“双碳”目标下低压断路器的发展趋势与功能柔性化

摘 要：“双碳”目标下，低碳能源迎来了快速发展。低压断路器作为能源设备的保护神，对能源系统的可靠稳定起着举足轻重的作用。以3种断路器的技术特点为研究对象，用归纳总结和比较分析的方法和手段阐述了3种断路器可靠性方面的优缺点，并对断路器发展趋势进行了预测。为该领域的发展奠定了一定的研究基础。

关键词：低碳能源; 固态断路器; 无触感; 智慧断路器; 柔性化

中图分类号： TM561文献标志码： A 文章编号： 1674-8417（2024）09-0018-07

DOI：10.16618/j.cnki.1674-8417.2024.09.004

0 引 言

习近平总书记强调，要加大力度规划建设以大型风光电基地为基础、以其周边清洁高效先进节能的煤电为支撑［1］、以稳定安全可靠的特高压输变电线路为载体的新能源供给消纳体系［2］。这就坚定了走低碳发展之路应将能源消费增量放在更清洁、低碳的能源供应方面，如核电、水电、地热、生物质能、风能、太阳能、海洋能等低碳能源［3］。这对我国的工业结构和技术水平将是一个新的挑战。本文介绍了低碳能源的装机情况，以及低碳能源开发所需的相关设备，阐述了对这些设备提供配电保护的必要性。同时对配电保护领域的低压断路器进行了市场调研和分析，对低压断路器的功能集成柔性化和智能化发展趋势进行了详细论述。

1 低碳能源发展现状

近年，我国能源绿色低碳转型加快推进，全国可再生能源发电装机容量快速增长。据统计，2023年上半年全国可再生能源新增装机1.09亿kW，同比增长98.3%，占新增装机的77%。截至2023年上半年，全国可再生能源装机总量突破13亿kW，达到13.22亿kW，同比增长18.2%，历史性超过煤电［4］，约占我国总装机的48.8%。可再生能源在国家的“双碳”目标战略下，正快速、稳步有序地向前发展。2018年—2023年上半年中国可再生能源发电装机容量统计图如图1所示。

能源的转化需要配套相关设备。如风力发电需要风力发电机组，其分风轮、发电机和塔筒3部分。太阳能光伏发电一般包括光伏阵列（将若干个光伏电池组件根据负载容量大小要求，串、并联组成的较大供电装置）、控制器、逆变器、储能控制器、储能装置等。这些设备往往比较昂贵，它们的控制与保护更多在低压侧，具体来讲是万能式断路器、塑壳断路器、微型断路器及接触器（以下简称三断一接）这类低压电器产品。

低压电器产品，我国产量已经达到世界的60%以上。且性价比优势越来越明显。断路器市场需求量更大，接触器相对较少。断路器包含多种保护功能，例如过载、短路、漏电、过欠压、失压、断相缺相、防孤岛等，结构相对复杂，技术含量也更高。所以断路器的厂家也远比接触器的厂家多。从3种断路器的产量来看，微型断路器的产量处于绝对领先的位置。年产量达到16.1亿极。

2 低压断路器市场现状

2022年，低压电器行业的产值已经突破千亿元。其中，80%以上是机械式断路器。这样一个庞大的产业集群，涉及两三千家规模以上企业，存在同质化、低价竞争。智能电网、智慧用电、能源管理市场的兴起，无疑给行业带来了一个新的突破方向，产品的附加值显著提高，创新产品不断涌现。就断路器产品来讲，除机械式之外，还有固态式和混合式。

3 机械式低压断路器的设计原理

机械式低压断路器的电弧压降U_arc由两部分组成，即电弧拉长的弧柱压降U₁和近极压降U₂，U₂=U_C+U_a，是阴极压降U_C和阳极压降U_a之和。总的近极压降称为短弧电压。根据大量试验，一般为20～25 V。机械式断路器为了提高电弧电压，大多采用栅片灭弧，若栅片数为n，则把长弧分割成n+1个短弧，这样电弧电压可用式（1）表示：

U_arc= U₁+（n+1）U₂=iι／σA+（n+1）U₂ （1）

式中： i——电弧电流;

ι——弧柱长度;

σ——电弧电导率;

