摘　要：討論了小型交流斷路器在直流電路中的滅弧原理。由于直流熄弧電流不存在自然的過零點(diǎn)，因此必須強(qiáng)制過零才能熄滅直流電弧。分析了直流電路中電感和時(shí)間常數(shù)對直流電弧熄滅的影響。在分析交、直流瞬時(shí)脫扣整定電流的差別的基礎(chǔ)上，給出了選擇斷路器的要點(diǎn)。最后，介紹了小型交流斷路器在直流電路中的實(shí)際應(yīng)用。 關(guān)鍵字：小型斷路器　直流電路　熄弧　瞬時(shí)脫扣值 　　 1 概　述 　　 隨著終端保護(hù)電器的小型交流斷路器越來越廣泛的應(yīng)用，直流電路的保護(hù)對斷路器的需求也日趨增加。除了小型直流斷路器外，小型交流斷路器也大量地使用在直流電路中，本文以施耐德電氣公司生產(chǎn)的小型交流斷路器為例說明如何在直流電路中使用交流斷路器及應(yīng)注意的問題。 　　 2 直流電路熄弧原理 　　 由于直流電路的電流不存在過零點(diǎn)，所以在熄弧時(shí)必須強(qiáng)制直流燃弧電流等于零，或使電流接近于零（< 10 A） ，才能使電弧熄滅。下面簡述有關(guān)直流穩(wěn)態(tài)電流分析短路熄弧原理，穩(wěn)態(tài)電流可以理解為分?jǐn)嚯娐窌r(shí)的額定電流、過載電流或短路電流。其等效電路圖如圖1所示。 在電路穩(wěn)態(tài)時(shí)，即觸頭未分?jǐn)嗲埃娏鞯某跏紶顟B(tài)為ia = E/ R ，直流電路在分?jǐn)嗳蓟r(shí)的等效方程式如下： 從以上的分析中看出，當(dāng)電弧電壓大于電源電壓時(shí)，電弧電流的導(dǎo)數(shù)小于零，說明電弧電流ia呈下降趨勢; 當(dāng)電弧電流ia 趨近于零時(shí)，電弧趨于熄滅。 直流電弧的熄弧條件為：當(dāng)電弧電壓大于電源電壓時(shí)，電弧趨近于熄滅。否則，電弧處于穩(wěn)定燃燒階段，ia = （ E - ua） / R ，如圖2 所示。 圖2 中，P 點(diǎn)ua > E ，電弧電流開始減少，直到電弧熄滅。直流電弧熄弧的要點(diǎn)在于： ①電源電壓越小對熄弧越有利; ②斷路器應(yīng)使電弧電壓快速上升，盡快達(dá)到和超過電源電壓，上升和超過電源電壓快慢決定電流熄弧的快慢。 　　 3 直流電路中的電感和時(shí)間常數(shù)對直流電弧熄弧的影響 　　 眾所周知，直流電路中電感是個(gè)儲能元件，在燃弧時(shí)，電感要向電路和電弧中釋放其線圈儲存的能量。電路的電感越大，釋放的能量越大，電弧越難熄滅。 對式（1） 等式兩邊同乘d ia/ d t ，然后積分，積分的區(qū)間邊界為：當(dāng)t = t0 時(shí)，ia = ia0 ，當(dāng)t = ta（燃弧時(shí)間） 時(shí)，ia = 0 （電弧熄滅） 。即 　　 等式的左項(xiàng)表示電弧燃弧時(shí)的能量;右邊第1 項(xiàng)表示電源能量;第2 項(xiàng)表示電阻消耗的能量;第3項(xiàng)表示電感儲存能量。 上式表明電弧燃燒時(shí)，電感儲存的能量（正號） 的作用同電源相同，向電弧提供能量，增加電弧燃燒的能量。同時(shí)，電阻的作用在電弧燃燒時(shí)消耗電弧能量（負(fù)號） 。 電路的時(shí)間常數(shù)τ= L / R 間接表示了電路的負(fù)載性質(zhì)和電路電感的大小，電感越大分?jǐn)鄷r(shí)電弧的能量越大，熄弧越困難。相反電弧容易熄滅。如τ= 0 為純阻性負(fù)載，電弧最容易熄滅。 有關(guān)交直流兩用的小型斷路器的國際標(biāo)準(zhǔn)IEC60898-2 ：2000 中對直流電路規(guī)定了兩種時(shí)間常數(shù)τ= 4 ms 或τ= 15 ms ，它表示短路時(shí)短路直流電流上升到0. 63 倍最大峰值電流時(shí)所需的時(shí)間，τ= L / R （ms） （見圖3） 。 