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作者：吕东 吴永正 罗春凌 周道娟
摘 要 本文介绍了低压断路器的市场发展、产品结构、技术性能。针对目前大量使用的低压断路器现状,从提高供电可靠性和安全性上,对低压断路器的应用选择,进行了一些有益的讨论。
关键词 低压断路器 热磁式 智能控制器
引言
随着国民经济快速增长、电网高速发展、城市和乡村的用电负荷增加以及用电负荷日益多样性和复杂化,承担供配电和对供电设备及线路进行保护的主要元器件——低压断路器的制造技术水平也有显著的提高。
1. 万能式断路器的市场发展
我国低压万能式断路器的发展经历了两个阶段：①采用热磁式技术的低压万能式断路器,如DWl0/DWl5/ME系列、AH系列等产品，ME和AH系列产品是我国20世纪80年代采用的引进技术，分别从德国AEG公司（现被GE公司收购）和日本寺畸公司引进的制造技术，目前广泛应用于低压配电网络中；②随着计算机单片机技术的发展及其在电器制造领域的应用，断路器在接通、分断、保护、安全、维护等方面的性能有了显著变化，智能型低压万能式断路器，如DWl8、DW48等系列，由上海电器科学研究所研发的产品DW45万能式断路器和国外ABB公司的F和E系列、MG公司的M系列、西门子公司的3WL系列、德国金钟—默勒公司的IZM系列、GE公司的MPAKRT系列等均属该类产品。智能型低压万能式断路器因其卓越的性能正以惊人的速度在低压配电网络中得到大量应用。
2. 智能型低压万能式断路器结构
智能型低压万能式断路器按机械结构可分为：操作机构、绝缘体、触头系统、灭弧系统、储能电机、智能保护单元、附件（分励、欠压、辅助、合闸线圈等）7大部分。
智能型低压万能式断路器根据外形和机械结构有所差异，DW45系列和M系列断路器靠近；DWl8、DW48和日本AE-S、AE-SS系列断路器相似，其中DWl8系列因体积较大的原因较少有厂家生产，市场占有率也较低。
DW45与DW48系列的主要区别在于体积和电流范围，框架结构上以及断路器本身安全闭锁上的差异。DW48系列电流壳架分1600A、3200A，DW45系列电流壳架分为2000A、3200A、6300A，电流范围大；按极数都可分为3极和4极；电气性能上差异不大；额定运行分断能力Ics均为50kA以上，额定极限分断能力Icu为65kA以上，额定短时耐受分断能力Icw为50kA以上；机械寿命和电寿命也相同，分别为10000次和2000次。DW45断路器在国内市场占有率极大，遍布全国各主要企业生产。
2.1断路器本体结构特点
(1) 断路器为立体布置形式,具有结构紧凑和体积小的特点。有固定式和抽屉式之分，把固定式断路器本体装入专用的抽屉就成为抽屉式断路器。本体由触头系统、灭弧系统、操作机构、智能控制器、辅助触头、接线端子、欠压脱扣器、分励脱扣器、闭合电磁铁、电动储能机构等组成。
(2) 绝缘系统。断路器底座、盖采用绝缘性、阻燃性、机械强度都是很好的绝缘材料，不仅提高断路器的分断能力，而且保证了断路器的机械寿命、电气寿命。
(3) 触头系统。采用主、弧触头系统，多路并联，降低电动斥力，提高触头系统的电动稳定性。新型耐弧的触头材料，使触头在分断短路电流后不致过分发热而引起温度过高。
(4) 灭弧室。灭弧室全部置于断路器的绝缘基座内，每极分开，相互绝缘，与其他部分及操作人员隔离，既安全又不致于在分断大电流时炸裂。采用去离子栅片灭弧原理，使得断路器上方飞弧距离为零。
(5) 操作机构和手动、电动储能机构。采用五连杆机构，完成合、分闸动作，并可手动或电动储能。
2.2抽屉座结构特点
(1) 抽屉座由带有导轨的左右侧板、底座和横梁等组成,底座上设有推进机构，并装有位置指示，抽屉座的上方装有辅助电路静隔离触头。桥式主回路触头前方设置安全隔板。
(2) 断路器本体在抽屉座内的运动具有3个“位置”:连接、试验、分离位置。连接：主回路、二次回路均接通，安全隔板开启；试验：主回路断、二次回路通，安全隔板关闭，可以进行动作试验；分离：主回路、二次均断开，安全隔板关闭。
