1、5531（201105-0011-03Analysis of Structural Characteristic for Moulded Case Circuit Breaker Double-break TechniqueWU Jinhui（Shanghai Hualian Low Voltage Electric Co.,Ltd.,Shanghai 201111,China Abstract :The limiting technique of low voltage circuit breaker and the principle of double-break interruptin
2、g technique was introduced.The structural characteristics as well as the advantages and disadvantages of modeled case circuit breaker （MCCB which was represented by the double-break technique were analyzed too.Key words :low voltage circuit breaker ;moulded case circuit breaker （MCCB ;double-break ;
3、arc ;interrupting technique0引言由于现代电网容量的不断提高,对于低压断路器的开断能力的要求也越来越高,分断能力与体积是各断路器生产厂家的主题,在提高开断能力的前提下,尽量缩小产品的体积,一方面可以为开关柜等设备节约大量空间,另一方面还可以节约Cu 、Ag 等贵重金属。为了提高断路器的分断能力,一般来说,是提高其限流能力,让短路电流限制在一定的范围,以减小短路电流的能量和破坏力。为了提高限流能力,主要有2个途径:充分利用触头回路之间的电动力,使触头快速打开到一定距离,产生电弧,利用提高电弧电压来限制电路电流（电动力包括洛仑兹力和收缩电动力,洛仑兹力是利用二平行导电体之
4、间的电磁效应而产生,收缩电动力也叫霍姆力,是指二触头间因接触面积急剧减小,电流线收缩而产生的电动力,该结构特点是围绕电弧能量理论和电磁理论而发展的;是通过研究新的导电材料,利用其正温度系数下电阻值的显著变化来高效吸收故障电流产生的能量,进行无弧分断;方案由于无电弧产生,其安全性能远远高于基于电弧理论的产品。但是,新材料的研制需要花费大量经费,并且取决于科研单位的研发水平,目前还有很大的困难,相比较而言,方案的应用比较广泛而深远。本文主要讨论的是塑壳断路器。1双断点技术的原理及型式进入20世纪90年代以来,基于双断点技术为标志的断路器幸运而生,其基本原理在于利用整个回路开断后产生2个断点,相应的
5、产生2个电弧电压,即u arc =u arc1+u arc2。根据电弧理论,产生一个电弧,相当于产生一个大电阻,在短路电流过来时,电弧燃烧可以消耗吸收大量能量,从而达到限流的目的。显然,双断点型结构较传统的单断点型结构消耗的电路能量的能力提高了一倍。从国外各公司的产品的分断能力来看,采用双断点技术的产品,最高分断能力达到150kA ,并且做到I cu =I cs 。具体分断能力数据如表1所示。11低压电器（2011No.5表1国外各大公司塑壳式断路器的相关技术数据生产公司产品型号最高分断能力I cu （AC 400V /kA 机械寿命/次电寿命/次外形尺寸/（mm mm mm GEFD63/1
6、6015010000/250005000/1000081.0130.078.5FE1601504000020000104.7170.086.0FE25015010000/250005000/10000104.7170.086.0施耐德NS1001505000030000105.0161.086.0NS1601504000020000105.0161.086.0NS2501502000010000105.0161.086.0NS400150150006000140.0255.0110.0NS630150150004000140.0255.0110.0ABBT max T2852500080009
7、0.0130.070.0T max T4120（L 型250008000105.0205.0103.5T max T5120（L 型250008000140.0205.0103.5目前双断点技术主要有二种结构,一种是平行式双断点,如图1（a 所示;另一种是旋转式双断点,如图1（b 所示。二种结构的动触头均为一体化结构联动,2个断口处的电动力作用于同一动触头上,因而受到的电动斥力为原来单断点U形结构的2倍,这样提高了电弧电压上升速度,同时还可以满足断路器较小尺寸的要求。（a 平行式双断点（b 旋转式双断点图1双断点限流结构Tmax 系列采用上述双断点限流的结构,NS 和Record Plus 均
