浅谈低压交直流控制与保护电器

浅谈低压交直流控制与保护电器

曹红红

国网山西省电力公司晋中供电公司，山西省 晋中市 030600

摘要：在电力配电网自动化控制领域应用先进的智能技术能够更好地满足社会和市场对电器行业的需求，与传统的人工操作相比能够更加快捷、更加方便。同时，还能够有效保障工作人员的人身安全。因此，在新形势下必须加强智能技术的研究和创新，要将智能技术与电器自动化控制进行有效的结合，推动电器自动化技术的优化和升级，提高我国的生产力水平，更好地满足社会和大众的实际需求。

关键词：交低压直流；保护电器；应用分析

1.低压交直流控制设备概述

低压交直流控制设备是一种能根据外界的信号和要求，手动或自动地接通、断开电路，以实现对电路或非电对象的切换、控制、保护、检测、变换和调节的元件或设备。控制电器按其工作电压的高低，以交流1200V、直流1500V为界，可划分为高压控制电器和低压控制电器两大类。总的来说，低压电器可以分为配电电器和控制电器两大类，是成套电气设备的基本组成元件。在工业、农业、交通、国防以及人们用电部门中，大多数采用低压供电，因此电器元件的质量将直接影响到低压供电系统的可靠性。

2.低压控制与保护电器智能化技术分析

2.1智能化低压控制技术

在智能控制领域中，对于新技术的研发使设备自动化水平得到显著增强，并且节省了大量的人力与物力生产成本。同时，也减少了人与机器之间相接触的概率，极大的减少了触电事件的发生几率，使人身安全得到了切实保障。在智能化低压控制技术的应用过程中，具体操作为：创新操作方式，利用直流电源所具备的相关特性，并在此基础上对电路进行智能化的直流操作，以此来降低能源的利用率，对实际工作过程中电压的使用量进行有效的控制，一旦电压出现较大的异常现象，则系统将会立即停止运行。另外，通过直流操作技术，能够使由于接触器振动而产生的磨损情况降到最低，使运行成本得到极大的节省。

2.2电弧故障检测技术

们生产生活的用电量不断增加，在用电安全方面提出了更高的要求。因此，电弧故障检测技术得到人们的广泛关注。在家用配电系统中，电弧故障主要划分为两种形态，一种为串联故障，另一种为并联故障。在串联故障当中，通常主要表现为由于接头松动，而在并联故障中，主要是由于导线之间的部分绝缘失效而成。在串联故障当中电流较小，并且其大小主要取决于回路抗阻。在并联故障当中，电流的大小主要取决于电源侧阻抗。在电弧故障智能检测技术的应用中，需要将电弧特性加入其中，并且通过对噪音信号进行利用的方式，使信号与故障被有效的区分开。

2.3智能配电电器技术

该技术主要是指对灭弧系统中的结构进行适当的改造，然后利用塑料产气的方式进行吹弧，与以往方式相比来看，这种新型技术在对弧室进行改造以后，可以将其划分为三个区域，分别为上部、下部与后部，并且针对不同的区域都能够喷出电弧。利用塑料产气的方式能够使电器在停止运行以后，与金属相电弧之间进行转换，转变为气相电弧，经过转换以后能够使电器在实际应用中的可靠性与有效性得到显著的提升。

3.直流电网下的分断和要求

断路器在直流电网下，从开始分断起，随着电流的减小和分断，主电路电压会急剧升高，并在最大值附近急速波动。该时间段对断路器的触头耐压和分断性能要求最高。断路器的触头开距和机构拉弧动作时间不同，建弧电压的最大值也会不同。一般触头开距越大，燃弧时间越长，弧压越高。加大断路器的触头开距有利于熄灭电弧，其原理是单位时间的电弧能量不变，电压的上升或电弧阻抗的上升可迅速减小电弧电流，并趋向于零，使得电弧更容易熄灭;过长的燃弧时间会造成电弧能量急剧攀升，故障电流无法消灭。触头在ts时刻，故障电流达到电路保护设定的门限值，开始动作。一般要求机械结构设计能做到触头的开断时间＜10ms，最多在15ms左右（一般要求取决于断路器的尺寸和结构），一般要求物理分断时间≤ta（取决于电路中的时间常数和电流、电压水平）。时间常数表示过渡反应速度的物理单位。在电路中，也可被理解为电路对开关状态作出的反应速度。时间常数越大，电路作出的相应反应越慢，反之亦然。举例来说，在电阻、电感的电路中，IL是由初始值IL（0）按指数规律单调衰减到零，其时间常数为L/Ｒ。直流系统在分断过程中完全靠灭弧室利用栅片的散热效应和电压分割降低（＜20V的压降不易产生电弧）来消耗电弧的能量，以使燃弧熄灭。因此电路的时间常数对于选择断路器的分断能力和电弧建压能力就很重要，物理分断后在电弧完全熄灭前还有一定的燃弧时间考虑不同时间常数电路的支撑效应这个时间会略有差异。到ta时间后燃弧完全熄灭，触头两端的电压回到电网额定电压，同时整个分断过程结束。从整个分断过程来说，ts到ta的时间越短越好，这样可尽可能地减少预期短路电流的增长，也可以降低整个电弧的能量，便于分断。这部分的时间主要取决于两点，触头的物理分断速度（即电弧被拉开到最大开距并推向灭弧室的速度），以及燃弧熄灭的时间。燃弧熄灭的速度也取决于电弧的能量，相对来说，分断速度越快也可积累更多的电弧能量，反之减少燃弧熄灭时间。

