提高万能式断路器短路性能指标的方法探讨

如题

提高万能式断路器短路性能指标

的方法探讨

董郁

北京人民电器厂 102600

摘要：本文根据作者的工作经验，并参考国内外产品的先进技术，总结了提高DW45万能式断路器主要技术性能指标的一些方法，可以给广大生产同类产品的制造厂家作为参考。主要探讨如何提高极限短路分断能力ICU、运行短路分断能力ICS和短时耐受电流ICW。

关键词：极限短路分断能力 运行短路分断能力 短时耐受电流 分断 灭弧 热稳定性 电动力稳定性

0 前言

DW45万能式断路器是我国低压电器行业联合开发的第三代低压电器的代表产品，其整体技术水平达到了国际先进水平，分断能力有了较大提高，尤其是智能控制器的使用更是一次技术上的飞跃。

由于DW45在国内市场上拥有不可比拟的优势，迅速得到广大用户的认可，其销量不断攀升，据统计，目前国内年产量近20万台。我国的部分断路器制造企业也因这个产品得到了长足发展。

但是，市场应用对产品的要求不断提高，在某些方面已经超出了DW45原有的能力。再加上国外品牌的产品也提高了主要的技术指标，国内市场竞争比较激烈，这些都给断路器的制造厂商带来巨大压力。

因为DW45系上世纪九十年代的产品，其当时的技术指标对于现今的市场应用来说，有些已经不能满足。对于这种情况，我国国内的制造商主要采取两种路线：一种是针对第三代产品进行二次开发，使新产品的整体水平获得提高，以满足市场需求；一种是提高现有产品的主要技术指标，以满足市场需求。通过设计改进和严格的试验验证，断路器制造企业都取得了良好的效果。

本文以DW45-2000这一壳架等级为例，针对提高断路器的短路性能指标，提出一些方法。 1 DW45主要的技术指标及其含义

DW45自投放市场以来，经过多家企业的生产和改进，基本上都达到了一个较高的水平。比如DW45-2000壳架等级普遍能达到的指标是：额定极限短路分断能力ICU=额定运行短路分断能力ICS=额定短时耐受电流ICW（1s）=50kA，而且在这个水平上DW45-2000的性能发挥稳

定、可靠。

下面主要从试验方法上介绍这些指标的具体含义。我国针对低压电器及低压断路器的国家标准GB14048.1和GB14048.2中详细描述了断路器的试验方法和要求。

1.1 额定极限短路分断能力

GB14048.2中定义短路分断（接通）能力是“在规定的条件下包括短路条件在内的分断（接通）能力。”定义极限短路分断能力是“按规定的试验程序所规定的条件，不包括断路器连续承载其额定电流能力的分断能力。”

在GB14048.2中，额定极限短路分断能力作为断路器的主要特性，需要通过完整的试验程序来验证，包括的试验有：验证过载脱扣器，额定极限短路分断能力，验证介电耐受能力，验证过载脱扣器。

主要的试验在于额定极限短路分断能力试验。预期试验电流为制造厂标称的ICU值，其

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试验程序为o-t-co，表示断路器首先进行一次断开操作，经过一段时间间隔，然后断路器在闭合操作后经一适当的间隔时间紧接着一次分断操作。

o操作在断路器闭合的前提下进行，突然接通试验电源，试验电路中产生短路电流，使断路器瞬时动作，进行分断。本操作用以验证在正常使用情况下断路器所安装的主电路突然出现故障时，断路器能否分断标称的短路电流。

co操作在试验电源提前接通的情况下，断路器闭合的过程中将电路接通，产生短路电流，紧接着断路器瞬时动作，进行分断。本操作用以验证在接通电源之前电路中已存在故障，断路器能否接通并分断标称的短路电流。

t表示在两次短路操作之间要有一定的间隔时间。在这段时间里断路器（主要是接触系统）应恢复到初始状态，为后续试验做准备。

验证介电耐受能力，在至少1000V试验电压的情况下，规定的时间内是否发生闪络或绝缘击穿现象，用以验证断路器的绝缘水平保持良好。

经过上述试验程序，表明断路器在分断完成后，能够达到完全断开电路的效果，而且脱扣器功能正常，断路器不需要继续承载电流，但需保持绝缘性能以保证安全。

因此，断路器的额定极限短路分断能力可以理解为，触头等接触系统可以发生损坏，但是断路器必须能够可靠分断的最大电流值。

1.2 额定运行短路分断能力

GB14048.2中定义运行短路分断能力是“按规定的试验程序所规定的条件，包括断路器连续承载其额定电流能力的分断能力。”