8、采用旋转式双断点。国内公司也相继开发了双断点型的产品,大多以旋转式结构为主。2双断点型断路器结构优点分析目前市场上以双断点技术为代表的塑壳断路器以优秀的开断能力而著称,它主要综合了以下几个特点:（1形成双断点电弧区,以此大幅度提高电弧电压,强力限流,分断能力高。如上所述,双断点形成二个电弧电压区,损耗的能量是单断点的2倍,因此,可以大量的吸收电路能量,限流能力强,分断指标高。（2充分利用电动斥力,快速打开触头系统,快速吸弧,快速限流。在触头系统设计上仍采用了传统的U 形回路,产生电动力推开触头系统,产生电弧,并可利用回路的自励磁场,驱动电弧快速进入灭弧室;灭弧室仍采用金属栅片将长电弧分割为短弧
9、,金属栅片还可以吸收能量,大量传递热能,利用三聚氰胺等产气材料产生氢气,冷却电弧。（3防跌落式触头系统的设计。此结构是一大亮点,各种双断点型断路器均设计了此结构,动触头可以利用导电回路产生的电动力,优先断路器的操作系统动作,提前打开触头系统,并可以使21动触头打开后保持打开状态,防止因限流而使动触头回落,以防止电弧重燃,在操作机构动作完成后,动触头可以重新返回原来状态,这样产品的开断时间非常短,断路器开断时间可以达到3ms左右,动作时间快,使短路电流持续时间减小,实现大幅度的限流。（4消除软联结、结构简单。由于动触头采用一体化结构,不需要像传统的单断点型产品那样焊接软联结,结构简单了。（5机械
10、寿命和电气寿命比较高。从表2看,双断点型产品的机械寿命都在25000次以上,电气寿命也在5000次以上。（6其他。各公司的产品都在提高分断能力及可靠性方面有了很多结构设计。如NS的产品,采用封闭的灭弧室,单独的气流通道,提高了气吹电弧能力。Tmax系列,操作机构主要集中封闭在产品上部,有利于减小电弧及金属粒子对操作机构的影响,提高动作可靠性。3双断点型断路器结构缺点分析双断点技术存在一定的局限性,在设计和生产过程中应该重视并尽可能减少这些不足之处,主要表现在以下几个方面:（1操作力大。由于产品内部有2个断点,触头压力提高了1倍,相应的对操作机构的操作力也有了较大的提高,这是市场上双断点机构的共
11、有特点。解决方法是在操作机构设计上想办法,尽量增大力臂或改变传动方式,以减小操作力。（2产品温升较单断点型高。由于每相增加了一个断点,接触电阻增加了1倍,相应的温升也会有所提高,在要求所耗铜材变化不大的前提下,主要靠提高接触压力和增厚镀银来解决,平均起来还是会较单断点产品高一些,对弹簧等耐温能力的要求相应提高。为解决温升问题,一方面要保证必须的接触压力,另一方面要增大一定的导电截面积。（3成本高。成本因素是电触头数量增加了1倍,耗银量增加;是灭弧室数量亦增加了一倍;是零件的加工工艺难度加大,三者均制约了成本。（4体积有所增大。由于考虑操作力不能过大,加上灭弧室的放置空间等影响,双断点型产品的体
12、积一般较单断点型大一些,如表1、表2所示。表2单断点产品的机械寿/电寿命及外形体积生产公司产品型号机械寿命/次电寿命/次外形尺寸/（mmmmmm备注ABB公司S12500080007812070单断点型S22500080009012070单断点型S32500010000/8000105170103.5单断点型S42000010000/8000105254103.5单断点型S5200007000/5000140254103.5单断点型S6200007000/5000210268103.5单断点型常熟开关厂CM1-63H900060007613582单断点型CM1-100H850060009015
13、586单断点型CM1-225H70003000105165103单断点型CM1-400H40002000140257103单断点型CM1-800H40001500210275103单断点型（5短时耐受电流能力未明显提高。限流型断路器的通病是对短时耐受能力的制约。塑壳断路器以A型产品为多,不利于发展为B型产品,即使是B型产品,短时耐受电流也不高。主要原因是:产品体积小,导电截面积小;电动回路限流的使用;两者导致的后果是导电触头系统的电动力很强,电流线密集,电热稳定性减弱,触头（下转第27页31分布式电源er-based micro-gridsJ.Electric Power Systems Re
