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(lái)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(lái)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(lái)，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(lái)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)斷路器具有極佳的限流能力，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(guò)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(guò)程一般包含四個(gè)過(guò)程，如下圖：
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(lái)說(shuō)，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(guò)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)到其最大峰值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(guò)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)诘谝还?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(guò)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(guò)程，與電子脫扣器或磁脫扣單元無(wú)關(guān)，即使沒(méi)有電子脫扣器或磁脫扣線圈，只要故障電流超過(guò)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。
電力儀表再用另外一張圖來(lái)說(shuō)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，最大脫扣時(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(guò)電流情況下的脫扣狀態(tài)。
E點(diǎn)：當(dāng)故障電流達(dá)到了2倍觸頭斥開電流，斷路器限流作用更加明顯，動(dòng)作時(shí)間會(huì)更短；
F點(diǎn)：曲線的終點(diǎn)代表斷路器的最大分?jǐn)嗄芰Α?/span>
四、NSX塑殼斷路器限流原理總結(jié)
經(jīng)過(guò)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(guò)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(lái)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(guò)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(wú)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(lái)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(guò)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?，GV2ME01~14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(shuō)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?br />
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(guò)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(wú)公開資料，昌暉儀表以另一品牌電動(dòng)機(jī)保護(hù)斷路器公開的回路電阻值為例來(lái)說(shuō)明，其阻值如下表：
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(guò)雙旋轉(zhuǎn)觸頭和能量脫扣器快速分?jǐn)鄟?lái)獲得電弧電壓的方式限流，GV2等類似斷路器的限流就是通過(guò)串接“電阻”來(lái)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(guò)電阻會(huì)產(chǎn)生額外的功耗，會(huì)導(dǎo)致斷路器溫度過(guò)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(guò)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(wú)法再通過(guò)增大回路電阻來(lái)獲得高分?jǐn)嗪统錾南蘖髂芰?，但可以通過(guò)增加限流模塊來(lái)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(jiàn)下圖。
通過(guò)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(guò)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(lái)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(guò)幾個(gè)歐姆到幾十歐姆的回路電阻，來(lái)實(shí)現(xiàn)高分?jǐn)嗪拖蘖髯饔?。大電流檔斷路器受制于溫升，其分?jǐn)嗄芰拖蘖餍Ч黠@降低，只能通過(guò)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(guò)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(lái)提高短路分?jǐn)嗪拖蘖髂芰Α?br />
作者：賓昭平