额定运行短路分断能力也是断路器的一个重要特性。GB14048.2中规定的验证额定运行短路分断能力的试验程序包括：额定运行短路分断能力，操作性能验证，介电耐受能力，验证温升，验证过载脱扣器。

额定运行短路分断能力试验，预期试验电流为制造厂标称的断路器ICS值，试验操作程

序为o-t-co-t-co，与额定极限短路分断能力相比，增加了一次合分操作。

操作性能验证，主要是进行规定次数的“储能-闭合-断开”操作循环，而且为通实际电流试验，用以验证在运行短路分断能力试验后，断路器是否还能继续操作并接通电流。

验证介电耐受能力，用以验证断路器的绝缘水平是否良好。

验证温升，通一定时间的额定电流，在温升达到稳定后测量接线端的温升，用以验证断路器是否能够继续正常使用。

验证过载脱扣器，用以验证断路器的脱扣器是否能够保持正常功能。

经过上述试验程序，表明断路器在分断完成后，不但能够达到完全断开电路的效果，而且主要功能依然正常，能够继续使用。

因此，断路器的额定运行短路分断能力可以理解为，经过分断短路电流后，断路器的主要部分不发生严重损坏，能够继续使用的最大电流值。

1.3 额定短时耐受电流

额定短时耐受电流是使用类别B的断路器具备的特性，GB14048.2中规定使用类别B为“在短路情况下，断路器明确作串联在负载侧的另一保护装置的选择性保护，即在短路情况下，选择性保护有人为短延时（可调节）。”

额定短时耐受电流值是使用类别B类的断路器的重要指标，它决定了断路器所安装系统的选择性保护的范围，而万能式断路器一般属于安装类别Ⅳ类的电器，因此这个指标更为重要。

与额定短时耐受电流相应的短延时时间也是表示该特性的重要指标，一般随着电流的增大而减小，它也决定了选择性保护的程度。

GB14048.2中规定了额定短时耐受电流的试验程序包括：验证过载脱扣器，额定短时耐

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受电流，验证温升，最大短时耐受电流下的短路分断能力，验证介电耐受能力，验证过载脱扣器。

在进行额定短时耐受电流试验时，应关闭所有的保护功能，确保断路器在通试验电流的短时间内不断开。断路器应能承受住标称的短时耐受电流，包括热作用和电动力作用产生的影响。该试验用以验证断路器是否能够确保其下级断路器先动作切除故障电流而本身不分断，以确保选择性保护的实现。

验证温升，用以验证经受短时耐受电流后，触头和导电系统是否被损坏。

最大短时耐受电流下的短路分断能力试验，其操作程序为o-t-co。对于o操作，断路器应在短延时短路脱扣器的最大时间整定值的短时间内保持短时闭合；对于co操作，如果断路器有接通电流脱扣器，若预期电流超过预定值，它将动作。即断路器需进行标称短路电流的短延时分断，以验证其分断能力是否满足选择性保护的要求，但对装有具有接通分断（MCR）功能脱扣器的断路器，co操作只需进行瞬时动作，将电流分断即可。该试验用以验证断路器作为下级断路器的后备保护时的可靠性。

验证介电耐受能力和验证过载脱扣器，用以验证断路器的绝缘性能和脱扣器的功能是否正常。

经过上述试验程序后，表明断路器具有对标称电流的短时耐受能力，能够进行选择性保护。

因此，额定短时耐受电流可以理解为，在配电系统中，断路器进行选择性保护的范围和程度。其电流值越大，表示能够承受的短路故障电流越大，进行选择性保护的范围越大；其延时时间越长，表示能够串联的断路器数量越多，选择性保护的程度越深。

