喬卿陽(yáng)，沈宇鵬，許太亞

斷路器電子脫扣器輸出繼電器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

喬卿陽(yáng)1，沈宇鵬2，許太亞2

（1.武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064；2. 武漢長(zhǎng)海電氣科技開(kāi)發(fā)有限公司，武漢 430064）

針對(duì)斷路器電子脫扣器驅(qū)動(dòng)，本文設(shè)計(jì)了一種繼電器觸點(diǎn)雙極串聯(lián)輸出方案。介紹了負(fù)載的性能要求，詳細(xì)闡述了負(fù)載回路的工作原理。試驗(yàn)證明該方案提高了電子脫扣器的分?jǐn)嗄芰ΓＷC了斷路器的工作可靠性。

斷路器 觸點(diǎn)雙極串聯(lián) 分?jǐn)嗄芰?/p>

0 引言

直流斷路器是直流電力系統(tǒng)重要的保護(hù)元件，其保護(hù)功能可通過(guò)電磁脫扣器與電子脫扣器實(shí)現(xiàn)。電磁脫扣器通常實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)，在出現(xiàn)過(guò)載工況時(shí)，電磁脫扣器保護(hù)實(shí)現(xiàn)比較困難，此時(shí)需要電子脫扣器作為后備保護(hù)，實(shí)現(xiàn)斷路器的短路保護(hù)和過(guò)載保護(hù)功能。

斷路器作為保護(hù)元件，為保證其控制電源的供電可靠性，通常采用220VDC蓄電池供電方式為其提供控制電源，斷路器操作機(jī)構(gòu)及分合閘線(xiàn)圈的工作電壓即為220VDC。在空氣中開(kāi)斷電路時(shí)，只要電壓在12~20 V，被開(kāi)斷電流在0.25~1 A，在電器的觸頭間隙就會(huì)產(chǎn)生電弧[1]。電侵蝕是觸頭損壞的主要原因，在閉合狀態(tài)下電弧對(duì)觸頭的危害很小，但是在分?jǐn)噙^(guò)程中，由于分?jǐn)噙^(guò)程歷時(shí)較長(zhǎng)，在整個(gè)分?jǐn)嗟钠陂g，由于金屬材料的觸頭間的轉(zhuǎn)移和液態(tài)金屬的濺射以及金屬蒸汽的擴(kuò)散，將對(duì)電器產(chǎn)生很大的危害[2]。直流電流的分?jǐn)噙^(guò)程中，電弧沒(méi)有過(guò)零點(diǎn)，電弧難以熄滅，導(dǎo)致小型功率繼電器難以實(shí)現(xiàn)較高的直流電流分?jǐn)嗄芰Γ⌒凸β世^電器的分?jǐn)嚯妷阂话悴怀^(guò)125VDC，難以滿(mǎn)足直流斷路器的工作需要。通過(guò)以上分析可知，提高繼電器的觸頭弧壓及縮短繼電器分?jǐn)鄷r(shí)間是提高繼電器分?jǐn)嗄芰Φ年P(guān)鍵。本文設(shè)計(jì)了一種輸出繼電器觸點(diǎn)雙極串聯(lián)的電子脫扣器，提高了輸出繼電器斷口弧壓，提高了電子脫扣器的分?jǐn)嗄芰?，大大提升了電子脫扣器的工作可靠性?/p>

1 斷路器分閘回路電氣原理

斷路器分閘回路電氣原理圖見(jiàn)圖1。斷路器分閘可通過(guò)兩個(gè)回路實(shí)現(xiàn)。當(dāng)分閘信號(hào)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，分閘線(xiàn)圈得電，分勵(lì)脫扣器動(dòng)作，斷路器實(shí)現(xiàn)分閘操作。斷路器分閘動(dòng)作到位后，分閘信號(hào)斷開(kāi)或者QF輔助開(kāi)關(guān)由常閉觸點(diǎn)轉(zhuǎn)換為常開(kāi)觸點(diǎn)，分閘線(xiàn)圈失電，完成電動(dòng)操作分閘過(guò)程。

斷路器出現(xiàn)過(guò)載或斷路工況時(shí)，電子脫扣器輸出分閘信號(hào)，分勵(lì)脫扣器驅(qū)動(dòng)信號(hào)觸點(diǎn)閉合，分閘線(xiàn)圈得電，分勵(lì)脫扣器動(dòng)作，斷路器實(shí)現(xiàn)分閘操作。斷路器分閘動(dòng)作到位后，QF輔助開(kāi)關(guān)由常閉觸點(diǎn)轉(zhuǎn)換為常開(kāi)觸點(diǎn)，分閘線(xiàn)圈失電，斷路器完成保護(hù)動(dòng)作，此時(shí)分勵(lì)脫扣器驅(qū)動(dòng)信號(hào)斷開(kāi)。

圖1 斷路器分閘回路電氣原理圖

通過(guò)電動(dòng)操作進(jìn)行操作時(shí)，由于分閘信號(hào)觸點(diǎn)容量通常較大，滿(mǎn)足分閘線(xiàn)圈功率要求，故電動(dòng)操作過(guò)程對(duì)分閘信號(hào)操作時(shí)序無(wú)特殊要求，其閉合時(shí)間滿(mǎn)足斷路器分閘時(shí)間即可。即若斷路器分閘時(shí)間為60 ms，則分閘信號(hào)閉合時(shí)間超過(guò)60 ms即可。