(3) 抽屉座与断路器本体间有机械连锁,断路器必须在分闸状态才能摇出来。
2.3附件
断路器除具有分励脱扣器、合闸线圈、分闸线圈、欠压脱扣器、辅助开关等各种功能的内部附件外，还具有机械联锁、门联锁等外部附件，满足用户各种场合的要求。
2.4智能控制器结构特点
(1) 过电流保护特性。过载保护、短路短延时保护、短路瞬时保护、接地故障保护。
(2) 测量功能。可测量电流、电压、功率、电能、功率因数、频率等。
(3) 负载监控。为保证重要负荷的正常供电，可控制分断两路受控负荷。
(4) MCR和HSISC保护。针对断路器本身进行的高速瞬时保护；其中，MCR保护对断路器的接通分断能力进行保护，在断路器分闸及和合闸瞬间(100ms)起作用。HSISC保护是当越限故障电流产生时，控制器会在10ms内发出跳闸指令，对断路器的极限承载能力进行保护，防止开关承载超过极限分断能力的电流，合闸100ms以后起作用。智能控制器的核心是CPU。
2.4.1CPU智能控制器的工作电源
智能控制器的工作电源核心是双电源供电的方式。主电源2#来自安装于断路器内部出线母排上的三相速饱和电流互感器,与CPU采样电流互感器装于同一位置。
2.4.2智能控制器的保护特性
智能型低压万能式断路器智能保护控制器具有的常规保护功能：①过载保护Ir1（也称：过流保护，长延时保护），其整定值为额定电流值In的0.4～1倍，可按步长为1A进行整定，动作时间可在0到相应的反时限特性下最大值时间内设定，时间步长按反时限特性曲线自动生成；②延时速断保护Ir2（也称：短路短延时保护），其整定值为过载保护电流值Ir1的1.5—15倍，可按步长为1A进行整定，动作时间可在0到相应的定时限特性下或反时限特性下最大值时间设定，可选择反时限特性时，时间步长按反时限特性曲线自动生成，也可选择定时限特性曲线时，时间步长为0.1s；③速断保护Ir3（也称：瞬时保护，短路保护），其整定值为额定电流值In的1倍到运行分断能力Icn之间，可按步长为1A进行整定；④接地故障保护功能Ir4，其整定值为额定电流值In的0.2～1倍，可按步长为1A进行整定。
断路器制造厂家在产品出厂时，用户若无要求，保护值均按最大值设置，用户应根据设计或现场负荷的调整而在控制器的面板上进行设定，但应特别注意的是，Ir1、Ir2、Ir3的定值范围（保护特性）不能相交；Ir4的定值范围与Ir1、Ir2、Ir3的保护定值范围无关，可根据需要进行设定或关闭，建议在D,ynll变压器供电系统中，采用三极断路器时关闭Ir4保护，在Y,ynl2变压器供电系统中，不能关闭此保护，整定值应超过变压器容量的30%以上，采用四极断路器时，应开通此保护，整定值也应超过变压器容量的30%以上。
智能断路器控制器的常规保护功能特性与上下级电器保护特性的可选择性配合。设计选型时，对其之间的选择性保护配合应满足以下要求：①智能断路器的长延时保护特性Ir1应低于被保护对象（如电线、电缆、电动机、变压器等）的允许过载的特性；②变压器低压侧总路智能断路器的长延时保护特性Ir1应低于高压侧熔断器的保护特性；③变压器低压侧总路智能断路器的延时速断保护特性Ir2与高压侧速断保护动作时间级差应为0.4—0.7s；④智能断路器与熔断器配合时，以熔断器保护特性为后备保护特性；⑤上级智能型低压万能式断路器短延时保护特性整定值Ir2≥1.2倍下级断路器短延时保护特性整定值或瞬时保护特性整定值（若下级无短延时保护时）；⑥上下级断路器的保护特性不能相交和重叠；⑦在智能断路器具有短路短延时或瞬时保护特性的情况下，上下级断路器之间的选择性保护的配合关系为：上级智能型低压万能式断路器瞬时整定电流保护值Ir3应等于或小于自身断路器的短时极限耐受通断能力Icw，而大于或等于1.1倍的下级断路器的瞬时短路电流保护值；⑧具有短路短延时保护的智能型低压万能式断路器，在带有欠电压脱扣器时，则必须在设计选型时注明为延时欠电压脱扣器，且延时时间应不小于断路器的短延时保护整定时间。
根据上述智能型断路器选择性保护配合的选用要求，在设计选型或投运前，必须对其保护类别和保护特性定值Ir1、Ir2、Ir3、Ir4进行确定，按设定保护值进行安装调试后，才能使配电网络的稳定、安全、可靠运行有保障。
