1 交流斷路器使用于直流電路的問(wèn)題 隨著社會(huì)主義建設(shè)的發(fā)展，應(yīng)用直流電的區(qū)域和部門(mén)越來(lái)越多，如發(fā)配電系統(tǒng)、城市和礦山的牽引車(chē)、電氣化鐵道、化工、冶金及國(guó)防工業(yè)等。按交流50Hz設(shè)計(jì)的塑料外殼式斷路器（以及萬(wàn)能式斷路器）能否使用于直流電路作線(xiàn)路保護(hù)之用呢?經(jīng)歷多年的實(shí)踐說(shuō)明，可以使用，但其電流的整定值及接線(xiàn)等需要作一些更改或修正。 1．1 保護(hù)特性 1．1．1 過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)特性 （1）熱動(dòng)式（雙金屬元件脫扣器） 由雙金屬元件直接加熱（直熱式）或由發(fā)熱元件發(fā)熱，熱量傳給旁邊的雙金屬元件（旁熱式），由于直流電流平均值與交流的有效值的發(fā)熱效果是相同的，因此交流與直流基本上無(wú)變化。但當(dāng)額定電流大于1500A時(shí)，因集膚效應(yīng)等因素， 　　交流電流有效值產(chǎn)生的熱量要大于直流，但影響不是太大，所以熱動(dòng)式的雙金屬元件脫扣器用于直流是不需要作任何更改的。但是熱動(dòng)式中的有一些規(guī)格，例如額定電流600A及以上采用CT式（電流互感器式），利用互感器的副邊電流供給雙金屬元件或發(fā)熱元件作發(fā)熱源，則不可能用于直流電路。 （2）全電磁式（液壓式，即俗稱(chēng)的油杯式脫扣器） 交流（50Hz）的斷路器（其脫扣器為全電磁式）在直流電路中使用時(shí)，動(dòng)作特性要變化。變化的范圍為110％—140％原動(dòng)作電流（這是考慮直流電源絕大部分經(jīng)交流整流和濾波后所得），所以在直流電路中用全電磁式交流斷路器時(shí)，其脫扣器要重新設(shè)計(jì)。 1．1．2 瞬時(shí)脫扣器 凡是采用電磁鐵作電磁脫扣器（瞬時(shí)動(dòng)作脫扣器）者，其瞬動(dòng)電流整定值將有所變化，變化率取決于直流的波形。對(duì)于經(jīng)交流整流，又予以濾波的直流電路，其瞬時(shí)動(dòng)作整定電流約為交流的1.30倍，如交流的瞬動(dòng)是10In（In為額定電流）則斷路器用于直流電路，應(yīng)將其出廠(chǎng)試驗(yàn)時(shí)調(diào)整到13In，其整定誤差值（例如±20％）可以不變。 1．1．3 電子式脫扣器 無(wú)論是過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)或是短路瞬時(shí)，原按交流50Hz設(shè)汁的電子式脫扣器都無(wú)法使用在直流電路。 1．2 短路電流的通斷 眾所周知，50Hz的交流電流，每秒鐘有100次的電流過(guò)零點(diǎn)。在此瞬間無(wú)電流，即使斷路器的動(dòng)、靜觸頭間有電壓（如是純電感負(fù)載，i＝0時(shí)U最大，純電容負(fù)載也是如此，純電阻負(fù)載，i＝0，U＝0），電弧也比較容易熄滅。但直流電流無(wú)過(guò)零點(diǎn)這一特性，電弧切斷有相當(dāng)大的困難。使用交流50Hz的斷路器于直流電路作保護(hù)電器時(shí)，必須采取多斷點(diǎn)的接線(xiàn)方式。 　　多斷點(diǎn)的接線(xiàn)方式有兩種，一是串聯(lián)，二是并聯(lián)，如圖1、圖2所示。 　　圖1中的多種型號(hào)斷路器運(yùn)用的直流電壓應(yīng)是250V。 　　對(duì)于直流系統(tǒng)，只要電壓值一致，則原用于交流的欠電壓脫扣器和分勵(lì)脫扣器，不需作任何的改變，可用于直流電路。 