A——电弧截面。由于电弧的近极区极短，因而可认为弧柱长度即为电弧长度。对于交流断路器来讲，限流作用主要决定于电弧电压，要提高电弧电压就意味着在每一个阶段电弧电压出现得要早、上升得要快，达到的幅值要高［5］。而开断直流电路的过程是将某一恒定电流强迫过零的过程（交流自身有过零点）。通常希望燃弧时间越短越好。但燃弧时间太短，电感中将产生很大的自感电势。该电势与电源电压叠加后，使弧隙两端和线路上的电气设备承受过电压，如下所示：

U=R_i+Ldi／dt+u_a （2）

由式（2）可得出：

ΔU=-Ldi／dt=u_a-（U-R_i） （3）

显然，电路电感越大，电流下降越快，过电压值越大。所以，开断过程要综合考虑燃弧时间和系统过电压。电感的存在，间接体现在时间常数上，使电弧移动缓慢，电弧进灭弧室的时间较长，短弧电压在开断过程中起到的效果也慢。综上所述，直流断路器需要提高电弧拉长的占比。也就是加大弧柱压降［6］，具体措施如下。（1） 需要加大开距，增大到交流的约1.5倍（这个跟电压等级密切相关，如果需要实现1 500～3 000 V的供电电压，那么开距还需要大幅度地增加）;提高介质恢复的速度，以此保证承受过电压能不至于电弧重燃。提高额定工作电压的等级。（2） 减小机构起动的速度，降低电弧停滞的时间，使电弧电压出现得早。（3） 提高机构动作的速度，使电弧电压上升得快。（4） 合理增加气吹结构，采用自动气吹技术，冷却和驱动电弧进入灭弧室，使电弧电压的幅值尽可能高。（5） 采用高强度、高韧性的工程塑料PA46甚至PA4T作为产品机构和面盖的材料（以下称为新型塑料），这种材料具有极佳的耐电弧冲击和电弧高温的能力。热变形温度高达300 ℃以上。而且这种材料在短瞬时电弧高温达到约5 000 ℃的情况下，产品的热稳定性和尺寸稳定性俱佳。对于常规的DMC或者增强尼龙，在电弧强大的冲击力作用下，容易断裂，导致机构被卡住，而一旦机构被卡住，导致动静触头无法打开到该有的位置，造成开距变小。这对断路器的短路能力影响非常大，开距变小，造成电弧无法熄灭，导致短路试验失败的情况出现。常规塑料试品短路试验过后示例如图2所示。图2 常规塑料试品短路试验过后示例

采用新型塑料之后，短路试验过程中，没有出现机构卡滞的现象，试验顺利通过，采用高强度、高韧性的PA46短路试验过后示例如图3所示。

（6） 采用耐高温的弹簧材料，例如GH4145、GH4169、GH2132、GH4090、30W4Cr2VA等材料牌号。高电压等级的断路器，电弧能量等级比400～690 V塑壳断路器的开断电弧的能量要高得多。断路器的触头弹簧、机构弹簧在高温条件下，容易出现热疲劳，弹力变化率甚至可以达到40%以上，从而引起断路器终压力大幅减小，试后温升很容易超标。弹簧出现塑性变形甚至烧毁断裂，造成开距变小，灭弧性能显著下降，短路能力大幅度降低，超程缺失，进而导致试后不通电。这对做额定运行短路分断能力的试验来讲，是非常不利的，将给断路器的可靠性出现很大的隐患。综合来讲，将导致断路器的温升、短路能力、寿命大幅度下降。采用耐高温的弹簧材料之后，可以保证高电压产品的热稳定性和电动稳定性，

从而提高介质恢复的速度和保证产品的绝缘水平。采取这些措施，可以实现对光伏、风电以及轨道交通DC 1 000～DC 1 500 V的供电电压的配电保护［7-8］。特别在储能领域，电压等级要求已经达到最高DC 3 000 V。目前产品随着应用场景需求的快速变化正在不断迭代。

4 固态断路器的发展与特性

固态断路器是依托电力电子技术发展起来的，而该技术的材料属于半导体领域。半导体产业的发展先后经历了3个阶段：

① 以硅（Si）为代表的第一代半导体材料;

② 以砷化镓（GaAs）为代表的第二代半导体材料;