2.4.3控制器的其他功能
由于配网中心众多，大都是长期无人值守的配电房，缺乏运行记录的基础数据，仅仅是不定时地测量负荷，无法正确反映变压器、断路器等供电设备长期运行工况及负荷状态，一直以来是配网中心管理工作上的一个难题。近年来，与智能保护控制器生产厂家协商，开发了带周期性运行参数（三相电流、三相电压、功率因数、谐波等）采样和连续记录功能，具有USB接口，采用U盘可读取每时段的运行数据以及变压器的运行工况，具有数据功能的智能保护控制器解决了配网中心长期以来缺乏设备运行基础数据，管理上的问题,对于供电设备的负荷状况，变压器是否长期单相负荷运行，是否需要调整负荷分布等问题，有了数据上的依据。
2.4.4控制器的类型
第1代产品具有基本的过载延时（Ir1）、短路短延时（Ir2）、瞬时（Ir3）、接地故障保护（Ir4）控制功能、保护定值和时间定值用旋钮刻度式整定（长延时反时限保护特性的时间定值自动生成，不可整定）。
第2代产品在第1代的基础上增加了三相运行电流、电压实时显示（分别用字母I1、I2、I3和Ua、Ub、UC表示）和其他运行数据实时显示（功率、谐波等），故障类型记录功能，数码管数字显示和点阵液晶中文数字显示两种。保护定值和时间定值采用可视数字步长定值或反时限自动生成步长定值（可选择）的方式整定。
第3代产品除具有前两代产品的全部功能外，增加了通信功能（Profibus、Modbus通信协议），周期性运行参数采样和连续记录功能,具有USB接口，采用U盘可读取每年、每时段的运行数据以及变压器的运行工况。
3. 智能万能式断路器和塑料外壳式断路器的选择使用
400～800A是智能万能式断路器和塑料外壳式断路器的电流等级交叉的范围。许多生产制造商把电子技术和计算机技术应用到塑料外壳式断路器的制造过程中，称为电子式塑料外壳式断路器和智能型塑料外壳式断路器，其保护特性和分断指标接近万能式断路器，有些塑料外壳式断路器的分断能力标称高达100kA，其实这样的指标是一个理论标称值，因限流技术在塑料外壳式断路器应用，实际分断短路电流较低,无法实现选择性保护。如图1所示，采用限流技术的智能塑料外壳式断路器的实际分断曲线，在30kA时，其实断路器已经分断了，实线是短路电流实际发生的过程曲线。
从断路器的体积、绝缘、强度和刚度上比较而言，万能式断路器比塑料外壳式断路器也有优势，其短时耐受电流50kA以上的短路电流的能力也是优于塑料外壳式断路器的。
综上所述，在400～800A内选择智能万能式断路器和塑料外壳式空气断路器，从选择性、可靠性、安全性角度讲，万能断路器比塑料外壳式空气断路器有优势，不需选择性的场所可选用塑料外壳断路器。从经济成本上看，两者略有差异，一台400～800A的固定式智能万能断路器的价格在7000元左右，一台400～800A的电动智能塑料外壳式空气断路器的价格在6000元左右。塑料外壳式便宜有优势，从大量的工厂厂用电断路器的使用现状来看，电厂、化工厂凡是对供电、选择性、可靠性、安全性要求较高的场所在这一电流范围都是采用万能式断路器。
4. 结语
低压断路器是配电网络中的重要组成部分，而热磁式断路器主要是靠热双金和磁系统动作实现的，越来越难满足配电系统的可靠性、准确性、安全性的要求，无法实现通信组网。而智能断路器充分应用了计算机控制技术，不仅提高了保护精度，而且使得配网系统更可靠、安全、准确。同时能实时浏览和记录电网运行参数，为电力负荷分析提供详实的数据基础。故在近代电力电网中越来越重视智能断路器的应用。
参考资料：
郑昕,朱方铁,张培铭,等.MC9S12DGl28B在低压断路器智能控制器中的应用\[J].低压电器,2007(1):22-24.
任元会.工业与民用配电设计手册\[M].3版,北京:中国电力出版社,2005.
步丰盛.低压电工实用技术问答\[M].北京:机械工业出版社,2001.
来源：中国工业电器网 |
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