若通過(guò)電子脫扣器進(jìn)行斷路器分閘操作，由于電子脫扣器分閘輸出繼電器觸點(diǎn)容量通常不能滿(mǎn)足分閘線(xiàn)圈功率要求，分勵(lì)脫扣器驅(qū)動(dòng)信號(hào)不能實(shí)現(xiàn)回路的分?jǐn)喙δ堋楸Ｗo(hù)電子脫扣器輸出繼電器不受損壞，回路的分?jǐn)啾仨氂奢o助開(kāi)關(guān)QF實(shí)現(xiàn)。

圖2 斷路器動(dòng)作時(shí)序圖

在圖2中，若斷路器電動(dòng)操作分閘時(shí)間如實(shí)線(xiàn)所示，即分勵(lì)脫扣器驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出時(shí)間大于QF轉(zhuǎn)換時(shí)間，則回路分?jǐn)嘤奢o助開(kāi)關(guān)QF實(shí)現(xiàn)，斷路器實(shí)現(xiàn)正常分閘過(guò)程。

若斷路器電動(dòng)操作分閘時(shí)間如虛線(xiàn)所示，則分勵(lì)脫扣器驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出時(shí)間小于QF轉(zhuǎn)換時(shí)間，回路的分?jǐn)嘤呻娮用摽燮鬏敵隼^電器實(shí)現(xiàn)。若繼電器分?jǐn)嗳萘啃∮谪?fù)載功率，斷路器分?jǐn)噙^(guò)程可能失敗。

現(xiàn)有的電磁式繼電器大多為交流繼電器，具有較好的交流電流分?jǐn)嗄芰?，直流分?jǐn)嗄芰Σ?。在直流滅弧中，電弧的電壓值?yīng)在整個(gè)燃弧過(guò)程中高于被分?jǐn)嗟闹绷鞴ぷ麟妷?，但不能高到危及設(shè)備絕緣的程度[3]。本論文提出了一種繼電器雙極串聯(lián)輸出的方案，提高了繼電器的弧壓，縮短了繼電器的分?jǐn)鄷r(shí)間，提高輸出繼電器的分?jǐn)嗄芰?，提高了電子脫扣器的工作可靠性?/p>

3 雙極串聯(lián)的繼電器輸出電路

圖3 繼電器雙極串聯(lián)電路圖

繼電器雙極串聯(lián)電路圖如圖3所示。圖中6、8為一極，2、4為一極。繼電器閉合時(shí)，2、4和6、8同時(shí)接通，負(fù)載得電。繼電器斷開(kāi)時(shí)，2、4和6、8兩對(duì)觸點(diǎn)同時(shí)斷開(kāi)，負(fù)載斷開(kāi)回路。

繼電器觸點(diǎn)為機(jī)械觸點(diǎn)，在機(jī)械觸點(diǎn)斷開(kāi)過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生電弧。電弧的存在使繼電器的成功分?jǐn)啻嬖诤芏嗖淮_定性。在電器設(shè)計(jì)中，經(jīng)常采用提高弧壓的方式提高斷路器的分?jǐn)嗨俣?，減少對(duì)斷路器觸頭的侵蝕。我們可將繼電器觸點(diǎn)視為小型的斷路器觸點(diǎn)，則可采用提高繼電器斷口弧壓的方法，提高繼電器的分?jǐn)嗄芰Α?/p>

假設(shè)回路電源電壓為U，負(fù)載阻抗為R，負(fù)載感抗為，在負(fù)載斷開(kāi)時(shí)，電路暫態(tài)電流為，負(fù)載斷口電壓為U，可列出繼電器分?jǐn)鄷r(shí)的暫態(tài)方程：

換算可得：

在繼電器觸點(diǎn)斷開(kāi)的過(guò)程中，電壓擊穿空氣產(chǎn)生電弧，電弧為導(dǎo)電等離子氣體，繼續(xù)提供電流的流通路徑，同時(shí)由于有電流流經(jīng)電弧，電弧會(huì)產(chǎn)生一定的電壓，U即為繼電器觸點(diǎn)的弧壓。

若弧壓U與電源電壓U相等，即U=U，則公式2左端為0，由于RL和L均不為０，故此時(shí)可滿(mǎn)足等式成立條件，即繼電器斷口弧壓達(dá)到電源電壓值時(shí)，回路電流降到０，回路斷開(kāi)。

從上述計(jì)算可以看出，提高弧壓U是提高繼電器分?jǐn)嗄芰Φ年P(guān)鍵。假設(shè)在單極斷口中，斷口建立弧壓為U，則公式２可變換為：

而在雙極串聯(lián)電路中，繼電器存在兩個(gè)觸點(diǎn)斷口，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)弧壓U和U。由于繼電器斷口觸點(diǎn)材質(zhì)、開(kāi)距及電流等參數(shù)一致，則UU，此時(shí)公式(２)變換為：

