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论小型直流断路器的高可靠性 ■ 北京人民电器厂有限公司 南寅 赵志群 张自峰 张书瑞 王文进 2011-5-20 摘 要： 介绍了符合 AP1000 核电标准的 GM5T-63 小型直流断路器，创 造性地设计了新型灭弧系统和脱扣系统，满足了小型直流断路器无极性保护和 AP1000 核电标准中的抗震要求，可任意接线，可逆电流保护，寿命可预测，抗 震能力好，应用在交流场合不需降容等需求，并将断路器的选择性保护能力大幅 提高。如应用在核、热电厂、变电站、光伏发电、高速铁路等直流电源保护系统， 将会给系统带来高安全性和高可靠性。 关键词：直流断路器 逆电流保护 PV 核电 电力直流 自北京人民电器厂有限公司1996年在全球首推20kA小型直流断路器至今已 有15年了，小型直流断路器以体积小、分断能力高、防护等级高、可重复使用、 有断路器状态指示和故障报警指示等特点，在电力系统得到广泛的应用。 在这15年的应用中也发现了许多问题，特别是随着智能电网对直流系统安 全等级要求的提高，现有小型直流断路器技术水平和标准已不能适应高安全性和 高可靠性的要求。 1. 目前直流断路器相关标准的不完善 （1） 抗震等级要求没有规定 日本本州岛发生8级以上地震，致使福岛第一核电站直流电源和备用电源系 统全部失效，虽然有其它各种原因造成，但这仍然给我们电力系统一个提示，如 万一发生地震，发电厂和变电站中的直流电源系统，要确保应用于直流电源系统 中的保护电器能抗8级以上的地震。目前我们现行的直流断路器标准中，对这一 点没有做明确的规定，而AP1000核电标准则规定了断路器在震级、裂度、在一 定高度时X、Y、Z三个方向的抗震水平。 （2） 逆电流时不能保护 直流电流因无过零现象，电弧很难熄灭。当断路器断开时，小型断路器的开 距只有5mm左右，灭弧栅片又多达9片以上，每两片栅片之间的距离又在1mm 左右；所以，栅片之间的弧阻远大于动、静触头5mm开距产生的弧阻，电流肯定 不经过灭弧室而流向弧阻小的动、静触头通路，此时，动、静触头之间产生的电 弧因不能被冷却和拉长，导致电弧在动、静触头之间燃弧，将产生高达几千度的 高温，将会使断路器烧毁。 为使触头之间弧阻大于灭弧室的弧阻，使电弧能够经过灭弧室进行冷却和拉 长，达到熄灭电弧的作用，常规小型直流断路器一般在静触头下方区域设置磁钢， 利用磁钢产生磁场，强制将电弧拉长，迫使其从动、静触头之间流向灭弧室，最 终达到分断直流电流的作用。 磁钢的极性以固定的极性方向放置在断路器触头系统中，特别要求电流在断 路器内部以一定方向流动，这将使得产生的电弧受到磁钢磁场力的作用，被吹向 引弧角。所以，当外接线时，要求必须认准断路器上+、-极标记进行接线。一旦 正、负极接反，在事故状态下，电弧反吹，断路器将无法分断直流电流。 一个220kV变电站在有分电屏时需用小型直流断路器几百只，成套设备企业 要对每只断路器正负极接线做仔细的核对，才能确保系统的安全性与可靠性。因 +、-极接线接错而导致断路器烧毁的事故在工程现场经常发生。 （3） 使用寿命不能预知 断路器的使用寿命到底有多少年，现在大多数产品没做规定和试验，仅有部 分标准对断路器机械寿命和电气寿命做出了建议。但机械寿命和电气寿命不代表 产品使用寿命，只代表在规定的各种条件下的分断次数，因断路器的金属导电件 由绝缘材料包裹，绝缘材料、导电材料因长期受热、受力的影响而产生老化、变 形，导致断路器保护功能和操作功能失效，所以断路器的使用寿命是由它的材料、 机、电寿命等综合因素所决定。AP1000核电标准里关于产品使用寿命的规定是： 由热老化和运行老化次数和时间所决定：如产品使用寿命为 15 年，它的试验要 求为： 热老化试验：要求断路器在 100℃的高温环境下，进行 48 天热老化试验， 产品特性和性能均保持不变； 运行老化试验：对断路器通以 200%～600%额定电流时进行 6 次过负荷跳闸 试验。在