③ 以碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）为代表的第三代半导体材料。从固态断路器来讲，SiC是综合性能最好、商业化程度最高、技术最成熟的材料，对降低功耗、减小体积作用巨大［9］。Si和SiC材料特性比较如图4所示。主要表现在：

① 临界击穿电场强度是Si材料近10倍;

② 热导率高，超过Si材料的3倍;

③ 饱和电子漂移速度高，是Si材料的2倍;

④ 抗辐照和化学稳定性好;

⑤ 可以直接采用热氧化工艺在表面生长SiO2绝缘层。

机械式断路器典型的故障响应时间为几十毫秒，这个故障响应时间难以满足直流微电网对故障保护的要求。固态断路器主要由电力电子器件作为分断器件，外加故障检测、吸收电路以及驱动系统等构成，利用电力电子器件硬关断能力切断故障电流，典型动作时间为几十微秒（μs），甚至几微秒（μs）。这个动作时间不会导致电压跌落太多，也不会引起母线欠压保护动作，并且还不会导致过大的故障电流，能满足直流微电网系统故障保护的要求［10］。 断路器最重要的性能是开断能力，而机械式断路器因为机构动作所必需时间的原因，在开断时间上，跟固态断路器比起来，有明显的劣势［11］。机械式断路器和固态断路器开断时间比较如图5所示。假如按照上述29.2 A/μs故障电流上升率，关断10 μs时间计算，关断时故障电流仅仅为292 A，给直流微电网系统带来的电流应力和热应力要小很多。因此，在直流微电网系统中，固态断路器将具有广阔的应用前景。

综上所述，固态断路器主要优点如下：

① 因为分断速度极快，达到微秒级，所以限流效果非常好。

② 无弧通断，产品寿命长。

③ 功能易集成。内部包含电子控制模块，更容易实现电子扩展功能的集成。可以将断路器、接触器、热继电器、软起动器等的功能集于一身。根据应用场景的不同，实现功能的柔性集成，满足现在市场的主流，需求和定制化设计的要求。

④ 环境适应性好。不仅适用于矿井、化工等电弧敏感场合，对高振动、高低温、高湿、高海拔、风沙、盐雾等复杂环境具有良好的适应性。防护等级可以做得很高，甚至可以达到IP67。加强散热的设计，使产品的综合性能优越。

5 3种断路器的优劣对比

对机械式、固态式、混合式断路器的优劣进行具体剖析，3种断路器的对比如表1所示。

（1） 固态断路器的缺点。① 固态断路器的功耗高。目前固态断路器的功耗是机械式断路器的8～10倍。比如：壳架100 A的ATOM 3P固态断路器满负荷工作时的总功耗接近250 W，而机械式MCCB 100 A总功耗仅为20～30 W。固态断路器与机械式（断路器+接触器+热继电器+软起动器）的总功耗接近。

② 固态断路器对大功率电力电子器件工艺要求高。固态断路器中组合的电力电子器件数量较多，整体价格偏高。电力电子器件的体积主要受到通流能力和散热性能的制约，单个电力电子器件的载流能力有限，需要多个器件组合达到所需的通流和耐压能力，对散热的结构要求高，同时也增大了断路器的体积。③ 电力电子器件在关断时，器件上有微小的断态电流流过，不属于正常意义上的电气隔离。目前IGBT的断态漏电电流最小可在10 μA以内，IGCT的断态漏电流一般在50 mA以内。所以还需要通过采用额外的方式解决隔离问题，如增加机械断点进行隔离，或者与隔离开关组合使用。

（2） 混合式断路器的优缺点。① 优势。具有通态损耗低，耐压强度高和带负载能力强的静态特性和固态断路器的无弧快速开断的动态特性［9，12］。具体有： 正常工作时，电流经机械开关流过，通态损耗低; 发生短路时，先给电力电子开关发导通脉冲，由机械开关分闸的电弧电压导通电力电子开关，实现换流; 机械开关在较小的固态开关支路导通压降下关断线路。② 劣势。拓扑结构复杂，需要换流回路。且技术不太成熟，体积和成本同样存在问题。在特殊场合可使用。显然，无论纯固态断路器还是混合式断路器，尽管有各种优势，但是要想替代机械式断路器还任重道远。

