一、限流型塑殼斷路器觸頭結(jié)構(gòu)
低壓限流型塑殼斷路器的工作原理是依靠短路電流產(chǎn)生的電動(dòng)力,使觸頭系統(tǒng)在操作機(jī)構(gòu)動(dòng)作前就提前斥開而產(chǎn)生電弧,利用電弧電壓來限制短路電流。ABB公司曾經(jīng)對(duì)五種觸頭的限流能力進(jìn)行對(duì)比,其中A方案為傳統(tǒng)的非限流型觸頭結(jié)構(gòu),例如框架斷路器的拍合式觸頭結(jié)構(gòu);
B方案的靜觸頭做成U型導(dǎo)電回路,增強(qiáng)了磁場(chǎng)作用在動(dòng)觸頭上的電動(dòng)斥力,這種結(jié)構(gòu)只有動(dòng)觸頭斥開,動(dòng)觸頭是靜止的。
C方案和B類似,區(qū)別點(diǎn)在于C的動(dòng)、靜觸頭都可以在電動(dòng)斥力的作用下斥開,屬于雙面斥開結(jié)構(gòu);
D方案在C的基礎(chǔ)上增加了U型電動(dòng)機(jī)槽來增強(qiáng)斥開磁場(chǎng),用一個(gè)U型磁鐵套在靜觸頭導(dǎo)電板上增強(qiáng)觸頭區(qū)導(dǎo)電回路的自勵(lì)磁場(chǎng),增強(qiáng)作用在觸頭臂上的電動(dòng)斥力;
方案E為雙斷點(diǎn)結(jié)構(gòu),兩個(gè)觸頭串聯(lián)起來,在電動(dòng)力的作用下同時(shí)斥開,利用兩個(gè)電弧串聯(lián)來獲得更高的電弧電壓。
雙斷點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)還可以使得每一個(gè)滅弧室中所承受的電弧能量和恢復(fù)電壓降低,因此雙斷點(diǎn)斷路器具有**的限流能力,并且適用于額定電壓較高的場(chǎng)合。
二、限流型塑殼斷路器的開斷過程
塑殼斷路器一般采用滅弧柵滅弧,采用這種滅弧結(jié)構(gòu)的塑殼斷路器,其開斷過程一般包含四個(gè)過程,
1、從短路電路出現(xiàn)的瞬間t=0到觸頭開始動(dòng)時(shí)刻t0,這段時(shí)間為限流機(jī)構(gòu)的動(dòng)作時(shí)間。對(duì)于塑殼斷路器來說,是指動(dòng)觸頭的電動(dòng)斥力隨著短路電流增長(zhǎng),到電動(dòng)斥力等于觸頭壓力,而使觸頭開始斥開所需要的時(shí)間。這段時(shí)間內(nèi)觸頭尚未分開,因而觸頭兩端電弧電壓Uarc=0。
2、t0到t1段時(shí)間,動(dòng)觸頭在t0時(shí)刻開始打開,觸頭上出現(xiàn)電弧,由于電弧停滯現(xiàn)象,電弧在觸頭上保持不動(dòng),這段時(shí)間成為電弧停滯時(shí)間ti=t0-t1,它決定于觸頭材料、吹弧磁場(chǎng)與觸頭的打開速度等因素,這一階段電弧電壓變化不大。
3、到t1瞬間,電弧拉長(zhǎng)到一定長(zhǎng)度,這時(shí)電弧在自勵(lì)磁場(chǎng)產(chǎn)生的電動(dòng)力作用下,離開觸頭并通過弧角進(jìn)入滅弧柵片,這一階段電弧電壓增長(zhǎng)很快,其增長(zhǎng)速度β決定了電弧運(yùn)動(dòng)速度和進(jìn)入滅弧柵的時(shí)間t2,t2-t1這段時(shí)間為電弧運(yùn)動(dòng)時(shí)間。
4、當(dāng)電弧進(jìn)入滅弧柵片后,電弧電壓達(dá)到其**峰值Uarc,此時(shí)電弧電壓已經(jīng)大于電源電壓瞬時(shí)值,電流被強(qiáng)制限制減少,到t3瞬間電流降為零,電弧熄滅。
從塑殼斷路器開斷過程可以看出,決定電弧電壓的參數(shù)有4個(gè),它們是:限流機(jī)構(gòu)的動(dòng)作時(shí)間t0,電弧停滯時(shí)間ti,電弧電壓上升率β和電弧電壓幅值Uarc。
若能減少限流結(jié)構(gòu)的動(dòng)作時(shí)間和電弧停滯時(shí)間,增大電弧電壓的上升率和電弧電壓的幅值,則能增強(qiáng)低壓斷路器的限流作用,那么NSX塑殼斷路器是如何實(shí)現(xiàn)限流的呢?