14、-search,2007（77:1204-1213.2温小林.独立光伏系统中四桥臂逆变器的数字控制J.电气开关,2009（4:12-14.3DUGAN R C,MCDERMOTT T E.Distributed gener-ationJ.IEEE Industry Application Magazine,2002,82,8（2:19-25.4林金燕,王正仕,陈辉明,等.一种高性能三相四桥臂逆变器控制器的设计J.中国电机工程学报,2007,27（22:101-105.5乐健.基于统一数学模型的三相四线有源电力滤波器的电流滞环控制策略分析J.中国电机工程学报,2007,27（10:85-90.6
15、刘秀翀,张化光,陈宏志.四桥臂逆变器中的第四桥臂的控制策略J.中国电机工程学报.2007,27（33:87-92.7杨晓波,邬伟扬.四桥臂逆变器输出电压负序分量抑制研究J.电力电子技术,2007,41（5:22-23. 8王正仕,林金燕,陈辉明,等.不平衡非线性负载下分布式供电逆变器的控制J.电力系统自动化,2008,32（1:48-51.9张方华,丁勇,王慧贞,等.四桥臂三相逆变器的特定谐波消除控制J.中国电机工程学报,2007,27（7:82-87.10mendalek N.Sliding Mode Control of Three-PhaseFour-Leg Shunt Active P
16、ower FilterJ.IEEE TransPESC2008,7:4362-4367.11WANG X G.Three-Phase Four-Leg Active PowerFilter Based on Nonlinear Optimal Predictive ControlCIEEE Trans.Proceedings of the27th ChineseControl Conference,2008:217-222.12ZMOOD D N,HOLMES D G.Stationary Frame Cur-rent Regulation of PWM Inverters with Zero
17、 Steady-state ErrorCProc of PESC1999.SC,USA,1999:1185-1190.13胡文华,马伟明,刘春喜.一种新型交流PI调节器及其在逆变电源中的应用J.电气传动,2010,40（1:38-42.14FRANCIS B A,WONHAM W M.The internal modelprinciple of control theoryJ.Automatica,1976,12（5:457-465.15孔雪娟,王荆江,彭力,等.基于内模原理的三相电压源型逆变电源的波形控制技术J.中国电机工程学报,2003,23（7:67-70.16张晓勇,王军,李川,等.基
18、于三维空间矢量中分量控制的三相四桥臂逆变器J.电力自动化设备,2010,30（12:70-73.收稿日期:檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿20110117（上接第13页间震动大、发热大,均不利于提高短时耐受电流能力,双断点型断路器在此方面未能明显改善。（6双断点燃弧能量的不平衡。断路器的电磁场和电弧非常复杂,受影响的因素众多,2个断点很难做到开断一致,故容易造成燃弧能量的不平衡问题,也就是2个断点的电弧能量的差异性,使灭弧室的损耗和电触头的损耗均不一致,并且会形成恶性循环,制约着产品的可靠性。特别是对于平行式双断点,两者损耗相差太大时,可
19、能使另一只电触头上无电流或者电流很小,电弧电压亦减小,重新变为单断点结构,起不到应有的双断点作用,这是平行式双断点的最大弊病。4结语断路器作为电力电网的关键电气元件,有着广泛的应用,提高分断能力、减小体积、以及智能化是未来的发展方向,新一代的断路器都是在综合传统断路器的特点的基础上采用了新的限流技术,如上进线磁吹技术、双断点分断技术、绝缘器壁产气和压力喷弧技术等,双断点技术作为新时代的新结构,极大地提高了断路器的开断能力,为电网的增容打下了良好的基础,可以预见,未来的断路器高端市场的生产即将是以双断点技术为主要形式。【参考文献】1陈德桂.应用PTC限流元件的低压断路器J.低压电器,2001（3:3-5.2陈德桂.低压断路器的器壁侵蚀与自动气吹灭弧技术J.低压电器,2002（4:3-6.3陈德桂.新一代塑壳断路器限流技术及其结构特点分析J.低压电器,2001（6:4刘洪武,谢心意,何艳峰,等.双断点断路器开断过程燃弧能量的不平衡问题J.电工技术学报,2010,25（3:61-65.5楼梅燕,郑跃胜.桥式双断点塑料外壳式断路器磁场分析J.低压电器,2009（1:14-16.6陈德桂.低压断路器的开关电弧与限流技术M.北京:机械工业出版社,2006.2011011072