即在繼電器雙極串聯(lián)情況下，繼電器觸點(diǎn)斷口弧壓提高到了原弧壓的兩倍。隨著弧壓的提升，負(fù)載阻抗R及感抗的分壓減小，回路電流下降。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文選用歐姆龍公司G6B-2214-US-DC24V繼電器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。G6B-2214-US-DC24V為單穩(wěn)態(tài)雙極輸出2a接點(diǎn)繼電器，采用某型斷路器的分勵(lì)線(xiàn)圈作為負(fù)載，線(xiàn)圈阻抗431W，測(cè)試回路工作電源DC220V。測(cè)試回路電流采樣電阻阻值3.3W。

實(shí)驗(yàn)中，分別測(cè)試G6B-2214-US-DC24V繼電器單極斷開(kāi)線(xiàn)圈負(fù)載的電流和斷口電壓波形及G6B-2214-US-DC24V繼電器雙極串聯(lián)斷開(kāi)線(xiàn)圈負(fù)載的電流和斷口電壓波形。

圖4 繼電器單極斷開(kāi)負(fù)載波形圖

圖4為繼電器單極斷開(kāi)負(fù)載的波形。圖5為繼電器雙極串聯(lián)斷開(kāi)負(fù)載的波形。圖中通道1為回路電流，通道1中采樣電阻為3.3W，故電壓值/3.3即為回路電流值。通道2為負(fù)載線(xiàn)圈兩端電壓，通道3為繼電器斷口電壓。

在圖4中，分?jǐn)嗲巴ǖ?電壓值1.68 V，可算得電流值為0.509 A，分?jǐn)噙^(guò)程中測(cè)得電壓1.2 V，回路電流為0.363 A。在繼電器分?jǐn)噙^(guò)程中，通道3測(cè)得的弧壓最高值為28 V。從繼電器開(kāi)始產(chǎn)生弧壓至回路電流降為0的時(shí)間為17.2 ms，即繼電器分?jǐn)鄷r(shí)間為17.2 ms。

圖5 繼電器雙極串聯(lián)斷開(kāi)負(fù)載波形圖

在圖5中，分?jǐn)嗲巴ǖ?電壓值1.68 V，可算得電流值為0.509 A。分?jǐn)噙^(guò)程中由于串聯(lián)電弧的急劇變化，回路電流呈現(xiàn)較大的波動(dòng)，總體電流較圖4中出現(xiàn)較大下降。在繼電器分?jǐn)噙^(guò)程中，通道3測(cè)得的弧壓最高值為44 V。從繼電器開(kāi)始產(chǎn)生弧壓至回路電流降為0的時(shí)間為6.8 ms，即繼電器分?jǐn)鄷r(shí)間為6.8 ms。

繼電器觸點(diǎn)的侵蝕大部分發(fā)生在觸點(diǎn)分?jǐn)噙^(guò)程中，分?jǐn)嚯娏髟酱?，分?jǐn)鄷r(shí)間越長(zhǎng)，則對(duì)繼電器觸點(diǎn)的侵蝕越嚴(yán)重，可能導(dǎo)致繼電器壽命的降低。通過(guò)上述數(shù)據(jù)可以看出，在雙極串聯(lián)工況下，繼電器弧壓有較大提升（提升了將近1倍），繼電器的分?jǐn)鄷r(shí)間由17.2 ms降低為6.8 ms，而分?jǐn)嚯娏鲃t出現(xiàn)的明顯的下降。故在雙極串聯(lián)工況下，可大大改善繼電器觸點(diǎn)侵蝕的情況。

4 結(jié)論

通過(guò)以上理論計(jì)算，并通過(guò)實(shí)際測(cè)試，在繼電器單極分?jǐn)嗪碗p極串聯(lián)分?jǐn)嗟那闆r下，繼電器的斷口弧壓由28 V提升至44 V，且繼電器的分?jǐn)鄷r(shí)間有17.2 ms降至6.8 ms。由以上實(shí)驗(yàn)可得出繼電器的雙極串聯(lián)可大大提高繼電器的分?jǐn)嗄芰Γ岣呃^電器的工作可靠性，大大提高了電子脫扣器的工作可靠性。

[1] Rieder W R. Low current arc modes of short length and time: A review[J]. IEEE Transactions of Components and Packaging Technologies, 2000, 23(2): 286-292.

[2] 劉教民. 低壓電器開(kāi)關(guān)電弧運(yùn)動(dòng)機(jī)理及仿真[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2013: 26-27.

[3] A.?？? M . 施梅爾茨勒. 開(kāi)關(guān)電器技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1984: 14-15.

Design and Test of Output Relay of Circuit Breaker Electronic Release

Qiao Qingyang1, Shen Yupeng2, Xu Taiya2

(1.Wuhan Institute of Marine Electrical Propulsion, Wuhan 430064, China;2.Wuhan Changhai, Wuhan 430064,China)

TM561

A

1003-4862（2019）12-0062-03

2019-04-17

喬卿陽(yáng)（1989-），男，工程師。研究方向：電力電子技術(shù)，繼電保護(hù)。E-mail: 379385267@qq.com