4.直流电路保护用断路器的不同取向

直流断路器考虑到额定电压、自身触头开距以及建弧电压的要求。一般采用两种方式提高额定电压范围:增加触头的拉弧开距和断点上灭弧室的大小，从而电弧的弧压可被建高，而单位长度的电弧能量降低，使得电弧被分割后更容易熄灭;增加分断点，通过串联方式分担建弧电压和故障电流的能量，且利用多个灭弧室的散热和减压能力使得燃弧自然熄灭。

4.1专用快速直流断路器

第一种方法要增大断路器的物理体积，且对触头的材料、工艺有较高的要求。目前，市场上如赛雪龙（Secheron），GE-repid，还有一些直流真空接触器都是按照这一原理方法增加断路器通断能力和灭弧性能。由于这类断路器的主触头、灭弧室、拉弧开距都相对较大，因此，单极的分断能力足以达到相当高的水平。这类断路器一般根据接地要求只有单极或者两极的产品。同时，这类断路器在保护逻辑上引入了di/dt(短路电流增长初速度)这个概念，相比传统溢出逻辑对于快速增长的故障电流响应更快，而在机构上一般采用灵敏度较高的快速分断设计(一般t≤15ms，且具备一定的与故障电流增长初速度相对应的反时限关系)，因而，也会在一定程度上起到限流作用。

这类工艺设计的缺点是断路器的体积较大，安装、运输的成本相对较高，且此类断路器的生产厂商一般针对小众客户群体供货，整个生产供货周期都会比其他同类通用型的低压元器件要长。产品一般定价也相对高昂，由于断路器的分断建压比较高，对于触头和机构的损耗也会较大，因此，目前这类断路器的使用场合和行业还是局限于一些铁路机车、大动力牵引和60MW以上发电机组灭磁等需要非常高的建弧电压以及时间常数的场合。

4.2通用断路器直流改进型

一些品牌依托其在一般断路器产品领域的技术经验和可靠质量，开始推出适合直流电网使用的万能式断路器改进型。这类产品的显著特点是选型简便，体积小巧(一般仅为专用单极/两极直流断路器的1/4～1/3)，接线方便并且与同系列交流产品在开孔尺寸以及安装位置上都比较接近。

随着传统的交、直流通用的热磁式保护之外的一些专用电子型直流保护单元的推出(如ABB公司的EmaxDC系列)，市场上此类断路器产品已经趋向成熟。在物理分断结构设计上，该类产品一般采用多极串联的方式来分担分断电压，既提高了灭弧室的利用率，又减少了单个触点的分断要求和损耗。

通过多点串联的多断点结构使用，可以有效地均分开断时承受的系统最大弧压，增加断路器触头的寿命，也降低单个触头的制造要求和材料成本，减少频繁操作产生的毛刺几率。目前，市场上大多数塑壳断路器能够做到的直流单极开距有效建弧电压(最小电弧电压，一般为起弧时电弧电压)或单断点的额定开断电压为DC250V。但是考虑到交直流的试验环境不同，对于串联同时开断的机构和触头的同步性要求较高，并非所有制造厂商都有能力制造通过直流多级串联达到高额定直流电压的产品。

结语

综上所述，随着科学技术的持续发展，低压控制电器与智能化技术的结合逐渐提升，同时也成为了低压电器后续发展的主要趋势。因此，需要在实际研究与应用过程中，使二者之间实现更加紧密有效的结合，以此来延长智能电器的使用寿命，提升电器的智能化水平。

参考文献:

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［2］魏震.低压电器设备智能化发展探析[J]．建筑工程技术与设计，2018，(07):78.

［3］张培铭.智能低压电器技术研究[J]．电器与能效管理技术，2019，(15):10－20.