交流断路器在直流电路中的应用

吴晓雪

摘要：直流熄弧电流不存在自然的过零点，必须强制过零才能熄灭直流电弧，在直流电路中一般以交流断路器代替直流断路器提高分断能力。结合西安地铁二号线EPS事故照明装置交流断路器在直流电路中的实例，分析交流断路器在直流回路中的实际应用。

关键字：交流断路器 直流电路 熄弧

一、直流电路应用

1.附件

交流断路器中含有分励脱扣器、欠电压脱扣器、电动操作机构等附件。分励、欠电压脱扣器均为电压线圈，只要电压值一致，不需要做任何改变，就可用于直流系统。辅助、报警锄头，交直流通用。电动操作机构，用于直流电路中需重新设计。

2.保护特性

2.1过载长延时保护特性

（1）热动式（双金属元件脱扣器）

热动元件采用热双金属材料制成，通过双金属元件本身，或其傍侧的电阻发热元件，或双金属元件与电阻发热元件串联通电发热，使双金属受热膨胀，变形弯曲来推动断路器跳闸，以切断电路。由于直流电流平均值与交流的有效值的发热效果是相同的，因此交流与直流基本上无变化。但当额定电流大于1500A时，因集肤效应等因素，交流电流有效值产生的热量要大于直流，但影响不是太大，所以热动式的双金属元件脱扣器用于直流是不需要作任何更改的。

但是热动式中的有一些规格，如额定电流600A及以上采用CT式（电流互感器式），利用互感器的副边电流供给双金属元件或发热元件作发热源，则不可能用于直流电路。

（2）全电磁式

全电磁式脱扣器的交流的断路器在直流电路中使用时，动作特性要变化。考虑直流电源绝大部分经交流整流和滤波后所得，整定值变化的范围为110%—140%原动作电流。

2.2 瞬时脱扣器

采用电磁铁作电磁脱扣器（瞬时动作脱扣器）断路器，其瞬动电流整定值将有所变化，变化率取决于直流的波形。一般交流断路器工厂瞬时脱扣值是按照有效值整定的，但实际上交流断路器瞬时脱扣器是螺管线圈的构造，它的脱扣电流是峰值电流，为有效值的1.414倍。考虑对于经交流整流、滤波的直流电路特点，其电流值对应交流有效值，短路电流不存在类似交流的峰值问题，所以交流断路器在直流电路中应用时，瞬时脱扣值应乘以一个系数，约1.4。

2.3电子式脱扣器

无论是过载长延时或是短路瞬时，原按交流50Hz设汁的电子式脱扣器都无法使用在直流电路。

3.接线方式

50Hz交流电流每秒钟有100次的电流过零点，在此瞬间无电流，即使断路器的动、静触头间有电压（如是纯电感或纯电容负载，i=0时U最大；纯电阻负载，i=0，U=0），电弧也比较容易熄灭。但直流电流无过零点这一特性，电弧切断有相当大的困难。直流电路的电压越高，电弧电压大于电源电压的熄弧条件越难满足，电弧越不容易熄灭，故使用交流断路器于直流电路作保护电器时，必须采取多断点的接线方式。

3.1交流断路器多断点连接有以下两个作用：

（1）在分断直流短路电流时，相当在电路中增加若干個电弧动态电阻，电弧电阻起到对短路电流的限流作用，同时也提高电弧的燃弧电压和减小电路的时间常数，从而可提高断路器的直流分断能力。

（2）降低每一弧隙电压。例如，两极断路器串联在250V的直流电源中，每弧隙电压为125V，减少了1/2电压，即燃弧时，弧隙电弧减少了1/2的能量，这样有利与电弧的熄灭。

3.2 断点接线图

多断点的接线方式有两种，一是串联，二是并联。

二、实际应用

西安地铁二号线EPS事故照明装置工作原理：市电正常给负载供电时，充电机将交流电整流成电池组充电所需达到的充电电压，加载至电池组“+”、“-”两极。当市电不能正常供电时，启动逆变器工作，将电池组“+”、“-”两极之间的直流电压逆变成交流电压。

EPS事故照明装置电池组逆变电路中未使用直流断路器，而是采用交流断路器，运用多断点接线方式将电池组“+”极3极串联，提高直流分断能力。

1.交流断路器选型

交流断路器作用电池组直流电源的过流保护时，选型三要点：工作电流、额定短路能力、工作电压。以凤城五路站EPS事故照明装置为例（电池组41节容量135Ah，电池组电压548V，电池组内阻2.7mΩ/节）说明。

（1）选择断路器的工作电流。I=U/Z，Z为电路和设备阻抗，Ri=0.0027*41=0.1Ω为电池内阻Z=Ri+R=U/I，当R》mRi，Ri可忽略不计。R约为10Ω，I=548/10=54.8A，可选择额定电流为63A、100A的断路器。

（2）选择断路器的额定短路能力。Icu=U/Ri=548/0.1=5.5KA，可选择10 kA或20kA的直流短路保护能力的断路器。

也可近似计算所选用的断路器的短路保护能力，用公式Ics=KC，C为电池容量，单位为Ah，K为系数，10≤K<20，一般选择10，但不超过20。C=135，K取10，Ics=13.5KA，选择20kA的直流短路保护能力的断路器。

（3）选择断路器的工作电压。根据电池的放电电压？决定所选择断路器的工作电压，断路器的额定工作电压要大于电池组的放电电压。放电低压为548V，可选择额定电压为690V的断路器。

故凤城五路站EPS事故照明装置电池组“+”极交流断路器选择ABB S1N125R100，额定工作电流100A，额定短路能力20KA，工作电压690V。

2.交流断路器接线方式选择

交流断路器串联极数选择使用取决于直流工作电压和直流供电系统。选择原则：

（1）串联的极数和直流电源电压成正比，直流电压越高，需要交流断路器的串联极数越多。同一直流电源电压下，串联的极数越多，断路器的直流分断能力越高。

（2）一般直流电源电压在60V及以下时，选择单极断路器即可，在125V时可以选择使用2？极串联，在250V及以上时可以选择3极或4极串联使用，以提高断路器的分断能力。

（3）串联后的直流短路分断能力要远高于交流断路器本身的分断能力。若无需过高分断能力可根据负载和电路电压的情况减少断路器的串联极数。

凤城五路站EPS事故照明装置电池组电池组电压548V，在250V以上可以选择3极或4极串联使用。3极串联时单极承受电压180V左右，4极串联时单极承受电压130V左右，但回路中不需要过高分断能力，故实际选择断路器3极串联方式使用。

三、总结

结合交流断流器在直流电路中的应用特点，分析直流供电系统、负载阻抗和短路电流等特性，交流断路器应用于直流电路中要注意以下几点：（1）改变电流保护整定值。（2）提高分断能力，选择合适的多断点串联或并联连接方式。

参考文献：

[1]用交流和直流的断路器[P].家用和类似用途的过电流保护断路器.IEC60898.2000.

[2]（德）Kiaus Kosack，著.胡明忠，校.胡明忠，胡沫非，译.低压开关电器和开关设备手册[M].北京：机械工业出版社.