浅谈直流系统回路保护元件

浅谈直流系统回路保护元件

杨为孔明刘振山宋东波李森林

杨为孔明刘振山宋东波李森林

（国网安徽省电力科学研究院）

一、综述：

直流电源系统辐射范围大所带负载多，如果没有保护措施，任何一负载发生短路、过载都将通过直流系统影响到其他保护设备正常工作。所以对于每路负载都必须使用保护元件进行自动隔离，防止故障进一步扩大，及时将故障点脱离电源。目前常见的保护元件有二种；一种是熔断器保护，它是一种电阻率较大而熔点较低的铅锑合金制成，当有过大的电流通过时，熔丝产生较多的热量，使它的温度迅速达到熔点，于是熔丝熔断自动切断电路从而起到保护作用。另一种是空气开关保护元件，它具有过载反时限动作断开、短路快速切除保护功能，性能上更优于熔丝。近年来市场上大量出现一种称为PTC保护元件。这种元件具有自恢复性，当故障电流消除后自动恢复导通状态，但容量较小不再本文讨论之列。

二、熔断器

常用熔断器包括二种；一种是直接将熔丝安装在插件支架上，更换时人工将熔丝（俗称保险丝）安装上去旋紧固定。另一种是管状熔丝，内部同样是熔丝，但四周充满石英砂。更换时直接插入管状熔丝即可。熔断器的原理是当电流流过导体（保险丝）时，因导体存在一定的电阻，所以导体将会发热。且发热量遵循着这个公式：Q=0.24I2RT；其中Q是发热量，0.24是常数，I是流过导体的电流，R是导体的电阻，T是电流流过导体的时间；当制作熔丝的材料及其形状确定了，其电阻R就相对确定了（若不考虑它的电阻温度系数）。当电流流过它时，它就会发热，随着时间的增加其发热量也在增加。电流与电阻的大小确定了产生热量的速度，保险丝的构造与其安装的状况确定了热量耗散的速度，若产生热量的速度小于热量耗散的速度时，熔丝是不会熔断的。若产生热量的速度等于热量耗散的速度时，在相当长的时间内它也不会熔断。若产生热量的速度大于热量耗散的速度时，那么产生的热量就会越来越多。又因为它有一定比热及质量，其热量的增加就表现在温度的升高上，当温度升高到熔丝的熔点以上时熔丝就发生了熔断。这就是熔丝的工作原理。

使用熔丝作保护元件必须认真地筛选材料的物理特性，并确保它们有一致几何尺寸。因为这些因素对熔丝能否正常工作起了致关重要的作用。同样，在使用它的时候，一定要正确地安装它，保证接触良好。

常用熔丝的规格（铅不少于98%，锑0.3%-1.5%，杂质不多于1.5%）如下表：

熔丝的熔断特性具有反时限特性；大于额定电流值越大熔断时间就越短，如图1所示。

图1熔丝的过流特性

从熔丝的安—秒特性曲线中可以看出额定电流以下熔丝的安—秒特性曲线上端基本为一直线，就是当流过熔丝的电流值小于额定值以下时，熔丝不会熔断可以长期工作，大于额定电流时熔断时间与电流成反比，当达到熔丝的额定电流几倍时熔丝速断。

一般熔断器有三个部分组成：一是熔体部分，它是保险丝的核心，熔断时起到切断电流的作用，同一类、同一规格保险丝的熔体，材质要相同、几何尺寸要相同、电阻值尽可能地小且要一致，最重要的是熔断特性要一致；二是电极部分，通常有两个，它是熔体与电路联接的重要部件，它必须有良好的导电性，不应产生明显的安装接触电阻；三是支架部分，保险丝的熔体一般都纤细柔软的，支架的作用就是将熔体固定并使三个部分成为刚性的整体便于安装、使用，它必须有良好的机械强度、绝缘性、耐热性和阻燃性，在使用中不应产生断裂、变形、燃烧及短路等现象。

在大功率设备所使用的熔丝，不仅有一般保险丝的三个部分，而且还有灭弧装置，因为这类保险丝所保护的电路不仅工作电流较大，而且当熔体发生熔断时其两端的电压也很高，往往会出现熔体已熔化（熔断）甚至已汽化，但是电流并没有切断，其原因就是在熔断的一瞬间在电压及电流的作用下，保险丝的两电极之间发生拉弧现象。这个灭弧装置必须有很强的绝缘性与很好的导热性，且呈负电性，石英砂就是常用的灭弧材料。在熔断容量较大的条件下使用管状熔断器，内部充满石英砂就是要提高熔断器的灭弧能力。