上述试验程序只是单独进行某项试验时的程序。实际上，根据ICU、ICS和ICW的关系，可

以适当调整试验程序，进行综合试验，但主要的试验环节必须进行。

2 主要的技术改进措施

低压电器涉及到多个学科的知识。从断路器的主要结构部分来分，智能控制器主要涉及电子技术和计算机技术，触头与材料科学的关系密切，接通和分断涉及到电接触和灭弧理论，操作机构和整体又涉及到力学。

从断路器制造企业的实际情况出发，改进断路器的上述三大指标，最主要的是对智能控制器、触头和灭弧室、导电系统（软连接）的改进。

下面以DW45-2000这一壳架等级为例说明如何提高断路器的短路性能指标。

2.1 提高额定极限短路分断能力和额定运行短路分断能力

这两个指标主要是针对断路器断开操作以及合分操作。

仅就分断而言，在交流的情况下，电流本身有过零点效应，DW45-2000万能式断路器凭借其分断速度和触头开距,再加上较大的灭弧室空间和灭弧栅片，是完全能够胜任的。因此，改进的主要目的是更利于后续验证试验。

图1 动触头的改进

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这两个操作中，最关键的因素可以归结为两方面：一个是分断电流的时间，一个是电弧燃烧的时间。这两个因素决定了分断短路电流对断路器触头和灭弧室的影响。试验电路接通瞬间，电流迅速上升，在到达峰值之前，分断越早，触头分断的电流就越小，因此越有利于分断；电弧燃烧的时间越短，飞溅的触头金属颗粒越少，对触头的损坏程度就越小，同时灭弧室内的绝缘性能保持越好。

对于DW45万能式断路器来说，不具有磁脱扣器，仅依靠电子式控制器很难达到限流的效果，因此改进智能控制器在极大程度上缩短通电时间，只能够减少热和电动力效应的影响，提高断路器在分断时的稳定性，这对抽屉座的稳定性更有利。

对触头和灭弧室的改进作用比较明显。

DW45-2000原触头系统设计中，动触头为并排10片，安装后高度一致，距静触头距离相同，这样电弧损坏任意位置的几率相同，不利于触头的保护。可以对触头进行改进，使中间的动触头片高于两侧其他动触头，作为弧触头，其他触头即为主触头。在断路器闭合时弧触头先闭合，断路器分断时，弧触头后断开。这样，主要的机械和电弧损伤由弧触头承担，有效保护了主触头，有利于后续操作性能和温升试验。

DW45-2000原灭弧室设计中，灭弧栅片距触头距离远，且引弧边为水平直线边，这样只有强制使电弧进入灭弧室才能发挥作用。可以将灭弧栅片加长，拉近与触头的距离，直线边改为倒抛物线边，这样更有利于电弧的引入，使灭弧时间大大缩短，有效的减少电弧对触头的损伤。

图2 灭弧室的改进

经过一系列的改进，DW45-2000的额定极限短路分断能力和额定运行短路分断能力得到很大的提高，达到了ICU=ICS=80kA，且分断动作时间可以达到15ms，全分断时间能够保持在

20ms以内。

2.2 提高额定短时耐受电流

额定短时耐受电流是改进比较困难的指标，它主要针对断路器的耐受能力，对于热和电动力的破坏只能承受而不能避免。因此，如果说前面两个指标的提高一定程度上是通过减少应力，则这个指标的提高完全依赖于提高强度。

通过进行实际的增大短时耐受电流的试验，我们发现，DW45-2000的主要故障点为软连接和抽屉座。软连接损毁一般发生在800ms以后，而且固定为中间极的软连接断开；抽屉座的故障主要表现在触桥部分终压力不足，发生微小的弹跳，造成触桥触头和断路器母线表面烧损，使导电情况恶化，进而使触桥接触部分完全烧损。

通过研究和验证发现，软连接的损毁并不是单纯由于热效应导致超出软连接的承受范围，使铜丝熔化，而是热和电动力联合作用的结果，电动力的破坏占比例更大。

实际的情况是，在长达1s的时间里，每一条铜辫始终都承受着电动力的作用，两边的铜辫在电动吸力的作用下向中间弯曲最明显，其中间所受向两端的拉力也最大。当积攒的热

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量使软连接温度上升、铜丝软化、强度不足以继续承受拉力时，两边的铜辫便最先断开。电流再由剩下的软连接承担，由于余下的导电截面积更小，导致温度更高，软连接持续的“软化-断开”直至最后一根，然后产生巨大的电弧。由于软连接部分没有分断功能，所以直到电弧燃烧到软连接的根部，电压不足以支撑弧柱继续拉长电弧才最终熄灭。

