摘　要：討論了小型交流斷路器在直流電路中的滅弧原理。由于直流熄弧電流不存在自然的過零點，因此必須強制過零才能熄滅直流電弧。分析了直流電路中電感和時間常數對直流電弧熄滅的影響。在分析交、直流瞬時脫扣整定電流的差別的基礎上，給出了選擇斷路器的要點。最后，介紹了小型交流斷路器在直流電路中的實際應用。 關鍵字：小型斷路器　直流電路　熄弧　瞬時脫扣值 　　 1 概　述 　　 隨著終端保護電器的小型交流斷路器越來越廣泛的應用，直流電路的保護對斷路器的需求也日趨增加。除了小型直流斷路器外，小型交流斷路器也大量地使用在直流電路中，本文以施耐德電氣公司生產的小型交流斷路器為例說明如何在直流電路中使用交流斷路器及應注意的問題。 　　 2 直流電路熄弧原理 　　 由于直流電路的電流不存在過零點，所以在熄弧時必須強制直流燃弧電流等于零，或使電流接近于零（< 10 A） ，才能使電弧熄滅。下面簡述有關直流穩態電流分析短路熄弧原理，穩態電流可以理解為分斷電路時的額定電流、過載電流或短路電流。其等效電路圖如圖1所示。 在電路穩態時，即觸頭未分斷前，電流的初始狀態為ia = E/ R ，直流電路在分斷燃弧時的等效方程式如下： 從以上的分析中看出，當電弧電壓大于電源電壓時，電弧電流的導數小于零，說明電弧電流ia呈下降趨勢; 當電弧電流ia 趨近于零時，電弧趨于熄滅。 直流電弧的熄弧條件為：當電弧電壓大于電源電壓時，電弧趨近于熄滅。否則，電弧處于穩定燃燒階段，ia = （ E - ua） / R ，如圖2 所示。 圖2 中，P 點ua > E ，電弧電流開始減少，直到電弧熄滅。直流電弧熄弧的要點在于： ①電源電壓越小對熄弧越有利; ②斷路器應使電弧電壓快速上升，盡快達到和超過電源電壓，上升和超過電源電壓快慢決定電流熄弧的快慢。 　　 3 直流電路中的電感和時間常數對直流電弧熄弧的影響 　　 眾所周知，直流電路中電感是個儲能元件，在燃弧時，電感要向電路和電弧中釋放其線圈儲存的能量。電路的電感越大，釋放的能量越大，電弧越難熄滅。 對式（1） 等式兩邊同乘d ia/ d t ，然后積分，積分的區間邊界為：當t = t0 時，ia = ia0 ，當t = ta（燃弧時間） 時，ia = 0 （電弧熄滅） 。即 　　 等式的左項表示電弧燃弧時的能量;右邊第1 項表示電源能量;第2 項表示電阻消耗的能量;第3項表示電感儲存能量。 上式表明電弧燃燒時，電感儲存的能量（正號） 的作用同電源相同，向電弧提供能量，增加電弧燃燒的能量。同時，電阻的作用在電弧燃燒時消耗電弧能量（負號） 。 電路的時間常數τ= L / R 間接表示了電路的負載性質和電路電感的大小，電感越大分斷時電弧的能量越大，熄弧越困難。相反電弧容易熄滅。如τ= 0 為純阻性負載，電弧最容易熄滅。 有關交直流兩用的小型斷路器的國際標準IEC60898-2 ：2000 中對直流電路規定了兩種時間常數τ= 4 ms 或τ= 15 ms ，它表示短路時短路直流電流上升到0. 63 倍最大峰值電流時所需的時間，τ= L / R （ms） （見圖3） 。 由于電感限制電流具有突變的特性，以及時間常數和電路電感的正比關系，時間常數的大小間接表示了電路電感的大小，時間常數越大電流的變化越慢，在實際應用中斷路器分斷短路電流越困難。所以，短路試驗中IEC6089822 ：2000 就規定了>1500A 的較大短路電流對應較小的時間常數τ= 4 ms 進行試驗，≤1500A 可采用4ms 或15 ms 任何一種時間常數進行試驗。從該標準可以看出，時間常數對于斷路器分斷短路電流的影響。 4 交流和直流瞬時脫扣值的區別 　　 小型交流斷路器瞬時脫扣特性中規定B、C、D 等不同類別。例如C 類的小型交流斷路器瞬時脫扣值規定為額定電流5～10 倍，工廠瞬時脫扣值是按照有效值整定的，但實際上交流斷路器瞬時脫扣器是螺管線圈的構造，它的脫扣電流是峰值電流，為有效值的1. 414 倍。考慮直流的特點，其電流值對應交流有效值。其短路電流不存在類似交流的峰值問題，所以小型交流斷路器在直流電路中應用時它的瞬時脫扣值應乘以一個系數（約1. 4） 。例如，C 類的小型交流斷路器在直流中應用時它的瞬時脫扣值范圍應為1. 4 ×5 In～1. 4 ×10 I n = 7 I n～14 I n 。由此可知，在直流電路中應用時，交流斷路器瞬時脫扣器的實際電流脫扣值要高于在交流電路的瞬時脫扣值。這也是為什么在直流電路中直流短路電流較交流短路難以分斷的另一個原因。