限流断路器利用短路电流流过时在触头回路产生的电动斥力使触头快速分断从而实现“限流”,可以有效减轻电流热效应和电动力效应对下级保护设备的伤害。但同时也带来一个疑问,短路电流所产生的电动力足以使触头斥开并快速分断,如果是一个冲击性电流,持续时间很短很快又恢复正常(如电动机起动),会不会造成触头斥开后又跌落,最终导致触头烧毁。很多年前,此话题曾在某论坛引起激烈的讨论:电动机起动时的峰值电流会造成限流断路器触头斥开拉弧并导致触头烧毁吗?下面我们从断路器“限流”的原理、触头结构、电动斥力产生机理、电动机起动特性和断路器特殊试验等方面回答上述疑问,为断路器选型以及故障分析提供参考。

一、 断路器限流的原理

限流断路器是利用短路电流流过动、静触头时产生的电动力使触头斥开,在触头之间形成快速增长的电弧电压(图1),从而达到限制短路电流的目的。一般用限流系数来表示断路器的限流能力,限流系数是指开断时的最大通过电流峰值ip与预期短路电流有效值Ik之比,系数越小表明该断路器的限流能力越强。

二、限流断路器触头结构及电动斥力

以施耐德NSX塑壳断路器为例,其静触头为U型导电回路,动触头为双旋转式(图2),动、静触头之间通过触头弹簧压紧,接触表面发生变形,仅在分散的一些小斑点上实现金属性接触,电流只能通过这些接触斑点流通,发生如图3所示的电流线收缩现象,根据“同向相吸异向相斥”原则,电流流过收缩线之后产生的电动斥力,称作霍姆力Fh。当动、静触头处于闭合位置时,作用在动触头上的电动斥力,除了因电流线收缩产生的霍姆力外,还有触头导电回路产生的洛伦兹力FL(图4)。当流过断路器的电流足够大(如短路电流),其产生电动斥力的合力大于触头弹簧压力,触头将快速斥开并开始产生电弧电压(此时触头霍姆力随即消失),作用在导电杆上的洛伦兹力会使动触头继续运动,直至触头完全断开。但是,如果此时故障电流突然消失或者是瞬时的冲击性电流,有可能造成动、静触头斥开后又重新跌落,往复如此会导致触头之间拉弧并导致烧毁。

式中K为回路系数,与回路中导体的尺寸和布置有关,并且与两导体的距离成反比。(1)式和(2)式表明,电动斥力(霍姆力和洛仑兹力之和)与电流峰值的平方成正比,因而会随着电流的增大而增大,当电流峰值产生的电动斥力大于触头弹簧压力时,触头斥开。

三、鼠笼式异步电动机的起动特性

图5是典型的异步电动机起动特性曲线,其中Ir为电动机额定电流(有效值);Id为电动机起动电流(有效值),通常起动电流与额定电流的比值为4~8.4;Id”为接通电流峰值(起动电流峰值),是指包括周期分量和非周期分量的全电流最大值,决定于接通瞬间的相位和起动回路电阻与电抗的比值。峰值发生在第一个半波,在第二、第三周波内急剧衰减,通常接通电流峰值(起动电流峰值)不超过起动电流的2倍,个别可达到2.3倍。例如额定电压为380V,额定功率55kw,型号250M-2的鼠笼式异步电动机,其额定电流为100A左右(有效值),起动电流为750.8A(有效值),接通电流峰值最大为:750.8*2.3=1727A。

在“限流断路器触头结构及电动斥力”一节中提到,当流过限流断路器的电流峰值足够大,其产生的电动斥力大于触头弹簧压力时,动、静触头会斥开,那么在电动机保护回路中,电动机起动电流峰值产生的电动力会造成触头斥开吗?断路器制造厂家又是如何避免这种现象发生的呢?

四、限流断路器的特殊试验

要保证限流断路器在电动机起动峰值电流下触头不斥开,需要在试验室进行触头斥开电流试验,以选择合适的触头压力。只要限流断路器的触头斥开电流峰值大于其保护的电动机起动电流峰值,就说明触头压力足够大,可以避免电机起动过程中出现触头斥开的现象。试验既可以用交流低压电源,也可以用直流低压电源进行。用低压直流电源时可以比较精确地确定在一定触头压力下能使触头斥开的电流值。试验时可先调好较大的直流电流,再闭合试验单极模型(图6),用示波器拍摄接触压降波形和电流波形,对应波形上突变的电流值就是触头斥开电流。用交流电源试验时,同样可以用示波器抓取到触头斥开的电流波形和电压波形。

五、总结

限流断路器触头斥开是由电流峰值所产生的电动斥力即霍姆力和洛伦兹力共同作用的结果,当电流足够大的时候(如短路电流),触头斥开形成快速增长的电弧电压,并且在短时间内分断短路电流从而实现“限流”的功能。对于电动机负载,要保证断路器触头在电动机起动时不斥开,那么断路器的斥开电流参数(峰值)就必须大于电动机起动电流峰值,所以断路器厂家会通过斥开电流试验来验证触头压力是否合适,以满足电动机起动时的要求。由于各厂家所生产的限流断路器触头结构不一,触头斥开电流参数也不一样,因而在为电动机选择保护断路器时,务必参考断路器厂家提供的选型指南。对于现场频繁发生限流断路器触头烧毁的情况,在故障分析时,可以比较电动机起动电流峰值与断路器斥开电流(峰值)之间的关系,排除由于断路器触头压力不足或起动峰值电流过大引起触头烧毁的可能性。

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来源:知乎 www.zhihu.com

作者:宾昭平

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