此外，还有一些熔断器有熔断指示装置，它的作用就是当熔断器动作（熔断）后其本身发生一定的外观变化，易于被维修人员发现，例如：发光、变色、弹出固体指示器等。

直流系统熔断器一般使用各类管状熔丝熔断器，也有部分直接使用保险丝。这主要看使用场合，一般短路容量不大的话可以直接使用熔丝；如果短路容量较大要考虑熔断过程中的灭弧时需要采用管状容丝。

管状熔断器在使用前也要检查其质量好坏，方法是用万用表小电阻测量档测量熔丝电阻，将电阻值明显偏大的剔除，因为电阻偏大说明管内熔丝与金属头接触不好，其熔断电流就要受影响，甚至工作电流无法达到标称值。

直接使用保险丝元件的要注意熔丝规格选择正确，安装时接触面氧化层要去除，螺丝紧固压力适当，即要保证接触良好，又要保证在安装过程中熔丝体没有受伤缺损。插件与底座金属接触面清洁并保证有一定的弹性压力不能松垮。如果在安装熔丝过程中不注意这些就无法保证熔丝使用在标称的额定值内，也就无法保证熔丝熔断器上下级的级差配合，使得在发生短路故障时带来事故扩大化。

三、空气开关

在低压配电保护中，空气开关是目前我们大量使用的保护元件，空气开关由于过流分断能力强、分断迅速、故障恢复快、操作使用简便等优势正在越来越多的场合替代熔丝功能。小型空气开关的结构基本类似，如图2所示；

图2空气开关内部结构图

在空气开关结构中，“电磁线圈”是空气开关短路快速动作元件，当负载短路时短路电流通过电磁线圈产生电动力使开关分闸。“双金属条”是过载保护动作元件，当负载电流大于额定电流时，双金属条因绕在其上的电阻丝发热使金属条弯曲动作达到过载保护目的。“灭弧室”帮助开关分断过程中电弧的冷却熄灭，提高开关的分断能力。

为满足各种不同场合需要，制造厂还开发有一些具有开关时间特性的新产品；如不同过载分断特性的系列开关、带有时间控制和调整的空气开关等，这就让我们在选用开关有了更大的选择余地，也要求我们在选择中仔细辨别各种类型开关的差异，根据使用条件合理的选择空气开关。

应用在直流系统负载保护的空气开关应选用直流专用空气开关，直流开关与交流开关在大的结构上相同，但由于直流短路电流灭弧比交流困难，不像交流电流有过零的特征容易息弧，所以开关开断距离要大于交流开关，并且为了更好的提高灭弧能力在开关的消弧槽内附加了恒定磁场与直流电弧作用在灭弧室内，使之更容易灭弧。因此直流开关的接入是有极性的，不能接反，如果不注意将极性接反将大大降低直流灭弧能力。如西门子直流空气开关是电源端接下方，上方接负载，而我们国内习惯上方接电源端，下方接负载端，在接的时候往往按照下方极性接成右正左负，这就给接反了，正确地接法是如果改下进上出为上进下出，直流电源的极性应正好相反，总的一个原则是保证流过开关电流的方向与开关所标示的方向相同。

空气开关的过载和过流特性与熔丝不同，由于有二个动作元件整个动作曲线实际上是由二个曲线拼合而成，典型的曲线如图3所示：

图3空气开关过流动作曲线图

从空气开关动作曲线图中我们可以看出，开关中所通过的电流超过额定工作电流时过载保护元件就开始动作，其动作曲线具有反时限性质，当过载电流大于6～8倍额定电流时速断元件动作，瞬时将开关跳掉。

