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断路器分断能力与频率是什么关系?

   日期:2020-11-08     浏览:7    

  我们看到,当线圈中的电流未越限时,衔铁的动作方式不一样。但是当线圈中流过短路电流时,衔铁立即被吸到极靴上,同时发出断路器脱扣命令,让断路器跳闸。

  对于相同的时间内出现的相同大小的短路电流,按50赫兹交流电频率设计的断路器用在60赫兹交流电频率下,断路器的短路脱扣时间会提前;反之,若按60赫兹交流电频率设计的断路器用在50赫兹下,断路器的短路脱扣时间会滞后。

  对于50赫兹,T等于20毫秒;对于60赫兹,T约等于17毫秒。当断路器执行短路脱扣时,它们的动作值会出现近10毫秒的偏差。由于短路电流很大,短路电流的热冲击和电动力冲击会作用在断路器自身的结构上,以及线路上。用行话来说,电流频率的改变会影响到断路器和线路的动、热稳定性。

  由于短路电流很大,60赫兹会比50赫兹更快出现触头斥开。若按50赫兹设计的断路器灭弧系统未按预定方案熄弧,则触头会出现严重烧蚀;反过来,按60赫兹设计的断路器灭弧系统用于50赫兹下,情况会好一些。

  由此可见,触头烧蚀程度受频率的影响较大。也因此,把50赫兹下设计的断路器用在60赫兹下,断路器的触头寿命也即开关电器的电寿命会变短,降低断路器的正常使用时间长度。

  注意到它的磁脱扣器的形式其实就是线圈,而热脱扣器动作来源是双金属片。因此,高频电流会对磁脱扣器产生影响,但对热脱扣器不会产生影响。

  由于框架断路器的短路感应电流是送到电子脱扣器中处理的,因此框架断路器受到高频电流的影响相对较小。

  可见框架断路器磁脱扣器的定时限动作时间与电子式脱扣器的固有定时限动作时间有关,受电流频率的影响较小。

  至于配电网频率和高次谐波对开关电器有何影响,在我的书《低压成套开关设备的原理及其控制技术》第三版中有专门论述:

  一般电网中电压的基波频率是50 Hz或者60Hz,而电压的高次谐波是指频率为基波的奇数倍的电压。

  如果将应用于50 /60 Hz电网频率的低压电器使用在其它额定频率时,必须考虑到电网频率和电流高次谐波对低压电器产生的影响。这些影响主要包括:

  在50-60Hz电网条件下设计的断路器,当使用在频率更低的配电网时,可以使用相同的电流等级。

  在100Hz以上时,断路器的铁制零件将出现发热,在400Hz时铁制零件的负载能力为50Hz时的50%。

  当频率较高时,因为电压周期变短使得电压过零时的电弧散热时间减小,因此断路器的灭弧能力将降低。

  脱扣与测量有关。存在两种情况:其一是发生短路之前已有过载电流流过测量机构,其二是测量机构需要测量突现的短路涌流。两种情况相比较后者比前者要慢若干毫秒。

  因为电子系统非常灵敏,因此在40到400Hz的范围内,电子式脱扣器本身的工作受频率的影响较小,可以忽略不计。

  对于电动机来说,起动电流在50Hz时为工作电流的4至8.4倍,在150Hz时为15倍,在450Hz时为20倍。同时,频率越高功率因数越低,甚至只有0.25。

  对于电磁操作机构,由于交流电磁铁的吸力与磁感应强度的二次方成正比,而磁感应强度又与电磁线圈上加载的电源频率成反比。所以当频率增加时,线圈的吸力就降低,反之就增加。因此当电网电压中含有高次谐波时将使得电磁操作机构的灵敏度降低,此时必须调整控制电压。

  主要是断路器分断短路电流的结构决定。热磁式的断路器主要依靠弹簧机构的驱动分开触头来分断大的短路电流,电磁力在两个频率下差异很小。电子式产品,控制器已经考虑这种差异,影响更小。

  如果拓宽频率范围,就像风电系统,往往要考虑10-100Hz的变化,高频条件下,过零点快,相同结构下更易分断。低频验证往往由于冲击发电机调频能力,直接参考直流结果,低频影响较大。

  对于按50Hz设计的断路器,当用于60Hz时,有利也有弊。因为一个周波时间变短,电弧电流过零点更快,使得过零前的能量积累较低,这样的话,会对分断有利。但是,周波时间变短,也意味着波形的dv/dt更高,波形上升速度更快,对于低压限流式断路器来说,是在短路瞬间的电压上升沿迅速开断的,dv/dt上升会对分断不利。对于可能需1~3个周波以上开断的空气式断路器、压缩空气断路器、中压线断路器,意味着过零后的瞬态恢复电压更快上升,也会造成电弧更容易重燃,对开断不利。

  这种利弊在50/60Hz系统中可能会部分抵消。如果查询施耐德MT框架断路器和NSX塑壳断路器参数,会发现50/60Hz的分断参数是一样的。

  100Hz~400Hz时,这本书说变化也不大,分断能力约10%的下降。个人认为对非限流式断路器应该适用上述结论。但是,对限流型断路器,如施耐德NSX塑壳断路器,样本上400Hz有一个这样的参数表格:

  而在50/60Hz系统中,上述断路器的分断能力是50kA,可见对这种塑壳断路器,实际上分断能力大幅下降。个人认为,这是因为对限流型断路器,当从50/60Hz系统上升到400Hz时,dv/dt的上升速度实在差距太大了,造成上升沿分断困难。而且因为限流断路器开断过程不会延续到电流过零点,所以快速过零带来的优势对这种断路器没有用处。

  不知道你是不是想问谐波是否对断路器分断能力有影响?下图是《工业与民用配电设计手册》(第四版)中的说法。


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