由于電感限制電流具有突變的特性，以及時(shí)間常數(shù)和電路電感的正比關(guān)系，時(shí)間常數(shù)的大小間接表示了電路電感的大小，時(shí)間常數(shù)越大電流的變化越慢，在實(shí)際應(yīng)用中斷路器分?jǐn)喽搪冯娏髟嚼щy。所以，短路試驗(yàn)中IEC6089822 ：2000 就規(guī)定了>1500A 的較大短路電流對應(yīng)較小的時(shí)間常數(shù)τ= 4 ms 進(jìn)行試驗(yàn)，≤1500A 可采用4ms 或15 ms 任何一種時(shí)間常數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)。從該標(biāo)準(zhǔn)可以看出，時(shí)間常數(shù)對于斷路器分?jǐn)喽搪冯娏鞯挠绊憽? 4 交流和直流瞬時(shí)脫扣值的區(qū)別 　　 小型交流斷路器瞬時(shí)脫扣特性中規(guī)定B、C、D 等不同類別。例如C 類的小型交流斷路器瞬時(shí)脫扣值規(guī)定為額定電流5～10 倍，工廠瞬時(shí)脫扣值是按照有效值整定的，但實(shí)際上交流斷路器瞬時(shí)脫扣器是螺管線圈的構(gòu)造，它的脫扣電流是峰值電流，為有效值的1. 414 倍?？紤]直流的特點(diǎn)，其電流值對應(yīng)交流有效值。其短路電流不存在類似交流的峰值問題，所以小型交流斷路器在直流電路中應(yīng)用時(shí)它的瞬時(shí)脫扣值應(yīng)乘以一個(gè)系數(shù)（約1. 4） 。例如，C 類的小型交流斷路器在直流中應(yīng)用時(shí)它的瞬時(shí)脫扣值范圍應(yīng)為1. 4 ×5 In～1. 4 ×10 I n = 7 I n～14 I n 。由此可知，在直流電路中應(yīng)用時(shí)，交流斷路器瞬時(shí)脫扣器的實(shí)際電流脫扣值要高于在交流電路的瞬時(shí)脫扣值。這也是為什么在直流電路中直流短路電流較交流短路難以分?jǐn)嗟牧硪粋€(gè)原因。表1 給出小型交流斷路器在直流線路中瞬時(shí)脫扣值的變化。 　　 5 選擇斷路器幾個(gè)要點(diǎn) 　　 5. 1 　直流整流電路過流保護(hù) 直流整流電路的過流保護(hù)一般考慮采用在交流側(cè)的熔斷器或斷路器的保護(hù)方案，可根據(jù)整流電路、負(fù)載和直流側(cè)工作電流來選擇交流斷路器的額定電流、額定電壓和分?jǐn)嗄芰Α? 5. 2 　電池組直流電源的過流保護(hù) 舉例說明：一電池組的容量為500 Ah 。最大放電電壓240 V （110 塊2. 2 V 的電池串聯(lián)） 。每塊電池內(nèi)阻為0. 5 mΩ（電池組內(nèi)阻Ri = 55 mΩ） 。電源在選擇斷路器時(shí)應(yīng)考慮以下3 點(diǎn)： （1） 選擇斷路器的工作電流。I = U/ Z ，Z為電路和設(shè)備阻抗，Z = Ri + R = U/ I ，當(dāng)R mRi ，Ri 可忽略不計(jì)。R = 20 Ω 時(shí)，I = 240 V/ 20Ω= 12 A。斷路器額定工作電流可選擇16 A。 （2） 選擇斷路器的額定短路能力。Icu =U/ Ri = 240 V/ 0. 05 Ω= 4 kA?？蛇x擇具有6 kA或10 kA 的直流短路保護(hù)能力的斷路器。如果電池組的內(nèi)阻未知，可近似計(jì)算所選用的斷路器的短路保護(hù)能力，用公式Ics = KC ，C 為電池容量，單位為Ah ，K 為系數(shù)，10 ≤K < 20 ，一般選擇10 ，但不超過20 （如，Ics = 5 kA） 。交流斷路器可采用多極串聯(lián)的方式來提高其直流分?jǐn)嗄芰Α? （3） 選擇斷路器的工作電壓?？