2 按50Hz設(shè)計(jì)的斷路器使用于高頻電路 在工業(yè)范圍內(nèi)，有些工業(yè)部門(mén)對(duì)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)了較高的頻率，例如紡織工業(yè)中使用的高速電動(dòng)機(jī)，其頻率達(dá)100—120Hz，木材加工工業(yè)中使用的同頻電動(dòng)機(jī)頻率達(dá)300Hz，航空工業(yè)中的一些設(shè)備，其頻率規(guī)定為400Hz等（電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n，n＝60f/p，n與頻率f成正比）。 如果使用按50Hz設(shè)計(jì)的斷路器于高頻電路，則斷路器的特性需作何種變化呢? 2．1 導(dǎo)體的發(fā)熱、負(fù)載能力的降低問(wèn)題 交流導(dǎo)體有集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)。集膚效應(yīng)等使得導(dǎo)體的截面只有一部分用來(lái)流通電流，因此導(dǎo)體的交流電阻將隨頻率的增大而呈線(xiàn)性的增高。對(duì)于直徑為10mm的銅線(xiàn)來(lái)說(shuō)，可利用的截面是： 在1kHz時(shí)，約為50Hz的60％； 在10kHz時(shí)，約為50Hz的20％。 另外，這種高頻還將對(duì)導(dǎo)體相鄰的鐵磁性材料產(chǎn)生磁感應(yīng)，引起“磁滯損耗”。“磁滯損耗”是隨頻率的增高而迅速增加的，對(duì)相鄰的金屬材料還會(huì)產(chǎn)生“渦流損耗”，“渦流損耗”也隨頻率的升高而增大。所以，隨著頻率的增高，由集膚效應(yīng)而使導(dǎo)體電阻的變大，且使與斷路器連接電路的相鄰部件如轉(zhuǎn)軸、操作機(jī)構(gòu)、緊因件等金屬材料件的磁滯和渦流損耗增加，如使用同樣的負(fù)載電流，斷路器的溫升勢(shì)必超過(guò)其產(chǎn)品的規(guī)定值，引起產(chǎn)品熱老化，導(dǎo)致斷路器使用壽命的降低。 由于以上原因，斷路器的負(fù)載能力（額定電流），將按式（1）變化： 　 　　　 式中 fx——高于50Hz的電網(wǎng)頻率 In（fx）——頻率為人時(shí)的負(fù)載能力（額定電流） In（50Hz）——頻率為50艙時(shí)的負(fù)載能力（額定電流） 按式（1）計(jì)算得出表1的允許工作電流值與頻率的關(guān)系，如表1示。 由表1可知，大約從100Hz起，為保持允許的發(fā)熱極限，其允許的工作電流（額定電流）必須相應(yīng)地降低。 2．2 母線(xiàn)排的負(fù)載能力 在頻率超過(guò)50Hz時(shí)，母線(xiàn)排的允許工作電流（額定電流）可按式（2）得出： 　　　　 式（2）反映了導(dǎo)體截面的利用率 1kHz時(shí)，In （1000Hz）＝22％In （50Hz）； 10kHz時(shí)，In （1000Hz）＝7％In （50Hz）。 2．3 高頻時(shí)斷路器的短路分?jǐn)嗄芰? 交流電器開(kāi)斷短路電流時(shí)，使電弧熄滅在于電流的過(guò)零點(diǎn)，只有在過(guò)零點(diǎn)后采用滅弧手段，阻止電弧重燃，才能有效地分?jǐn)嚯娀　ｎl率較高時(shí)，電流迅速地一個(gè)又一個(gè)地過(guò)零，縮短了每個(gè)半波的電弧周期，斷口間隙（打開(kāi)的動(dòng)、靜觸頭之間）中的電離度，小于50Hz時(shí)的電離度，由于周期短，高頻時(shí)的去游離度也小于50Hz時(shí)的去游離度，因此高頻時(shí)，電弧的熄滅，較50Hz有利有弊，根據(jù)實(shí)測(cè)，從50—100Hz的這個(gè)范圍，短路分?jǐn)嗄芰旧献兓淮螅词故?00—400Hz，分?jǐn)嗄芰Φ慕档停膊贿^(guò)在10％左石。 2．