基于电磁斥力型开断器的限流熔断器设计与实验

王 晨 庄劲武 袁志方 张 超 陈 搏 江壮贤

（海军工程大学电气工程学院 武汉 430033）

1 引言

随着船舶、地铁等独立电力系统的容量迅速增长，电网中的短路电流水平日益提高，短路电流峰值可达到100kA 以上，且短路电流上升速率di/(dt)极高（超过20A/μs）。然而目前开关设备分断能力有限，且动作时间较长，难以在短路电流上升段将其分断[1,2]。在电网中装设新型快速限流装置是解决该类问题的理想方案，国内外已开展了多种新型限流装置研究，主要有超导限流器、固态限流器、快速限流断路器、快速限流熔断器等类型[3-7]。

快速限流熔断器是将炸药驱动的开断器与熔断器并联使用的一种限流装置，也是目前为止商用化应用最广泛的限流保护技术之一。按照其工作原理，快速限流熔断器可分为电子测控式限流熔断器和电弧触发式限流熔断器两种[8-10]。

电子测控式限流熔断器的代表性产品有 ABB公司的Is-limiter、Ferraz 公司的Pyristor、G&W 公司的Clip 等，其检测触发装置均是通过电流传感器检测线路电流的幅值或变化率，当超过设定值时由电子控制单元发出点火信号给爆炸式开断器，开断器分断并将电流转移到并联的熔断器上，由熔断器最终将短路电流分断。这类产品的额定电压最高可达到40.5kV，额定电流可到5kA，开断电流可达到200kA 以上，在国内外已有大量应用[11,12]。但是由于该装置故障检测采用传感器和电子电路，增加了许多中间环节，实际应用中存在电磁干扰或元器件失效等因素造成误动或拒动的可能性。

在文献[13,14]中提出了一种电弧触发式限流熔断器方案，特点是采用电弧触发器取代了电子传感器和控制单元，直接利用短路电流的热效应作为短路检测手段和触发条件。发生短路时，电弧触发器在短路电流作用下熔断产生电弧，利用该电弧电压引爆高速开断器内的炸药并完成分断。电弧触发式限流熔断器提高了可靠性，无需控制电源，体积小，成本低，解决了电子测控式限流熔断器所遇到的故障检测环节的问题。

目前，上述两种快速限流熔断器中的开断器大都是采用炸药爆炸产生的冲击力来使其分断的，而炸药存在易分解、不耐高温、安全性低、价格昂贵等缺陷。针对炸药型开断器存在的问题，本文在文献[14-16]已研制出的限流熔断器基础上对其开断器进行了改进设计，提出了一种基于电磁斥力驱动型开断器的限流熔断器方案，开展了额定 320V/3kA直流限流熔断器的设计及分析，进行了电磁斥力型开断器的分断测速实验和温升实验，最后通过短路分断实验验证了新方案的可行性。

2 基于新型高速开断器的限流熔断器方案

2.1 现有限流熔断器方案及问题

电子测控式限流熔断器以ABB 公司Is-limiter产品为代表，其基本组成如图1 所示。正常工作时电流主要由铜质的高速开断器承担，具有很低的通态损耗。当发生短路时，电子式检测触发装置中的电流传感器检测到短路故障，发出点火信号，引爆高速开断器内的炸药，开断器迅速断开，迫使短路电流转移到并联的灭弧熔断器上，灭弧熔断器迅速熔断，从而彻底切断短路电流。

图1 电子测控式限流熔断器组成Fig.1 Electronic type current limiting fuse

电弧触发式限流熔断器如图2 所示，其采用电弧触发器取代传感器和电子控制单元，直接利用短路电流的热效应作为短路检测手段和触发条件。发生短路时，触发器中的熔体在短路电流作用下熔断产生电弧，利用该电弧电压引爆开断器内的炸药并完成分断。该方案相对于电子测控式限流熔断器而言，提高了集成度和可靠性，降低了成本。

图2 电弧触发式限流熔断器组成Fig.2 Arc-triggering type current limiting fuse

然而无论是电子测控式限流熔断器，还是电弧触发式限流熔断器，它们的高速开断器都是依靠炸药爆炸产生的冲击力来进行驱动，使开断器快速分断将电流转移到灭弧熔断器上。而采用炸药驱动的局限性在于：①炸药寿命有限，会随使用时间的增长而逐渐分解失效；②炸药等火工品的价格昂贵，每次动作后需要更换，经济性差；③对环境温度要求苛刻；④短路分断时噪音大，且爆炸时会产生火花，在一些有易燃气体的特殊场合使用时，需要封闭式箱体，整体体积较大。

