直流快速断路器的动作原理解析

当直流电路发生短路时，其短路电流i按图8-5a中的曲线1上升，最终达稳定短路电流I_km。当电路内装有直流快速断路器时，短路电流增长到其整定电流I_A时，脱扣器开始动作，脱扣器的动作使快速传动机构释放，触头开始分开，也就是经过固有动作时间t₀后触头间出现电弧。如回路电压较高（约300V以上）时，触头之间将产生熔融的金属桥，只有当金属桥断裂后才出现电弧，这样固有动作时间就增长，它为断路器机构动作时间和金属桥断裂时间之和。当触头间出现电弧时，其回路方程式为

触头间出现电弧后，短路电流仍将继续增长，到Ldi/dt=（E-I_r）-U_a=0时，电流达到最大值，即为实际最大分断电流I_k。在达到最大实际分断电流之后，Ldi/dt=（E-I_r）-U_a＜0时，短路电流将按曲线2开始下降。由于灭弧室的作用，电流一直下降到零，电路最终全部分断。

图8-3 热磁式断路器的结构原理图

图8-4 智能型断路器的结构原理图

实际最大分断电流I_k与最大稳定短路电流I_km之比称为限流系数K_i，即

限流系数是评价直流快速断路器的重要性能指标之一，一般要求在0.6以下。由于电动力正比于电流的二次方，因此采用直流快速断路器可将回路的电器设备在短路时所承受的电动力降低到原来的36%以下，这样，既可节省回路和电器设备的投资，又可保证回路设备可靠运行。此外，分断短路电流所产生的热量（）也降低了，这对硅变流装置的短路保护来说尤为重要。

图8-5 断路器断开交直流电路时的波形和时间

a）分断直流电路 b）分断交流电路

根据上述分析，要提高断路器的限流能力，缩短全部断开时间，必须从下列几方面着手：

（1）减少时间t_A 如回路参数（电阻和电感）和开关的整定电流均为一定时，则t_A也一定。但是故障时的di/dt要比正常接通时的di/dt大得多，因此在直流快速断路器中，穿过断路器脱扣器那一部分的母线上采用并联电感的方法来改变短路时电流的增长率，以缩短t_A的数值。不论电磁式还是电子式脱扣器均可采用这种方法。图8-6所示为这种方法的示意图。由图可知

i₁R₁+L₁=i₂R₂+L₂

式中 R₁——并联电感的分路电阻；

R₂——穿过脱扣器部分的母线电阻；(www.xing528.com)

L₁——并联电感；

L₂——穿过脱扣器部分的母线电感。

正常接通时，di/dt极小，Ldi/dt可忽略不计，则

电流是按电阻分配的，一般i₂为i的几分之一到几十分之一。

图8-6 并联电路总示意图

短路时，di/dt很大，Ldi/dtIr，由于L₁L₂，因此i2的增长率大于i₁的增长率，缩短了到达脱扣器整定电流的时间。提早动作的程度决定于并联电感的大小。

（2）减少时间t₀

1）降低脱扣器动作时间。机械保持式和电磁保持式直流快速断路器的脱扣器都以电磁铁作为感受过载、短路和逆电流信号而执行脱扣动作的。因此电磁铁的磁滞时间应尽可能少，或采用特殊磁系统来减少磁滞时间。对机械保持式直流快速断路器还包括脱扣电磁铁撞击锁扣和锁扣解脱的时间，因此其结构应灵巧，以尽量减少动作时间。采用电子脱扣方式，其动作时间极短，是一种比较好的脱扣方式。

减轻可动部分的质量和选择合理的断开特性。可动部分是指动触头以及和它相连的连杆系统，在保证机械强度的条件下，质量越小越好。这样可在同样的作用力下，获得较大的断开加速度。断开特性是指运动的行程和时间的关系，以类似抛物线的断开特性最佳，可提高初始运动速度。采用电容储能感应电动斥力式机构、爆炸式的传动机构以及采用吸引电磁铁撞击式机构都具有这样的断开特性。

2）缩短金属桥断裂的时间。增强触头间的磁场强度使金属桥在强大电磁力作用下迅速运动，电弧被拉长而断裂。

3）缩短燃弧时间t_g。断路器应配有强有力的灭弧室，为增强灭弧效果，还采用磁吹或气吹装置。磁吹既可缩短金属桥断裂的时间，也可缩短燃弧的时间。磁吹有主磁吹和辅助磁吹两种，但在小电流时效果较差。气吹则对小电流效果较好。表8-2列出磁吹和气吹装置的作用原理和适用范围。

表8-2 磁吹和气吹装置的作用原理和适用范围

（续）