四、保护元件的级差配合

在直流系统中为了保证负载回路故障不影响到其他设备的运行，应设有保护元件（熔断器或空气开关）快速、准确地将故障负载从系统中切除。保护元件的设置有如下特点：从切除故障角度看保护元件的级数多些为好，可以保证切除故障的可靠性，如果在其中某一个保护元件失效还有后备元件可以切除故障。但从保护元件角度看，级数多保护元件的级差不大好设置，现在的熔断器或空气开关过流动作定值均有一定偏差范围，要保证各级保护元件有选择性的正确动作至少要保证级间有2～3级差以上，保护元件级数多就无法保证级差。从保护元件本身看级差多增加了保护元件误动的可能性。尤其是熔断器保护元件，从长期的熔断器运行经验看熔丝的误动概率较大，这主要反映在熔断器接触、氧化、弹性疲劳等方面；熔断器极少有拒动事件，这也是熔断器（熔丝）性质所决定。空气开关由机械结构组成，误动和拒动都有可能，主要还是取决于制造工艺和材料，一些世界品牌的空气开关由于工艺和材料的保证保护元件极少发生故障，可靠性很高。

保护元件级数少，对负载来讲减少了中间环节，提高了供电的可靠性，保护元件的级差配合容易，但对保护元件要求提高，尤其不能发生拒动，不然将使故障扩大。

总之直流系统的保护元件考虑出发点在于：

直流电源供电的可靠性。

能够快速、准确地切除故障点。

尽力避免故障点的扩大化。

根据目前直流系统运行情况，一般将直流系统中的保护元件设置为三级保护；

第一级：蓄电池总熔丝；这是直流系统的最高级保护，只有在母线故障或下一级保护元件失效的情况下这级保护才会动作，这级保护元件动作的后果是直流系统失电，通常蓄电池保护元件的定值按蓄电池1C10容量来整定，如300Ah蓄电池的熔丝定值为300A。当蓄电池容量大于400Ah时，熔丝定值按负载级差配定设置。

第二级：馈线总屏上输出下一级馈线分屏总熔丝、控制屏总熔丝及主要大负荷的保护元件；一般这一级保护元件的定值比较大在63A～100A之间。

第三级：馈线分屏、控制屏上各保护元件。保护对象直接针对某一具体负载目标，通常认为负载目标发生的电源故障最多，切除这一级不影响直流系统电源其他设备运行，一般这一级根据负荷设备的最大冲击电流将保护元件的定值设在16A～25A之间。

至于负载设备内部设置的保护元件不在直流系统安全保护考虑之内，由各制造厂家针对自身设备要求，设置保护元件及定值，一般厂家设置保护元件的定值要小于直流系统分配给保护该装置保护元件的定值。

五、级差配合原则

空气开关与空气开关配合：

空气开关过流脱扣器配合级差可取0.2秒，即负荷空气开关为瞬动，上级空气开关取短延时0.2秒，总电源延时0.4秒。相当于同型号空气开关上下级差2—3级。

熔断器与熔断器配合：

一般按上下级熔件正负误差叠加，并计及10％配合裕度计算配合级差。相当于同型号熔断器上下级差2—4级。

上级熔断器、下级空气开关的配合：

熔断器熔断曲线NT（熔断时间一电流特性）应在断路器保护曲线ME(脱扣时间一电流特性)的上方，如图4所示，且要求在最大短路电流内二曲线没有发生交叉点。

图4熔断器、空气开关上下级配合曲线图

禁止采用上级空气开关，下级为熔断器的级差保护模式。运行实践证明；采用此类方式进行级差保护常常带来事故扩大化。其中原因是按级差考虑的直流熔丝灭弧时间要大于交流，而此时上级空气开关已进入速断工作区域，如图5所示，熔断器熔断曲线NT（熔断时间－电流特性）与空气开关保护曲线ME（脱钩时间－电流特性）二组保护曲线在电流大于某一点时发生交叉，故障电流大于交叉点Ix外，致使动作先后次序发生颠倒。采用上级空气开关、下级熔断器方式，即使按级差配置，当发生短路时，仍无法保证按级差动作，往往还是会发生上级空气开关动作先于下级熔丝保护，扩大了停电范围。

图5大电流条件下动作级差发生颠倒

由于空气开关之间、熔断器之间和空气开关与熔断器之间电流－动作时间曲线各异，在进行级差选配时，原则上尽可能选取同型号保护元件，进行上下配合。同型号保护元件在制造工艺上可以保证不会发生动作曲线交叉而发生越级动作的现象。

作者简介：

杨为（1984-），男，硕士，从事高压开关及直流电源设备专业管理工作

孔明（1976-），男，高级工程师，从事变电检修教培管理工作

刘振山（1984-），男，工程师，从事高压试验专业管理工作

宋东波（1988-），男，硕士，从事高压开关专业管理工作

李森林（1988-），男，硕士，从事现场高压试验检测工作