6 断路器在智慧用电与能源管理下的智能化

随着人工智能时代的到来，一方面电力进一步得到无限延伸;另一方面，电力的各种故障点也越来越多，如过载、短路、漏电、过欠压、雷击浪涌、电弧打火等。此外，人们需要享受更加智能的生活，如实现对功率、线路、用电设备等的四遥（遥信、遥测、遥控、遥调），从而实现智慧安全用电及能源管理。这些是以智慧消防为基础的功能柔性化。针对不同应用场景，如校园、写字楼、医院、景区、商场、酒店、游泳馆等，定制化设计和制造出对应的智慧断路器［13］。智慧断路器功能集成如图6所示。

智慧断路器主要实现如下功能。（1） 浪涌保护功能。4 000 V浪涌保护，从而不用在配电箱里再单独装浪涌保护器。（2） 漏电无触感。原理是在浸水防触电设备中人为设置1个“0”电位电场。该设备内部每根接线柱都设置了1个捕集器，由开关电源、CPU芯片、相关控制电路共同组成。设备并联在供电电路的总开关或总漏电保护器的下方，只要通电就会搜集导线上除负载之外所有的离散电流和电子。当收集到这些电流和电子后，立即开启电场（反向磁场）功能，将这些离散电流和电子吸收回到电场中。由于离散电流和电子被抓取了，水中只有电压，没有电流，而用电器负载电流继续存在，因此用电设备可以正常工作，但人不会触电。（3） 漏电自动巡检功能。设置每小时巡检1次，可以不用像普通的漏电断路器那样需要人为操作试验按钮。（4） 实时电流监测。出现超过设置的过载脱扣电流时，断路器可以即时报警或瞬间跳闸。（5） 线路温度监控。线路达到70 ℃时，报警;达到80 ℃时，断路器跳闸断电。（6） 计量功能。对线路实时电流、电压、有功功率、无功功率、功率因素进行实时计量和检测。（7） 电弧打火保护。可识别是故障电弧还是正常电弧，当识别为故障电弧时，瞬间断电。（8） 过欠压保护。195 V时预警;175 V时，5 s断电;250 V时预警，270 V时瞬间断电。根据不同应用场景，将上述多种功能针对性地实现柔性化设计，从而实现市场的定制化。这也是电力系统高安全性和电力消费升级发展的必然趋势。而这些功能基本能实现兼容，更多的是端对端的产品定义。这需要厂家与各种应用场景的客户进行深入链接。

7 结 语

目前配电系统还是以机械式断路器为绝对主导。但是随着电力电子技术的迅猛发展，以及半导体材料的快速迭代，固态断路器和混合式断路器的市场占比会有比较快的上升，其在高可靠性、安全性、集成性、环境适应性等方面有机械式传统断路器无法比拟的优势。而且随着新的应用场景，尤其是各种新能源、轨道交通、高铁、5G等迅速发展，低压断路器智能化，以及其功能集成柔性化设计将是必然的发展趋势。

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收稿日期： 20240712

The Development Trend and Functional Flexibility of Low-Voltage

Circuit Breakers Under Dual Carbon

LI Min WU Guiyong LI Yan YUAN Shixiong YUAN Fusheng YUAN Hui

（1.Guangxi Vocational College of Safety Engineering， Nanning 530100， China;

2.Guilin University of Technology at Nanning， Nanning 532100， China;

3.Guangxi Pengyue Ecological Technology Co.， Ltd.， Chongzuo 532103， China;

4.Huanyu "High-tech Co.， Ltd.， Wenzhou 325600， China;

5.Zhejiang Tianzheng Intelligent Electrical Appliance Co.， Ltd.， Jiaxing 314001， China） Abstract：

Under the dual carbon policy，low-carbon energy has experienced rapid development.As the protector of energy equipment，low-voltage circuit breakers play a crucial role in ensuring the reliability and stability of energy systems.Taking the technical characteristics of three types of circuit breakers as the research object，this paper elaborates on the advantages and disadvantages of the reliability of the three types of circuit breakers through methods and means of induction，summary，and comparative analysis.Predicted the development trend of circuit breakers.This has laid a certain research foundation for the development of this field.Key words：

low-carbon energy; solid state circuit breaker; No tactile sensation; smart circuit breaker; flexibility