2010/6/28 10:26:00
摘要 本文介绍了一种具有熔断器特性的GM5FB系列塑壳式选择性保护直流断路器，它克服了直流熔断器动作离散性大，产品特性无法检测，防护等级低(无防护等级)，报警触头动作不稳定等缺点，创新地将断路器短路脱扣器设计为短路短延时反时限脱扣器;克服了热磁式断路器短路瞬时脱扣器动作选择性差的缺点，同时又具有熔断器易于实现选择性保护以及热磁式断路器动作稳定性高的优点，是电厂以及变电站直流系统蓄电池出口以及直流主馈电屏中理想的保护电器。
关键词 选择性保护 直流断路器 熔断器
0. 引言
随着我国电力工业迅速发展，发电厂和变电站对直流系统的安全性和可靠性的要求越来越高 ，直流回路一旦发生短路故障，保护电器应可靠动作，既不能误动、更不能拒动。误动会带来越级跳闸而扩大事故范围，导致正常工作回路断电，拒动会导致电力设备的损坏，电线电缆绝缘迅速老化，甚至起火。防止断路器误动，厂家可以通过一系列可靠性手段加以保证，本文主要针对直流断路器的误动，即越级跳闸问题，提出解决方案。
另外，鉴于本文介绍的GM5FB系列断路器的特性曲线与熔断器特性曲线极其相似，特别易于与下级热磁式断路器实现选择性保护，同时又解决了直流熔断器动作离散性大，产品特性无法检测，防护等级低(IP00)，报警触头动作不稳定等缺点，因此，也特别适合用于电厂或变电站直流系统的蓄电池出口回路。
1. 背景
现在的电厂和变电站直流系统中直流负荷的日益增多，导致蓄电池容量非常大，这是造成发生短路故障时短路电流较大的根本原因。短路电流大了，很容易达到上级热磁式断路器的短路瞬时脱扣器动作阈值，造成上下级断路器的短路瞬时脱扣器同时动作，带来无选择性的越级跳闸。
众所周知，上下级断路器短路瞬时脱扣器的选择性是非常差的，可以说，只要短路电流同时达到上下级断路器短路瞬时脱扣器动作阈值，两个断路器基本将无选择性的同时跳闸，带来越级误动，造成事故面的扩大。因此如何实现断路器短路瞬时脱扣器的选择性动作，是困扰直流断路器行业多年的老大难问题。
2. 具有熔断器特性的塑壳式选择性保护直流断路器的特征
由北京人民电器厂有限公司开发出的具有熔断器特性的GM5FB系列塑壳式选择性保护直流断路器(以下简称GM5FB系列断路器)，它克服了上述直流熔断器的缺点，创新地将断路器短路脱扣器设计为短路短延时反时限脱扣器;克服了热磁式断路器短路瞬时脱扣器动作选择性差的缺点，同时又具有熔断器易于实现选择性保护以及热磁式断路器动作稳定性高的优点，是电厂以及变电站直流系统蓄电池出口以及直流主馈电屏中理想的保护电器。
其动作特性曲线如下图1所示。
根据大量试验数据显示，GM5FB系列断路器呈现出过载长延时反时限和短路短延时反时限的热磁式脱扣特性，将各点连线，得到如图1所示的动作特性曲线。如果Id为故障电流，那么当1.3In
上下级断路器实现选择性保护的一个重要判据为在同一电流下，上级断路器的“可返回时间”大于下级断路器的“全分断时间(2)”。在直流蓄电池系统，无论GM5FB系列断路器下级是热磁式塑壳断路器，抑或是热磁式小型直流断路器，我们要保证在直流系统可给出的最大短路电流下，其可返回时间大于下级断路器的全分断时间，从而保证与下级断路器的选择性配合。
3. GM5FB系列断路器的结构和工作机理
如图2所示：GM5FB系列选择性断路器的1-2极侧是由一个低阻值双断点触头回路和一个高阻值单断点触头回路并联后，再与一个短路短延时脱扣器启动线圈(S)串联组成，其中高阻值单断点触头回路是由一个单断点触头、一个限流电阻以及一个短路短延时双金属片串联组成;3-4极侧是由一个过载长延时双金属片和一个单断点触头串联组成。
断路器正常工作时，由于a-b回路的高阻值，电流在回路中的走向为1-2-4-3。
