秒，電弧事實上已經變成直流電弧，我們也可以參照直流電弧的理論來討論。

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好，我們來看看ABB的塑殼斷路器參數：

我們看到斷路器的分閘時間在10毫秒以下，特別是“L”限流開關，分閘時間只有3毫秒。這樣一來，我們的討論也就方便了很多。

現在我們來仔細分析上述表達式與限流斷路器的關系：

在分析電弧的伏安特性時，di/dt的值是關鍵因素。我們可以這樣想：如果改變電路的各項參數都不變，電弧電流當然也不變，那么di/dt=0;如果電流上升，則di/dt>0，電弧的電離程度加強，弧柱直徑加大，電弧電阻Rh的減少率大于電流的增加率，因此電弧電壓Uh反而會下降;如果電流下降，電弧電壓會上升。

在我們的系統中，一旦時間越過了t3，電流達到峰值點，此時di/dt=0，再之后，電弧電流開始下降，而電弧電壓就會上升，并且會一直大于電源電壓，*后，電弧電流持續減小，直到為零。

由于有限流作用的存在，實際分斷電流的幅值要比Ip小很多，燃弧時間縮短，因此允通能量和電弧能量都減小。

在這里，允通能量的減小能夠降低斷路器自身和電網中其它設備的短路電動力和熱效應，而后者則減小了斷路器開斷電弧的能量。

下面專門談限流斷路器的應用，其中既有在電動機方面的應用分析，也有饋電方面的應用。

我們來看題圖。注意看黃色的那條線：

當電機送電伊始，電機的轉子還未旋轉，這時電機的電流*大，此電流被稱為起動沖擊電流Ip，它的值大約為電機額定電流的12到14倍。

電機起動后，電流迅速回落，這時的電流稱為電動機起動電流Ia，它的值在4到8.4倍之間，一般取為6倍額定電流。

當電機起動完成后，電機電流回歸到正常值，也即額定電流Ie。

面對如此之大的沖擊電流，我們可以使用限流斷路器嗎?答案是否定的。

我們從限流斷路器的結構就能看出，當出現接近限流斷路器動作值的電流時，限流斷路器觸頭導電桿的U形結構會使得觸頭出現振動和彈跳，并拉出電弧燒蝕觸頭。這會嚴重影響限流斷路器的電壽命。

因此，限流斷路器不建議使用在具有沖擊性電流的場合，尤其不能讓正常運行時出現的沖擊性電流接近于限流斷路器脫扣值。

對于電動機回路，我們應當使用專用于電動機的單磁斷路器，也即只有瞬時短路保護I參數的斷路器。

圖中有**配電系統，有二級配電系統。其中QF1是低壓總進線，QF2是饋電，QF1和QF2之間有選擇性配合關系;QF3是二級配電系統的總進線，QF3與QF2之間，以及QF3和QF4之間都存在選擇性配合關系。

此圖中只有QF4可以使用限流型斷路器。原因很簡單，它是*后**開關，并且負載的沖擊電流也比較小。

如此說來，限流斷路器的應用面不是很大呀?確實如此。但有時它會被應用在一些特殊場合中。我們看下面的兩個例子：

**個例子：控制電爐

在這個例子中，我們看到負載是電爐，同時控制電爐的是調功器，顯然，這里的沖擊電流不大，反倒是短路保護要加強。

雖然晶閘管SCR被熔斷器開關QS中的熔斷器保護著，但作為線路保護的斷路器QF2到QFn+1都要采用限流斷路器，以便在發生短路時能快速地開斷。

**個例子：特別大的短路容量。我們來看下圖：

這是蘇州某臺灣工業園的實例。我們看到變壓器的容量是3200kVA，這還不算，系統還要求變壓器并列運行!

*要命的是：系統必須為第三臺變壓器并列做好準備!

我們用我介紹過的計算短路電流的簡便方法來計算一下，如下：

單臺變壓器的額定電流：4619A

單臺變壓器產生的短路電流：77kA

變壓器并列后產生的短路電流：2X77=154kA

值得注意的是：*大短路電流作用在母線、母聯開關QF2和所有饋電斷路器上，而不是進線斷路器QF1和QF3。

這個短路容量已經超過了所有國產斷路器分斷容量的*大值。用戶只好找ABB和施耐德公司，當然，在ABB他們找到我了。

會談時才知道，其實他們已經為饋電回路優選了限流斷路器。這顯然是合適的，畢竟限流斷路器的分斷能力遠高于普通斷路器。

但是母聯開關該怎么辦?

母聯開關的額定電流為5000A，分斷能力為154kA，這個值也已經到達不得不選用限流框架斷路器的程度。

但是母聯開關與兩個進線之間有備自投關系，即使在并列運行時，也有投退的關系。也就是說，當發生短路時，母聯開關和進線開關之間因為選擇性其開斷操作必須有一定的時延。顯然，限流型斷路器是做不到的。

解決的辦法是什么呢?母聯開關采用了普通高分斷能力的斷路器，同時還專門配備了限流線。

限流線是ABB的一項發明，在配電系統中使用的不太多。限流線具有快速的正電阻溫度系數，當運行溫度正常時，它的電阻很小;而當短路時，由于短路電流的熱效應，使得限流線的溫度劇烈增加，它的電阻也劇烈增加，以此實現真正的限流。

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這個帖子寫到這里該結束了。

從本帖中，我們看到了限流斷路器的應用價值和應用條件，看到了在應用中需要注意到的地方。

*后和學生知友們說句話：

任何開關電器應用特例其實是在工程設計中出現的，而不會出現在研發過程中。解決這些工程應用特例，研發出開關電器的新產品，會極大地提升產品的工作特性和它的市場價值。

但在新品未面市前，設計工程師們要用現有的產品來解決問題。由此可見，設計工程師們的實際工作經驗遠高于研發工程師，而且理論分析能力未必會低于研發工程師。

當然，在有關開關電器深層次結構、參數的數值分析上，研發工程師是高于設計工程師的。

如果我是剛畢業的學生，而且可以讓我隨意挑選從事于研發還是從事于工程設計，我一定會選擇后者。