三、NSX塑殼斷路器的限流原理
NSX塑殼斷路器觸頭結(jié)構(gòu)如下圖所示,我們?cè)?*節(jié)分析到的雙旋轉(zhuǎn)觸頭和U型靜觸頭結(jié)構(gòu),NSX塑殼斷路器都具備。
當(dāng)故障電流產(chǎn)生的電動(dòng)力超過觸頭彈簧壓力時(shí),動(dòng)、靜觸頭開始斥開并產(chǎn)生電弧電壓,限制短路電流的上升。
短路電流越大,動(dòng)、靜觸頭之間的電動(dòng)斥力就越大,雙旋轉(zhuǎn)觸頭動(dòng)作的速度就會(huì)越快,我們?cè)诘诙?jié)中分析到的“限流機(jī)構(gòu)的動(dòng)作時(shí)間”就會(huì)越短,限流效果就會(huì)越明顯。
為了使觸頭快速動(dòng)作,除了利用電流的電動(dòng)斥力讓觸頭快速打開,NSX斷路器靜觸頭側(cè)還設(shè)置有產(chǎn)氣材料,一般為聚甲醛POM材料、尼龍Nylon和大家耳熟能詳?shù)娜矍璋返炔牧稀?/span>當(dāng)觸頭斥開產(chǎn)生的電弧使得產(chǎn)氣材料氣化,密閉分?jǐn)鄦卧獌?nèi)氣壓迅速升高,壓力氣體使得NSX斷路器氣動(dòng)脫扣機(jī)構(gòu)直接動(dòng)作,這就是能量脫扣的原理。能量脫扣(氣動(dòng)脫扣)是獨(dú)立于其他脫扣器的脫扣過程,與電子脫扣器或磁脫扣單元無關(guān),即使沒有電子脫扣器或磁脫扣線圈,只要故障電流超過能量脫扣電流值(NSX宣稱25倍額定電流),NSX斷路器同樣動(dòng)作。
我們?cè)儆昧硗庖粡垐D來說明能量脫扣與瞬時(shí)脫扣或磁脫扣的關(guān)系。以NSX250為例,瞬時(shí)保護(hù)整定值為10In,圖中X軸為預(yù)期短路電流,Y軸為允通能量曲線。
A點(diǎn):故障電流達(dá)到了瞬時(shí)保護(hù)整定值10In,此時(shí)斷路器按瞬時(shí)保護(hù)脫扣時(shí)間動(dòng)作,不脫扣時(shí)間為10ms,**脫扣時(shí)間為50ms,即動(dòng)作時(shí)間在10~50ms之間。
B點(diǎn):當(dāng)故障電流大于瞬時(shí)保護(hù)整定值10In,從16In開始動(dòng)作時(shí)間快速降到20ms左右;
C點(diǎn):當(dāng)故障電流達(dá)到了觸頭斥開電流值,觸頭斥開產(chǎn)生的電弧電壓對(duì)故障電流有限流作用。隨著故障電流的進(jìn)一步增大,斷路器動(dòng)作時(shí)間也從20ms降至10ms左右;
D點(diǎn):當(dāng)故障電流達(dá)到了觸頭斥開電流值的1.7倍左右,電流產(chǎn)生的電動(dòng)力足以讓動(dòng)、靜觸頭直接動(dòng)作,開斷時(shí)間10ms左右(能量脫扣)。如前所述,能量脫扣獨(dú)立于其他脫扣器,在這種情況下,電子脫扣器的瞬時(shí)保護(hù)動(dòng)作或磁脫扣線圈的作用,主要是確保斷路器在過電流情況下的脫扣狀態(tài)。
F點(diǎn):曲線的終點(diǎn)代表斷路器的**分?jǐn)嗄芰Α?/span>
四、NSX塑殼斷路器限流原理總結(jié)
經(jīng)過前面的分析,我們對(duì)NSX塑殼斷路器的限流原理總結(jié)如下:
1、限流斷路器是利用觸頭間的“電弧電壓”限流,通過減少限流機(jī)構(gòu)的動(dòng)作時(shí)間和電弧停滯時(shí)間、增大電弧電壓上升率和電弧電壓幅值等措施來提高限流能力;
2、NSX塑殼斷路器具有雙旋轉(zhuǎn)觸頭和U型靜觸頭結(jié)構(gòu),在短路電流產(chǎn)生的電動(dòng)力下快速斥開形成電弧,一方面電弧電壓對(duì)短路電流有限制作用,另一方面電弧能量引燃產(chǎn)氣材料,產(chǎn)生的氣體壓力讓能量脫扣器直接推動(dòng)脫扣機(jī)構(gòu)動(dòng)作,進(jìn)一步降低限流機(jī)構(gòu)的動(dòng)作時(shí)間,提高了限流能力;
3、NSX斷路器的能量脫扣器(氣動(dòng)脫扣)與電子脫扣器或磁脫扣是相互獨(dú)立的。在瞬時(shí)保護(hù)整定值下的動(dòng)作時(shí)間按樣本宣稱,一般為10~50ms,當(dāng)故障電流超過25倍額定電流時(shí),能量脫扣器直接動(dòng)作,脫扣時(shí)間5ms左右。
天下武功,唯快不破!限流斷路器限流能力的強(qiáng)弱與觸頭斥開的快慢有關(guān),與電弧進(jìn)入滅弧柵的速度有關(guān)。無論是雙旋轉(zhuǎn)觸頭、U型靜觸頭結(jié)構(gòu)、能量脫扣(氣動(dòng)脫扣)、滅弧柵片等等設(shè)計(jì),最終目的都是盡一切可能快速產(chǎn)生電弧電壓來限制短路電流。