当回路中出现过载电流时，电流在回路中的走向仍然为1-2-4-3，3-4极侧的过载长延时双金属片按图1中，曲线“1”所呈现的电流与延时时间关系动作，按照图2中点划线所呈现的机械力传导路径，打击断路器“脱扣机构”并使其脱扣，从而带动断路器动静触头动作，分断过载电流。
当回路中出现大于7In的短路电流时，1-2极侧串联的短路短延时脱扣器启动线圈(S)迅速将低阻值回路的双断点触头顶开，由于此脱扣器并不接触断路器“脱扣机构”，因此断路器并不脱扣，而仅是通过机械力，单独顶开1-2回路中的双断点触头，其它两个单断点触头仍然保持接通状态，因此短路电流只能通过a-b高阻值回路，这时限流电阻迅速将回路中短路电流限流，使回路中电缆电线以及设备免受大短路电流的冲击，同时a-b回路的短路短延时双金属片按图1中曲线“2”所呈现的电流与延时时间关系动作，按照图2中点划线所呈现的机械力传导路径，打击断路器“脱扣机构”并使其脱扣，从而带动断路器动静触头动作，分断短路电流。
4. GM5FB系列断路器之间的选择性保护
从图3可以看出，两个GM5FB系列断路器配合使用，两条曲线无交点，在全电流范围内(小于断路器极限短路分断能力，下同)，下级断路器动作时间均小于上级断路器，均可实现选择性保护。需要说明的是，本图为示意图，断路器实际曲线为动作曲线带，即存在动作电流和动作时间的误差，经过大量试验，我们得出结论，只要保证上下级额定电流的差值大于或等于1.6倍，即可使曲线带无交点，实现了选择性保护。在这种配置方法下，用户可以不用计算系统短路电流，仅按照额定电流选择GM5FB系列断路器，满足上下级断路器额定电流相差1.6倍或更大，即可实现选择性保护，极大的简化了直流系统的设计和选型。
5. GM5FB系列直流断路器与热磁式直流断路器的选择性配合
根据图4，我们进一步分析上级配置GM5FB系列断路器，下级为热磁式塑壳断路器实现选择性保护的条件。
我们应保证上级GM5FB系列断路器的短路短延时脱扣器动作下限值大于下级热磁式断路器短路瞬时脱扣器的动作上限值。GM5FB系列断路器短路短延时脱扣器动作下限值为5In1(在下限值，短延时脱扣器不动作，仅过载长延时脱扣器动作，在上限值，则短延时脱扣器启动)，上限值为7In1。普通热磁式断路器短路瞬时脱扣器的动作下限为8In2，上限为12In2。如要实现选择性保护，对于上下级断路器额定电流，一个基本的条件是5In1>12In2，得出：In1>2.4In2，考虑到可靠系数，因此我们推荐，In1≥3In2。对于GM5FB系列断路器，根据试验数据显示，在短路电流达到其短路短延时脱扣器动作阈值后，将根据短路电流大小，延时20~80ms动作，此延时时间为可返回时间。
而下级热磁式塑壳断路器，在其短路瞬时脱扣器临界动作值时，全分断时间最长，为25ms以内，随着短路电流增加，其全分断时间呈现下降趋势，最小可以达到15ms左右。上述全分断时间考虑了时间常数为T=5ms(10kA以内短路电流)，以及时间常数T=10ms(10~20kA短路电流)时对全分断时间的影响。因此上述全分断时间为最长的情况。
在电源为3000Ah蓄电池组的直流试验站，我们通过大量的配合实验，得出：只要满足In1≥3In2这个基本条件， GM5FB系列断路器在全电流范围内，可与下级热磁式断路器实现选择性保护，如图4所示。这是因为只要满足了这个基本条件，通过两种不同脱扣器类型断路器曲线的配合，实现了符合本文中第2部分介绍的选择性保护判据，具有足够的时间差，实现了选择性保护。在这种配置方法下，用户同样可以不用计算系统短路电流，在保证上述额定电流关系条件的情况下，仅按照额定电流选择GM5FB系列断路器以及热磁式断路器，即可实现选择性保护。
通过观察图4，在Id点发生短路故障，上级GM5FB系列断路器依靠本身短路短延时脱扣器的固有延时时间，为下级断路器提供了可靠的分断时间，避免了越级跳闸，而如果上级同为普通热磁式断路器