直流断路器在不同时间常数下临界负载电流的测试及分析
直流断路器在不同时间常数下临界负载电流的测试及分析
孔祥斌;矫财东;赵亮;海荣
【摘 要】针对直流断路器存在临界负载电流难灭弧的问题,对不同时间常数与临界负载电流的关系进行了分析。结合直流断路器相关标准,进行了临界负载电流测试试验。根据测试结果,总结了负载临界电流的变化规律,可供各相关人员参考。
【期刊名称】《电器与能效管理技术》
【年(卷),期】2018(000)022
【总页数】5页(P77-81)
【关键词】直流断路器;临界负载电流;时间常数;燃弧时间
【作 者】马桶漏水维修孔祥斌;矫财东;赵亮;海荣
【作者单位】[1]浙江方圆电气设备检测有限公司,浙江嘉兴314001;[1]浙江方圆电气设备检
测有限公司,浙江嘉兴314001;[1]浙江方圆电气设备检测有限公司,浙江嘉兴314001;[1]浙江方圆电气设备检测有限公司,浙江嘉兴314001;
【正文语种】中 文
【中图分类】TM561
0 引 言
直流断路器作为直流系统中的过流、短路保护部件,在光伏发电站的直流汇流箱和配电柜系统、轨道交通和电力机车直流供电系统、船舶变配电及动力系统等直流系统中承载电流、切断异常电流,对电路的相关保护和隔离起着重要作用。
所谓临界负载电流是指,在使用条件范围内燃弧时间明显延长的分断电流[1],常见于直流供电系统。这是因为开断交流电路时,交流电流的自身过零点作用,电弧的临界长度要比开断相同电流的直流长度小。开断直流电弧比开断同等容量的交流电弧难,在临界电流处更难开断,且时间常数变化临界电流也发生变化。本文结合临界负载电流和时间常数的相关关系,实际测试直流断路器在不同时间常数下,临界负载电流的变化情况,进行相关分析与研究,以供相
关专业人员参考。
1 临界负载电流分析
因为直流塑壳断路器大多数采用空气自然灭弧,存在临界负载电流。灭弧方式通常有两种:一种是常规开闭,利用触头把电弧轴向拉开,同时导电回路产生磁场,使电弧弯曲拉伸,沿垂直于弧轴的方向拉长电弧,不仅使电弧长度增加,还使其产生横向运动,受到空气冷却达到灭弧效果;另一种是电弧在自身电动力或磁吹线圈的磁场影响下,被磁力拉入灭弧罩内使电弧迅速熄灭[2]。当某个范围内的小电流在常规开闭时无法熄灭电弧,且磁吹力较小,电弧运动的推动力较弱,灭弧室又没法发挥作用,此时电弧会长时间停滞并持续燃烧,使开断时间明显延长甚至开断失败。这也就是临界负载电流产生的原因。
直流断路器合/分直流回路的等效电路如图1所示。
图1 直流断路器合/分直流回路的等效电路
根据图1,当触头分断产生电弧时,该回路可列出下列微分方程:
(1)
式中: Uh——直流断路器两端电压;
Ih——回路电流;
E——试验直流源;
R——阻性负载;
L——感性负载。
当t=0时,Ih=Ih0(Ih0为电弧开始产生的电流),t=trh(trh为燃弧时间)时,Ih=0,于是得:
冰箱不停机(2)
由式(2)可知:
(1)由于回路被切开,触头断开间隙起弧。燃弧过程中,电感能量及电源供给能量都很少能返回电源,大部分以电弧形式的发光发亮现象释放到弧隙中。在电压一定的情况下,电路电感越大(即时间常数越大),储能就越多,电弧就越难熄灭;当负载为纯阻性时,电弧较容易熄灭[1]。
(2)在空气中生弧电压为一定值,因此当开关开断时,不管是电阻性负载还是电感性负载,只要电压超过一定值,则开关的触头间隙就会出现电弧。在使用过程中,时间常数越大,则电感量也会适当加大,则式(1)中的电感产生的叠加电势就越大,当断开电路时,叠加在试品两端的Uh就越大。这样起弧时间就会更早。即同样试验电流情况下,大时间常数条件下起燃点必然靠前。由于电弧燃灭时刻与燃弧能量Li2/2(未达到灭弧栅等灭弧装置工作区,灭弧方式为自然空气冷却灭弧情况)有关,因此,同样试验电流情况下,大时间常数较小时间常数燃弧熄灭时刻延后。直流电器电弧燃弧时间为从开关电器触头产生电弧起,到熄灭为止的时间[3]。综上;同样试验电流情况下,大时间常数燃弧时间将会变大。
(3)同样时间常数情况下,起弧时刻与加在试品断点两端电压有关。即断开时,电流变化率达到一定值,就会起弧。燃弧结束时刻与灭弧机构(如灭弧栅等)的结构有关,其为大能量敏感元件,当燃弧能量Li2/2达到一定值时,其就会动作。综上,大时间常数条件下,较小时间常数有向小电流转移的趋势。
2 临界负载电流试验及分析
省会简称
实际测试电路如图2所示。整个系统由直流电源E、可调负载电阻R、可调电感L和被测塑壳
断路器MCCB共同构成试验电路。电阻R和电感L作为电路负载,用以调节电路电流及时间常数。通过电流采集单元和电压采集单元,采集断路器两端电压及系统电流,然后对所采集到的数据进行观察和分析。
图2 实际测试电路
(1)选用某厂家生产的同一批次的、同一型号的2P直流塑壳断路器,额定电流In为225 A、额定电压为1 000 V。
(2)参考IEC 60947-2:2016附录P《光伏用直流断路器》标准的临界电流测试内容,结合实际使用情况,选定测试电流试验值为:4 A、8 A、16 A、32 A、63 A、125 A及225 A。
(3)IEC 60947-2:2016附录P《光伏用直流断路器》规定:短路试验和临界直流负载电流试验、操作性能试验的时间常数为1 ms。然而,此规定与实际使用中的光伏直流系统用直流断路器时间常数存在较大差距,在常用的光伏配电系统中,由于大型光伏电站存在容量大、面积广,从汇流箱到直流柜,然后再到逆变器等距离远、电缆弯曲程度高、电缆长度长等使用环境特点,一定程度上增加了整个系统感抗,时间常数往往会大于1 ms。在实际使用中,直流断路
器常见的时间常数有1 ms、4 ms、10 ms、15 ms等,因此本文选取了具有代表性的时间常数T:0 ms、1 ms、2 ms、4 ms、6 ms、10 ms、15 ms,分别测量断路器分断时的燃弧时间。