五、GV2電動(dòng)機(jī)保護(hù)斷路器限流原理
前面我們花了很大篇幅在分析NSX塑殼斷路器的限流原理,相對(duì)于NSX塑殼斷路器,GV2電動(dòng)機(jī)保護(hù)斷路器的限流原理既簡(jiǎn)單又粗暴,簡(jiǎn)單到只要學(xué)過歐姆定律都可以理解其工作原理。
先看GV2電動(dòng)機(jī)保護(hù)斷路器的短路分?jǐn)嗄芰Γ珿V2ME01~14的短路分?jǐn)嗄芰Γ?00kA(400/415V),而且Ics=Icu,但是GV2ME16~32的短路分?jǐn)嗄芰椭挥?5/10kA左右,并且Ics=50%Icu。
按理說GV2斷路器從01到32只有一個(gè)殼架,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)大部分一致,什么原因?qū)е峦瑯託ぜ艿臄嗦菲?,短路分?jǐn)嗄芰Σ町惾绱酥竽兀?/span>
在計(jì)算設(shè)備安裝處預(yù)期三相短路電流時(shí),通常會(huì)用到歐姆定律-電壓除以阻抗,線路側(cè)阻抗越大則短路電流會(huì)越小。
預(yù)期短路電流計(jì)算時(shí)一般不會(huì)考慮低壓元器件本身的回路阻抗,因?yàn)橐话闱闆r下框架斷路器、塑殼斷路器、微斷、隔離開關(guān)、接觸器等產(chǎn)品的觸頭接觸電阻以毫歐計(jì),對(duì)預(yù)期短路電流影響不大。
但是,如果元器件本身阻抗就很大呢?是不是對(duì)預(yù)期短路電流有一定限制作用?這個(gè)想法是對(duì)的,并且有的斷路器就是通過這種簡(jiǎn)單粗暴的方式實(shí)現(xiàn)限流。
由于GV2斷路器回路電阻無公開資料,我們以另一品牌電動(dòng)機(jī)保護(hù)斷路器公開的回路電阻值為例來說明,
你會(huì)發(fā)現(xiàn),越是小電流檔的斷路器,其回路阻抗越大。相對(duì)于NX塑殼斷路器通過雙旋轉(zhuǎn)觸頭和能量脫扣器快速分?jǐn)鄟慝@得電弧電壓的方式限流,GV2等類似斷路器的限流就是通過串接“電阻”來實(shí)現(xiàn)。
增大斷路器回路電阻的方式固然可以降低短路電流,實(shí)現(xiàn)限流的效果,但是我們不要忘了,電流通過電阻會(huì)產(chǎn)生額外的功耗,會(huì)導(dǎo)致斷路器溫度過高。一方面要合理利用電阻的限流作用,另一方面要考慮斷路器溫升在產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)允許范圍內(nèi)。
越是小電流檔的斷路器,通過增大回路電阻實(shí)現(xiàn)限流的效果明顯。越是大電流檔的斷路器,由于溫升的限制,無法再通過增大回路電阻來獲得高分?jǐn)嗪统錾南蘖髂芰?,但可以通過增加限流模塊來實(shí)現(xiàn)。
例如,GV2斷路器與限流模塊GV1L3配合之后,其短路分?jǐn)嗄芰梢蕴岬降健?00kA(400/415V)。
對(duì)比NSX100S與GV2ME01~14斷路器的限流曲線和允通能量曲線,在不加裝限流模塊GV1L3的情況下,兩種斷路器的短路分?jǐn)嗄芰Χ紴?00kA,限流后的峰值電流和允通能量見可見。
通過對(duì)比可以看出,當(dāng)電動(dòng)機(jī)功率較小時(shí),GV2斷路器可以體現(xiàn)其體積小、占比空間小、限流能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。特別是在與接觸器實(shí)現(xiàn)短路協(xié)調(diào)配合方面,正是由于其限流能力強(qiáng),配置的接觸器才會(huì)比NSX斷路器小。
六、總結(jié)
NSX塑殼斷路器的是通過雙旋轉(zhuǎn)觸頭和能量脫扣器等措施,使限流動(dòng)作機(jī)構(gòu)快速動(dòng)作后產(chǎn)生的“電弧電壓”來限制短路電流。
GV2電動(dòng)機(jī)保護(hù)斷路器小電流檔是通過幾個(gè)歐姆到幾十歐姆的回路電阻,來實(shí)現(xiàn)高分?jǐn)嗪拖蘖髯饔谩4箅娏鳈n斷路器受制于溫升,其分?jǐn)嗄芰拖蘖餍Ч黠@降低,只能通過外加限流模塊實(shí)現(xiàn)。
由于GV2斷路器的限流方式更加直接,通過對(duì)比限流后的峰值電流曲線和允通能量曲線,小電流檔GV2的限流效果確實(shí)會(huì)比NSX好,更高電流檔需要增加限流模塊來提高短路分?jǐn)嗪拖蘖髂芰Α?/span>