筛鶕?jù)電池的放電電壓（也認(rèn)為是直流電路的電源電壓） 決定所選擇斷路器的工作電壓。斷路器的額定工作電壓要大于電池組的放電電壓。 　　 6 交流斷路器在直流電路中的串聯(lián)使用 　　 電路中，單相交流電壓為220 （230） V、440V ;而直流電路電壓為24 、48 、60 、125 、220 （250） 、440 V。交流斷路器在直流電路中應(yīng)用時(shí)重點(diǎn)要考慮直流電路的電壓問題。直流電路的電壓越高，電弧電壓大于電源電壓的熄弧條件越難滿足，電弧越不容易熄滅，故交流斷路器分?jǐn)嘀绷鞫搪冯娏髟嚼щy。 交流斷路器在直流電路應(yīng)用中要提高其直流分?jǐn)嗄芰栴}，尤其對于電壓較高的直流電路電壓，簡單有效的辦法是將多極斷路器串聯(lián)使用。 　　 多極交流斷路器串聯(lián)有以下兩個(gè)作用： （1） 在分?jǐn)嘀绷鞫搪冯娏鲿r(shí)，相當(dāng)在電路中串聯(lián)若干個(gè)電弧動態(tài)電阻，增加電弧電阻起到對短路電流的限流作用，同時(shí)也提高電弧的燃弧電壓和減小電路的時(shí)間常數(shù)，從而可提高斷路器的直流分?jǐn)嗄芰Α? （2） 降低每一弧隙電壓。例如，兩極斷路器串聯(lián)在250 V 的直流電源中，每弧隙電壓為125V ，減少了1/ 2 電壓，即燃弧時(shí)，弧隙電弧減少了1/ 2 的能量，這樣有利與電弧的熄滅。 　　 7 直流應(yīng)用電路 　　 在直流應(yīng)用時(shí)是否將交流斷路器串聯(lián)使用取決于直流工作電壓和直流供電系統(tǒng)。首先要考慮的是直流電路電源電壓但同時(shí)也要考慮直流供電系統(tǒng)的形式。IEC60898 ：222002 規(guī)定額定電壓為230V 小型交流單極斷路器在直流電路中使用時(shí)直流電源電壓一般不能超過220 V ，> 220 V 直流電壓應(yīng)考慮斷路器的二極串聯(lián)使用。從更安全的角度上講建議當(dāng)直流電壓為125 V 時(shí)使用二極串聯(lián)使用，> 125 V 時(shí)，可考慮三極和四極斷路器串聯(lián)，以提高斷路器的分?jǐn)嗄芰?。? 為交流斷路器多極串聯(lián)時(shí)的直流分?jǐn)嗄芰Α? 　　 由表2 可見： ①串聯(lián)的極數(shù)和直流電源電壓成正比，直流電壓越高，需要交流斷路器的串聯(lián)極數(shù)越多; ②同一直流電源電壓下，串聯(lián)的極數(shù)越多，斷路器的直流分?jǐn)嗄芰υ礁? ③一般直流電源電壓在60 V 及以下時(shí)，選擇單極斷路器即可，在125 V 時(shí)可以選擇使用2 極串聯(lián)，在250 V 及以上時(shí)可以選擇3 極或4 極串聯(lián)使用; ④表2 給出的是在時(shí)間常數(shù)τ= 15 ms 條件下的試驗(yàn)參數(shù)，τ對斷路器分?jǐn)嗄芰Φ挠绊懸姷? 節(jié)的敘述; ⑤從表2 的數(shù)據(jù)可見，串聯(lián)后的直流短路分?jǐn)嗄芰σh(yuǎn)高于交流斷路器本身的分?jǐn)嗄芰?。若無需過高分?jǐn)嗄芰筛鶕?jù)負(fù)載和電路電壓的情況減少斷路器的串聯(lián)極數(shù)。參考IEC6089822∶2000 ，提出常用幾種直流電路應(yīng)用見表3 。 　　 8 結(jié)　語 　　 （1） 只要了解交流斷流器在直流電路中應(yīng)用的特點(diǎn)，分析不同的直流供電系統(tǒng)，負(fù)載阻抗和短路電流等情況，小型交流斷路器完全可在直流電路中應(yīng)用。 （2） 隨著我國等同采用IEC60898 ：2000《家用和類似用途的過電流保護(hù)斷路器　第2 部分：用交流和直流的斷路器》的新國家標(biāo)準(zhǔn)的編制和頒布，并對其應(yīng)用起到指導(dǎo)和規(guī)范的作用。