1 交流斷路器使用于直流電路的問(wèn)題
隨著社會(huì)主義建設(shè)的發(fā)展,應(yīng)用直流電的區(qū)域和部門越來(lái)越多,如發(fā)配電系統(tǒng)、城市和礦山的牽引車、電氣化鐵道、化工、冶金及國(guó)防工業(yè)等。按交流50Hz設(shè)計(jì)的塑料外殼式斷路器(以及萬(wàn)能式斷路器)能否使用于直流電路作線路保護(hù)之用呢?經(jīng)歷多年的實(shí)踐說(shuō)明,可以使用,但其電流的整定值及接線等需要作一些更改或修正。
1.1 保護(hù)特性
1.1.1 過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)特性
(1)熱動(dòng)式(雙金屬元件脫扣器)
由雙金屬元件直接加熱(直熱式)或由發(fā)熱元件發(fā)熱,熱量傳給旁邊的雙金屬元件(旁熱式),由于直流電流平均值與交流的有效值的發(fā)熱效果是相同的,因此交流與直流基本上無(wú)變化。但當(dāng)額定電流大于1500A時(shí),因集膚效應(yīng)等因素,
交流電流有效值產(chǎn)生的熱量要大于直流,但影響不是太大,所以熱動(dòng)式的雙金屬元件脫扣器用于直流是不需要作任何更改的。但是熱動(dòng)式中的有一些規(guī)格,例如額定電流600A及以上采用CT式(電流互感器式),利用互感器的副邊電流供給雙金屬元件或發(fā)熱元件作發(fā)熱源,則不可能用于直流電路。
(2)全電磁式(液壓式,即俗稱的油杯式脫扣器)
交流(50Hz)的斷路器(其脫扣器為全電磁式)在直流電路中使用時(shí),動(dòng)作特性要變化。變化的范圍為110%—140%原動(dòng)作電流(這是考慮直流電源絕大部分經(jīng)交流整流和濾波后所得),所以在直流電路中用全電磁式交流斷路器時(shí),其脫扣器要重新設(shè)計(jì)。
1.1.2 瞬時(shí)脫扣器
凡是采用電磁鐵作電磁脫扣器(瞬時(shí)動(dòng)作脫扣器)者,其瞬動(dòng)電流整定值將有所變化,變化率取決于直流的波形。對(duì)于經(jīng)交流整流,又予以濾波的直流電路,其瞬時(shí)動(dòng)作整定電流約為交流的1.30倍,如交流的瞬動(dòng)是10In(In為額定電流)則斷路器用于直流電路,應(yīng)將其出廠試驗(yàn)時(shí)調(diào)整到13In,其整定誤差值(例如±20%)可以不變。
1.1.3 電子式脫扣器
無(wú)論是過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)或是短路瞬時(shí),原按交流50Hz設(shè)汁的電子式脫扣器都無(wú)法使用在直流電路。
1.2 短路電流的通斷
眾所周知,50Hz的交流電流,每秒鐘有100次的電流過(guò)零點(diǎn)。在此瞬間無(wú)電流,即使斷路器的動(dòng)、靜觸頭間有電壓(如是純電感負(fù)載,i=0時(shí)U最大,純電容負(fù)載也是如此,純電阻負(fù)載,i=0,U=0),電弧也比較容易熄滅。但直流電流無(wú)過(guò)零點(diǎn)這一特性,電弧切斷有相當(dāng)大的困難。使用交流50Hz的斷路器于直流電路作保護(hù)電器時(shí),必須采取多斷點(diǎn)的接線方式。
多斷點(diǎn)的接線方式有兩種,一是串聯(lián),二是并聯(lián),如圖1、圖2所示。
圖1中的多種型號(hào)斷路器運(yùn)用的直流電壓應(yīng)是250V。
對(duì)于直流系統(tǒng),只要電壓值一致,則原用于交流的欠電壓脫扣器和分勵(lì)脫扣器,不需作任何的改變,可用于直流電路。

2 按50Hz設(shè)計(jì)的斷路器使用于高頻電路
在工業(yè)范圍內(nèi),有些工業(yè)部門對(duì)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)了較高的頻率,例如紡織工業(yè)中使用的高速電動(dòng)機(jī),其頻率達(dá)100—120Hz,木材加工工業(yè)中使用的同頻電動(dòng)機(jī)頻率達(dá)300Hz,航空工業(yè)中的一些設(shè)備,其頻率規(guī)定為400Hz等(電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n,n=60f/p,n與頻率f成正比)。
如果使用按50Hz設(shè)計(jì)的斷路器于高頻電路,則斷路器的特性需作何種變化呢?