表1 給出小型交流斷路器在直流線路中瞬時脫扣值的變化。 　　 5 選擇斷路器幾個要點 　　 5. 1 　直流整流電路過流保護 直流整流電路的過流保護一般考慮采用在交流側的熔斷器或斷路器的保護方案，可根據整流電路、負載和直流側工作電流來選擇交流斷路器的額定電流、額定電壓和分斷能力。 5. 2 　電池組直流電源的過流保護 舉例說明：一電池組的容量為500 Ah 。最大放電電壓240 V （110 塊2. 2 V 的電池串聯） 。每塊電池內阻為0. 5 mΩ（電池組內阻Ri = 55 mΩ） 。電源在選擇斷路器時應考慮以下3 點： （1） 選擇斷路器的工作電流。I = U/ Z ，Z為電路和設備阻抗，Z = Ri + R = U/ I ，當R mRi ，Ri 可忽略不計。R = 20 Ω 時，I = 240 V/ 20Ω= 12 A。斷路器額定工作電流可選擇16 A。 （2） 選擇斷路器的額定短路能力。Icu =U/ Ri = 240 V/ 0. 05 Ω= 4 kA。可選擇具有6 kA或10 kA 的直流短路保護能力的斷路器。如果電池組的內阻未知，可近似計算所選用的斷路器的短路保護能力，用公式Ics = KC ，C 為電池容量，單位為Ah ，K 為系數，10 ≤K < 20 ，一般選擇10 ，但不超過20 （如，Ics = 5 kA） 。交流斷路器可采用多極串聯的方式來提高其直流分斷能力。 （3） 選擇斷路器的工作電壓。可根據電池的放電電壓（也認為是直流電路的電源電壓） 決定所選擇斷路器的工作電壓。斷路器的額定工作電壓要大于電池組的放電電壓。 　　 6 交流斷路器在直流電路中的串聯使用 　　 電路中，單相交流電壓為220 （230） V、440V ;而直流電路電壓為24 、48 、60 、125 、220 （250） 、440 V。交流斷路器在直流電路中應用時重點要考慮直流電路的電壓問題。直流電路的電壓越高，電弧電壓大于電源電壓的熄弧條件越難滿足，電弧越不容易熄滅，故交流斷路器分斷直流短路電流越困難。 交流斷路器在直流電路應用中要提高其直流分斷能力問題，尤其對于電壓較高的直流電路電壓，簡單有效的辦法是將多極斷路器串聯使用。 　　 多極交流斷路器串聯有以下兩個作用： （1） 在分斷直流短路電流時，相當在電路中串聯若干個電弧動態電阻，增加電弧電阻起到對短路電流的限流作用，同時也提高電弧的燃弧電壓和減小電路的時間常數，從而可提高斷路器的直流分斷能力。 （2） 降低每一弧隙電壓。例如，兩極斷路器串聯在250 V 的直流電源中，每弧隙電壓為125V ，減少了1/ 2 電壓，即燃弧時，弧隙電弧減少了1/ 2 的能量，這樣有利與電弧的熄滅。 　　 7 直流應用電路 　　 在直流應用時是否將交流斷路器串聯使用取決于直流工作電壓和直流供電系統。首先要考慮的是直流電路電源電壓但同時也要考慮直流供電系統的形式。IEC60898 ：222002 規定額定電壓為230V 小型交流單極斷路器在直流電路中使用時直流電源電壓一般不能超過220 V ，> 220 V 直流電壓應考慮斷路器的二極串聯使用。從更安全的角度上講建議當直流電壓為125 V 時使用二極串聯使用，> 125 V 時，可考慮三極和四極斷路器串聯，以提高斷路器的分斷能力。表2 為交流斷路器多極串聯時的直流分斷能力。 　　 由表2 可見： ①串聯的極數和直流電源電壓成正比，直流電壓越高，需要交流斷路器的串聯極數越多; ②同一直流電源電壓下，串聯的極數越多，斷路器的直流分斷能力越高; ③一般直流電源電壓在60 V 及以下時，選擇單極斷路器即可，在125 V 時可以選擇使用2 極串聯，在250 V 及以上時可以選擇3 極或4 極串聯使用; ④表2 給出的是在時間常數τ= 15 ms 條件下的試驗參數，τ對斷路器分斷能力的影響見第3 節的敘述; ⑤從表2 的數據可見，串聯后的直流短路分斷能力要遠高于交流斷路器本身的分斷能力。若無需過高分斷能力可根據負載和電路電壓的情況減少斷路器的串聯極數。參考IEC6089822∶2000 ，提出常用幾種直流電路應用見表3 。 　　 8 結　語 　　 （1） 只要了解交流斷流器在直流電路中應用的特點，分析不同的直流供電系統，負載阻抗和短路電流等情況，小型交流斷路器完全可在直流電路中應用。 （2） 隨著我國等同采用IEC60898 ：2000《家用和類似用途的過電流保護斷路器　第2 部分：用交流和直流的斷路器》的新國家標準的編制和頒布，并對其應用起到指導和規范的作用。