如何从银行贷款(4)每个电流下分别测量10次取平均值,平均值最大的一组测试电流即为临界负载电流。各时间常数下临界负载电流开闭操作实时波形图如图3所示。
通过波形图,各时间常数下燃弧时间表如表1所示。
由表1数据可看出:T为0 ms时,在32 A电流点燃弧时间最长;T为1 ms时,在32 A电流点燃弧时间最长;T为2 ms时,在32 A电流点燃弧时间最长;T为4 ms时,在16 A电流点燃弧时间最长;T为6 ms时,在16 A电流点燃弧时间最长;T为10 ms时,在16 A电流点燃弧时间最长;T为15 ms时,在8 A电流点燃弧时间最长。
根据测试结果,绘制时间常数与临界负载电流曲线,如图4所示;绘制的时间常数与最大燃弧时间曲线,如图5所示。
上海灵异事件由以上测试结果和趋势线,可直观看出燃弧时间的变化规律:① 随着时间常数的增大,各临界
负载电流下的燃弧时间会发生变化并逐渐增大,且向小电流转移;② 同时,随着时间常数的增大,临界负载电流也越来越小,有的曲线甚至接近梯形,呈现一定的双峰性;③ 0 ms、1 ms与2 ms之间性能差异不大,但与较大时间常数,如4 ms、15 ms之间存在较大差异。以上分析也与之前的理论分析基本吻合。厂家进行产品设计时,应该结合实际情况选用合适的时间常数进行试验,并为客户提供数据参考。
图3 各时间常数下临界负载电流开闭操作实时波形图
表1 各时间常数下燃弧时间表T=0 ms试验电流/A燃弧时间/ms1次2次3次4次5次6次7次8次9次10次平均值413.113.213.913.913.813.613.713.213.513.513.5815.115.815.814.715.215.315.215.714.914.815.31617.517.517.517.617.617.517.417.517.617.317.53238.139.235.135.936.136.937.336.536.535.936.76319.117.218.119.316.818.117.818.217.917.518.012513.615.115.811.914.714.214.114.815.214.414.422513.511.210.411.713.512.110.911.112.311.811.8T=1 ms试验电流/A燃弧时间/ms1次2次3次4次5次6次7次8次9次10次平均值417.316.416.417.416.616.816.616.216.116.516.6816.716.716.216.516.816.617.316.916.216.916.71623.822.722.423.524.723.423.322.822.123.423.23238.937.238.838.939.138.638.637.439.438.738.66320.421.620.321.119.420.620.220.521.320.820.612515.415.614.916.315.615.615.314.916.114.815.42215.614.614.314.015.314.814.315.214.915.114.8T=2 ms试验电流/A燃弧时间/ms1次2次3次4次5次6次7次8次9次10次平均值415.416.116.216.116.216.015.816.216.115.616.0817.917.117.517.317.017.416.917.517.417.117.31626.728.229.728.128.628.327.327.828.128.828.23246.548.049.444.847.647.346.646.945.345.846.86322.123.023.319.621.822.022.122.521.822.922.112515.315.315.716.815.915.815.115.816.215.615.822515.015.016.414.014.314.914.915.314.315.515.0T=4 ms试验电流/A燃弧时间/ms1次2次3次4次5次6次7次8次9次10次平均值418.217.918.718.3
18.218.317.218.117.817.718.0824.425.425.225.125.325.124.625.325.924.725.11649.849.349.852.550.850.453.151.749.956.751.43252.750.943.150.740.647.648.350.247.646.147.86321.820.721.824.922.322.322.520.823.121.522.212518.117.116.716.016.016.816.916.117.417.016.822516.513.612.813.214.014.013.315.214.813.614.1T=6 ms试验电流/A燃弧时间/ms1次2次3次4次5次6次7次8次9次10次平均值424.724.123.423.022.523.021.622.123.923.023.1828.626.627.126.927.027.527.528.627.227.827.51654.953.148.449.547.248.550.148.046.852.849.93241.339.438.537.234.939.936.336.938.137.538.06322.722.621.920.922.020.420.923.524.223.122.212517.218.218.616.317.615.816.817.316.618.017.222516.115.716.315.717.416.716.116.515.916.516.3

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