2.1 導(dǎo)體的發(fā)熱、負(fù)載能力的降低問(wèn)題
交流導(dǎo)體有集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)。集膚效應(yīng)等使得導(dǎo)體的截面只有一部分用來(lái)流通電流,因此導(dǎo)體的交流電阻將隨頻率的增大而呈線性的增高。對(duì)于直徑為10mm的銅線來(lái)說(shuō),可利用的截面是:
在1kHz時(shí),約為50Hz的60%;
在10kHz時(shí),約為50Hz的20%。
另外,這種高頻還將對(duì)導(dǎo)體相鄰的鐵磁性材料產(chǎn)生磁感應(yīng),引起“磁滯損耗”。“磁滯損耗”是隨頻率的增高而迅速增加的,對(duì)相鄰的金屬材料還會(huì)產(chǎn)生“渦流損耗”,“渦流損耗”也隨頻率的升高而增大。所以,隨著頻率的增高,由集膚效應(yīng)而使導(dǎo)體電阻的變大,且使與斷路器連接電路的相鄰部件如轉(zhuǎn)軸、操作機(jī)構(gòu)、緊因件等金屬材料件的磁滯和渦流損耗增加,如使用同樣的負(fù)載電流,斷路器的溫升勢(shì)必超過(guò)其產(chǎn)品的規(guī)定值,引起產(chǎn)品熱老化,導(dǎo)致斷路器使用壽命的降低。
由于以上原因,斷路器的負(fù)載能力(額定電流),將按式(1)變化:

式中 fx——高于50Hz的電網(wǎng)頻率
In(fx)——頻率為人時(shí)的負(fù)載能力(額定電流)
In(50Hz)——頻率為50艙時(shí)的負(fù)載能力(額定電流)
按式(1)計(jì)算得出表1的允許工作電流值與頻率的關(guān)系,如表1示。
由表1可知,大約從100Hz起,為保持允許的發(fā)熱極限,其允許的工作電流(額定電流)必須相應(yīng)地降低。
2.2 母線排的負(fù)載能力
在頻率超過(guò)50Hz時(shí),母線排的允許工作電流(額定電流)可按式(2)得出:
式(2)反映了導(dǎo)體截面的利用率

1kHz時(shí),In (1000Hz)=22%In (50Hz);
10kHz時(shí),In (1000Hz)=7%In (50Hz)。
2.3 高頻時(shí)斷路器的短路分?jǐn)嗄芰?
交流電器開(kāi)斷短路電流時(shí),使電弧熄滅在于電流的過(guò)零點(diǎn),只有在過(guò)零點(diǎn)后采用滅弧手段,阻止電弧重燃,才能有效地分?jǐn)嚯娀 nl率較高時(shí),電流迅速地一個(gè)又一個(gè)地過(guò)零,縮短了每個(gè)半波的電弧周期,斷口間隙(打開(kāi)的動(dòng)、靜觸頭之間)中的電離度,小于50Hz時(shí)的電離度,由于周期短,高頻時(shí)的去游離度也小于50Hz時(shí)的去游離度,因此高頻時(shí),電弧的熄滅,較50Hz有利有弊,根據(jù)實(shí)測(cè),從50—100Hz的這個(gè)范圍,短路分?jǐn)嗄芰旧献兓淮螅词故?00—400Hz,分?jǐn)嗄芰Φ慕档停膊贿^(guò)在10%左石。
2.4 高頻時(shí)斷路器的脫扣器動(dòng)作特性的變化
(1)過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)反時(shí)限特性(熱動(dòng)脫扣、即雙金屬元件脫扣器),它是直接通過(guò)工作電流的發(fā)熱(或通過(guò)發(fā)熱電阻元件發(fā)熱,將熱傳遞給邊上的雙金屬元件)或通過(guò)電流互感器的副邊電流來(lái)加熱,使雙金屬元件受熱彎曲,經(jīng)一定的空行程延時(shí),最終推動(dòng)脫扣件使斷路器跳閘的。