2.2 基于新型高速开断器的限流熔断器方案

为了解决炸药驱动型开断器所存在的上述问题，本文在现有电弧触发式限流熔断器基础上对其开断器进行了改进设计，提出了一种采用电磁斥力原理的新型开断器方案，并设计了基于该新型开断器的限流熔断器，其基本组成如图3 所示。

图3 基于电磁斥力开断器的限流熔断器组成Fig.3 Current limiting fuse based on electro-magnetic repulsion isolator

基于电磁斥力开断器的限流熔断器中的开断器采用电磁斥力技术替代炸药技术进行驱动，当短路发生时，电弧触发器给斥力驱动电路中的晶闸管F0触发信号，电容C0向斥力线圈L0注入一个大脉冲电流i0，使斥力盘在电磁斥力作用下将开断器中的铜桥打断，实现斥力开断器的快速分断。本文所提出的开断器方案在文献中还未见报道，相比于现有炸药驱动型开断器，该方案的驱动方式更加安全可靠，可重复使用。电磁斥力型开断器可替代现有炸药型开断器在限流熔断器中的各种应用。

该限流熔断器的分断过程如图4 所示，i为主回路电流，i1为开断器支路电流，i2为灭弧熔断器支路电流电流，u为限流熔断器两端电压。正常工作时电流经电弧触发器和开断器流通，发生短路后，电弧触发器熔断起弧（t0时刻），弧压为U1。经过触发和机械延时td，斥力开断器中铜桥被打断，形成断口并产生电弧，u上升至U2，电流开始向灭弧熔断器支路转移，换流时间为tc。当换流结束后，电压下降至电弧触发器弧压和灭弧熔断器压降之和。经过一段时间tp，灭弧熔断器上的短路电流焦耳积分值达到了其弧前I2t值后，灭弧熔断器熔断起弧（t3时刻），当弧压高于电源电压Ue时，短路电流到达峰值并开始下降，最后电路完全分断（t4时刻），两端电压等于Ue。

图4 限流熔断器分断过程的典型电流、电压波形Fig.4 Typical current and voltage waveforms of CLF

3 电磁斥力型开断器设计及性能实验

3.1 电磁斥力型开断器设计

电磁斥力型开断器设计时需要满足的条件是其温升性能和分断性能都要接近或优于原有的炸药型开断器性能。其中，温升性能要求开断器在通过额定电流时，端子处温升在规范允许的范围内；分断性能要求开断器中的桥体有足够的分断速度，在灭弧熔断器分断后，系统出现过电压时，开断器中应当形成足够的开距，而不被过电压击穿，防止开断器两极间电弧重燃。

本文设计的电磁斥力型高速开断器结构如图5所示，正常工作时电流从上下两根通流铜排 1、2和中间的铜桥3 上流过，通流支路总电阻在20μΩ以内。短路发生时，给图3 中的晶闸管F0触发信号，预先充好电的电容C0向斥力线圈6 注入电流，在斥力盘5 上感应出涡流并产生电磁斥力，斥力盘在斥力作用下向上运动，撞断开断器铜桥3 中间的铜柱，使铜柱快速进入上部空腔，形成所需开距。该开断器的主要优点在于用电磁斥力驱动方式代替了炸药驱动方式，从而克服了原有炸药型开断器存在的诸多问题。

图5 电磁斥力型高速开断器剖面示意图Fig.5 High speed electro-magnetic repulsion isolator

新型开断器的斥力线圈及其驱动电路的参数设计参考了文献[17-19]，由文献[19]可知，斥力盘受到的电磁斥力F为

式中i0——斥力线圈电流；

ip——斥力盘上的感应电流；

dM/(dz)——斥力线圈与斥力盘之间的互感M对斥 力盘位移z的导数。

式（1）表明F与i0、ip及dM/(dz)成正比。式（1）中电流i0为

式中UC0——C0的充电电压；

L0——斥力线圈等效电感；

本文采用有限元仿真软件Ansoft 建立了图5 开断器及其驱动电路的仿真模型，斥力线圈采用了双层线圈串联结构。仿真中改变斥力驱动电路的电容C0取值，保持其充电电压UC0为1650V，计算得出开断器分断过程中的电磁斥力F峰值、电流i0峰值、电流i0到达峰值的时间及开断器平均速度等性能指标见下表。

表 新型开断器的动作特性仿真结果Tab. Moving characteristics of novel type isolator

为了使电磁斥力型开断器达到与炸药型开断器相接近的分断速度，根据上表的仿真结果，本文设计了电容C0取300μF，充电电压UC0取1650V，则斥力线圈电流i0峰值约7.2kA，此时开断器的平均速度可以达到33m/s。