简单的试验可以证明，增加软连接的横截面积或增大触头终压力，对减小断路器的电压降没有明显的作用，因此只有提高断路器的热稳定性和电动力稳定性才是解决问题的办法。在这两个方面中，提高动稳定性即提高铜辫的抗拉强度是关键。

图3 改进后的动触头

一种可行的办法是，将软连接的中间部分用两片铜板夹紧。铜板的尺寸既不能过大而影响断路器动触头运动，也不能过小而起不到紧固铜辫的作用。两片铜板之间可设计少量栅片起到进一步固定铜辫位置的作用。经过改进后，软连接中部最薄弱的环节被加固，软连接的结构强度由铜板进行有效支撑，大电流产生的电动吸力不能再将软连接中部收缩变弯进而产生拉力，就不会被拉断。改进的另一个好处是，铜板的导电性能和导热性能与软连接相同，这样软连接中部因电阻降低使发热量降低，铜丝的强度得到保持，并且铜板也可以起到散热的作用，软连接本身的热量也能够传递给铜板，进一步降低温度。

针对抽屉座的改进通过增加触桥触头弹簧终压力的办法，提高动稳定性，使触桥接触系统的导电情况始终保持良好，这样就可以有效防止电动力造成的弹跳而引起电弧。

试验证明，针对DW45-2000的上述改进是完全可行的，其额定短时耐受电流能够提高到65kA（1.0s）。经过完整的试验程序验证后，软连接和抽屉座仍处于良好的状态，这说明，突破原设计的瓶颈后，该项技术指标仍有一定的提高空间。

通过对原设计的技术改进，大幅度提高了产品的技术指标，使得现有产品保持住在市场上的竞争力。一方面使得断路器制造企业可以在短时间和较小投入的情况下提高了产品的技术水平，另一方面也验证了DW45作为第三代低压电器的代表产品所具有的卓越性能。

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3 改进动稳定性的新技术

近年来万能式断路器出现一种双断点桥式触头的结构形式，以寺崎公司的TemPower2万能式断路器AR系列为代表。采用这种结构形式的断路器具有明显的优点。

图4 AR系列断路器结构

首先，双断点可以有效的加快熄灭电弧。因为采用双断点结构，电弧长度是单断点的2倍，灭弧栅片数量也是单断点的2倍。由于弧柱压降和近极压降都增加，使电弧维持电压增加，当实际电压即电路开路电压不足以维持电弧燃烧时，电弧自然熄灭。而且，双断点结构介质恢复强度大，不利于电弧重燃，也有效的避免了电弧的背后击穿而重燃。因此，有利于ICU和ICS的提高。

其次，由于导电系统为桥式，没有软连接，避免了薄弱环节，有效提高了整个导电系统的热稳定性和动稳定性，有利于ICW的提高。通过专门的设计，使得断路器在经受大电流时，

动静触头间的总电动吸力大于总电动斥力，有利于保持触头闭合不斥开，也有利于ICW的提高。

该系列的万能式断路器，由于具有上述结构上的特点，能够达到ICW(1s)=ICS，具有较高

的性能水平。

4 结语

额定极限短路分断能力ICU、额定运行短路分断能力ICS和额定短时耐受电流ICW作为万

能式断路器的三大技术指标，决定了它的性能水平和市场竞争能力。低压电器的一个发展趋势就是提高分断能力，万能式断路器更要实现全范围选择性保护，即ICU=ICS=ICW。因此，采

用各种技术提高主要技术指标，无论从提高低压电器技术水平方面还是提高低压电器制造企业的市场竞争力方面都是十分必要的。

参考文献

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2．何瑞华，尹天文，《我国低压电器发展现状及趋势》，电气工业2003年11期

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4. 陈德桂，《近期低压电器技术发展的几个动态》，中国电工技术学会低压电器专业委员会第13届学术年会，2007年1月

5. TERASAKI ELECTRIC CO.,LTD，《TemPower2 ACB》，产品样本