在頻率在500Hz之內(nèi),主要熱量來(lái)自導(dǎo)體的正常發(fā)熱,由高頻引起的感應(yīng)熱量,實(shí)際上是很小的,可以忽略不計(jì),脫扣時(shí)間僅比50Hz時(shí)略快一點(diǎn)。當(dāng)頻率大于500Hz時(shí),感應(yīng)發(fā)熱就不容忽視了,頻率越高,脫扣時(shí)間就越短。因此,當(dāng)使用于大于等于50Hz電源時(shí),用戶應(yīng)向制造廠特殊訂貨,由制造廠采用適用的材料并在裝配時(shí)調(diào)整雙金屬元件的距離,以適應(yīng)高頻電路的需要。
(2)瞬時(shí)動(dòng)作脫扣器
用非延時(shí)電磁鐵式過(guò)電流脫扣器作短路保護(hù)用的瞬時(shí)動(dòng)作脫扣器是一種電流型脫扣器,它的動(dòng)作與其通過(guò)電磁鐵的電流大小成正比(嚴(yán)格地說(shuō),產(chǎn)生電磁吸力是與通過(guò)它的磁勢(shì),即電流值和繞它的線圈匝數(shù)的乘積成正比的)。除了電流值外,還和電流存在(保持)的時(shí)間有密切關(guān)系。頻率為50Hz時(shí),電磁式脫扣器約在一個(gè)半波峰值電流時(shí)就能動(dòng)作,即在半波時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的吸合力就足以使脫扣器的動(dòng)鐵芯(銜鐵)被吸往其終端位置,而使斷路器跳閘。頻率較高時(shí),半波時(shí)間變短,銜鐵要在達(dá)到的有效值時(shí)才能動(dòng)作,顯然,如果不提高電流值,高頻時(shí)是無(wú)法在半波時(shí)間僅50Hz的50%(對(duì)100Hz而言),25%(對(duì)200Hz而言),甚至12.5%(對(duì)400Hz而言)時(shí)就動(dòng)作。國(guó)外有些大的制造廠家對(duì)頻率從最小的162/3Hz(美國(guó)有使用此頻率的)到500Hz的電源作了大量試驗(yàn),試驗(yàn)表明,頻率越高,所需提高的電流值就越大,其線性上升比例大體上為1:√2。即如果頻率為16×2/3Hz的電流為500Hz時(shí),到了500Hz,其電流值要提高到500×√2=707A。
(3)欠電壓脫器和分勵(lì)脫扣器
國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定:
欠電壓脫扣器:70%—35%Ue, 釋放(斷路器斷開(kāi))
85%—110%Ue,閉合(斷路器接通)
分勵(lì)脫扣器: 70%—110%Us,吸合(斷路器斷開(kāi))
以上的Ue為電源電壓,Us為控制電壓。
由于以上兩種脫扣器均是電壓線圈,其電磁吸力取決于Φ值,Φ=BS。
按公式 U/≈4.44 fBSW來(lái)設(shè)計(jì)磁通Φ的大小。
BS= U/4.44 fW
式中 B——磁感應(yīng)強(qiáng)度
S——電磁鐵芯的截面積
設(shè)電磁鐵的吸力為F
F∝B2·S
現(xiàn)在提出以50Hz設(shè)計(jì)的欠電壓或分勵(lì)脫扣器使用于高頻電路,就表明電磁鐵的機(jī)構(gòu)(鐵心式樣、截面積、磁路長(zhǎng)度等)均是不變化的。
吸力F既與B、S成正比,而B(niǎo)值又與施加的電壓值和頻率f及線圈匝數(shù)W等有關(guān),經(jīng)轉(zhuǎn)化,對(duì)交流電磁鐵(電壓線圈)來(lái)說(shuō),其吸力F為:

式中 lc——鐵芯的磁化長(zhǎng)度
δ——電磁鐵的鐵芯與銜鐵之間的空氣氣隙
μ0——空氣中的導(dǎo)磁率
g——單位長(zhǎng)度的漏磁通
從式(3)可見(jiàn),保持吸力F不變,U、S和lc、δ、g等均不變,而f變大了,就必須改變線圈的匝數(shù),使fW乘積不變,假如50Hz時(shí)W是10000匝,fW=500000安匝,如今f變?yōu)?00Hz,則匝數(shù)應(yīng)減到原匝數(shù)的十分之一。
按上述,使用者應(yīng)向制造廠申請(qǐng)供應(yīng)高頻用欠電壓或分勵(lì)脫扣器,(制造廠在重新設(shè)計(jì)時(shí),不單純把匝數(shù)降下來(lái),還得考慮線圈的激磁電流等問(wèn)題,而且還有許多工藝措施要跟上。)