3.2 电磁斥力型开断器分断测速实验

为了准确测量开断器中铜桥分断过程中初始分离所需的机械延迟时间和分断速度，设计了如图6所示的实验电路。在电磁斥力开断器两端并联了电阻R和电感L组成的换流支路。实验时首先给F1触发信号使其导通，电容C1(5mF)开始通过F1、开断器、L1(31μH)放电，之后延时500μs 给斥力线圈驱动回路中晶闸管F0触发信号，斥力线圈通电使开断器分断，电流将转移到由RL 组成的换流支路上，并联RL 换流支路的作用是在开断器分断后实现电流的转移。

在开断器铜桥运动的末端位置加装两个金属触片，两个触片外接24V的直流电源和限流电阻回路，如图6 所示。开断器分断前限流电阻上的电压u1为零，当开断器中的铜桥运动到末端位置将两个触片接通时，限流电阻上的电压u1立即跃升为电源电压。实验中测量主回路电流i，开断器两端电压u，斥力驱动电路电流i0。

图6 开断器分断测速实验电路Fig.6 Velocity measuring test circuit of isolator

本文共进行了两次相同参数下开断器的测速实验，以观测机构的稳定性，其中一次典型的实验波形如图7 所示。从斥力驱动电路的电流i0开始上升到开断器两端电压u开始上升这段时间就是开断器固有动作延迟时间，从图 7 中可知该延迟时间为120μs。从开断器两端电压u开始上升到限流电阻上的电压u1开始上升之间的时间就是开断器中铜桥从开始分断到完成分断的时间，再用总行程除以该时间就可以计算出开断器中铜桥的分断速度。由图可知铜桥完成预留行程共耗时112μs，计算开断器分断过程的平均速度为28m/s，该速度和2.1 节的仿真结果相接近，且和文献[14]中测得的炸药型开断器的平均速度30m/s 接近，表明电磁斥力型开断器的分断速度可以达到炸药型开断器的水平。另一次实验中开断器的动作延迟时间为112μs，完成预留行程的时间为108μs，两次实验结果较接近，差异在7%以内，表明机构具有较好的稳定性。

图7 高速斥力开断器的动作特性Fig.7 Moving characteristics of isolator

3.3 电磁斥力型开断器温升实验

开断器在额定通流下的温升是一个十分重要的指标。为了防止温升过高造成绝缘部件老化，设计中将开断器接线端子的温升限定在90 K。对开断器进行温升实验，在额定直流3kA 通流情况下，开断器电阻13μΩ，功耗为120W。采用JK—8U 多路温度巡检仪测量了开断器铜桥处的温度、两个接线端子处的温度、室温随时间的变化，如图8 所示。开断器温度在4h 后达到稳定，接线端子处温升为61K，内部铜桥处的温升为78K，温升结果满足船用电器规范要求。

4 限流熔断器整机短路分断实验

为了进一步验证所设计限流熔断器方案的可行性和限流效果，开展了电源采用电容器组的限流熔断器样机短路分断实验，实验电路如图9a 所示。采用180mF 电容C1作为实验电源，充电至900V，电感L1=200μH，控制F1导通C1放电模拟短路电流，预期短路电流峰值25kA，初始电流上升率4.5A/μs。限流熔断器样机由电磁斥力开断器和熔断器并联组成。在样机两端还并联了一个保护用晶闸管F2，其作用是在灭弧熔断器开始分断起弧后的2ms 时触发其导通，将短路电流转移到F2上，防止发生样机分断失败时流过开断器的能量过大将样机损毁。

实验波形如图9b 所示，用示波器测量了主回路电流i、样机两端电压u，以及电压u的放大波形uL。从图中可以看出，电磁斥力开断器在电流到达21kA 时开始分断，分断后的弧压峰值约22V，开断器向灭弧熔断器换流的时间为 60μs，换流完毕后80μs 灭弧熔断器熔断起弧，弧压峰值为1 850V。实验结果表明，所研制的基于电磁斥力开断器的限流熔断器成功实现了限流分断，进一步验证了新方案的可行性及有效性。

5 结论

针对炸药型开断器存在的问题，本文在已研制出的限流熔断器基础上对其开断器进行了改进设计，提出了一种基于电磁斥力型开断器的限流熔断器方案，开展了额定320V/3kA 直流限流熔断器的设计与实验，得到的主要结论有：

（1）电磁斥力开断器在驱动电容C0取300μF，充电电压UC0取1 650V 时，开断器的固有动作延时时间为120μs，平均速度可以达到28m/s，达到炸药型开断器的性能水平。

（2）开断器在额定直流3kA 通流情况下，开断器电阻 13μΩ，功耗为120W，接线端子处温升为 61K，内部铜桥处的温升为78K，满足船用电器规范要求。

（3）限流熔断器样机在分断电流上升率4.5A/μs短路电流时，开断器分断后的弧压为22V，开断器向灭弧熔断器换流时间为60μs，灭弧熔断器起弧电压峰值为1 850V，实验结果验证了新方案的可行性及有效性。

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