4 高頻時(shí)斷路器的脫扣器動(dòng)作特性的變化 （1）過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)反時(shí)限特性（熱動(dòng)脫扣、即雙金屬元件脫扣器），它是直接通過(guò)工作電流的發(fā)熱（或通過(guò)發(fā)熱電阻元件發(fā)熱，將熱傳遞給邊上的雙金屬元件）或通過(guò)電流互感器的副邊電流來(lái)加熱，使雙金屬元件受熱彎曲，經(jīng)一定的空行程延時(shí)，最終推動(dòng)脫扣件使斷路器跳閘的。 在頻率在500Hz之內(nèi)，主要熱量來(lái)自導(dǎo)體的正常發(fā)熱，由高頻引起的感應(yīng)熱量，實(shí)際上是很小的，可以忽略不計(jì)，脫扣時(shí)間僅比50Hz時(shí)略快一點(diǎn)。當(dāng)頻率大于500Hz時(shí)，感應(yīng)發(fā)熱就不容忽視了，頻率越高，脫扣時(shí)間就越短。因此，當(dāng)使用于大于等于50Hz電源時(shí)，用戶(hù)應(yīng)向制造廠(chǎng)特殊訂貨，由制造廠(chǎng)采用適用的材料并在裝配時(shí)調(diào)整雙金屬元件的距離，以適應(yīng)高頻電路的需要。 （2）瞬時(shí)動(dòng)作脫扣器 用非延時(shí)電磁鐵式過(guò)電流脫扣器作短路保護(hù)用的瞬時(shí)動(dòng)作脫扣器是一種電流型脫扣器，它的動(dòng)作與其通過(guò)電磁鐵的電流大小成正比（嚴(yán)格地說(shuō)，產(chǎn)生電磁吸力是與通過(guò)它的磁勢(shì)，即電流值和繞它的線(xiàn)圈匝數(shù)的乘積成正比的）。除了電流值外，還和電流存在（保持）的時(shí)間有密切關(guān)系。頻率為50Hz時(shí)，電磁式脫扣器約在一個(gè)半波峰值電流時(shí)就能動(dòng)作，即在半波時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的吸合力就足以使脫扣器的動(dòng)鐵芯（銜鐵）被吸往其終端位置，而使斷路器跳閘。頻率較高時(shí)，半波時(shí)間變短，銜鐵要在達(dá)到的有效值時(shí)才能動(dòng)作，顯然，如果不提高電流值，高頻時(shí)是無(wú)法在半波時(shí)間僅50Hz的50％（對(duì)100Hz而言），25％（對(duì)200Hz而言），甚至12．5％（對(duì)400Hz而言）時(shí)就動(dòng)作。國(guó)外有些大的制造廠(chǎng)家對(duì)頻率從最小的162／3Hz（美國(guó)有使用此頻率的）到500Hz的電源作了大量試驗(yàn)，試驗(yàn)表明，頻率越高，所需提高的電流值就越大，其線(xiàn)性上升比例大體上為1：√2。即如果頻率為16×2／3Hz的電流為500Hz時(shí)，到了500Hz，其電流值要提高到500×√2＝707A。 （3）欠電壓脫器和分勵(lì)脫扣器 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定： 欠電壓脫扣器：70％—35％Ue， 釋放（斷路器斷開(kāi)） 　　　　　　　　　85％—110％Ue，閉合（斷路器接通） 分勵(lì)脫扣器： 70％—110％Us，吸合（斷路器斷開(kāi)） 以上的Ue為電源電壓，Us為控制電壓。 由于以上兩種脫扣器均是電壓線(xiàn)圈，其電磁吸力取決于Φ值，Φ＝BS。 按公式 U／≈4．44 fBSW來(lái)設(shè)計(jì)磁通Φ的大小。 BS= U／4．44 fW 式中 B——磁感應(yīng)強(qiáng)度 　　　　S——電磁鐵芯的截面積 設(shè)電磁鐵的吸力為F F∝B2·S 現(xiàn)在提出以50Hz設(shè)計(jì)的欠電壓或分勵(lì)脫扣器使用于高頻電路，就表明電磁鐵的機(jī)構(gòu)（鐵心式樣、截面積、磁路長(zhǎng)度等）均是不變化的。 吸力F既與B、S成正比，而B(niǎo)值又與施加的電壓值和頻率f及線(xiàn)圈匝數(shù)W等有關(guān)，經(jīng)轉(zhuǎn)化，對(duì)交流電磁鐵（電壓線(xiàn)圈）來(lái)說(shuō)，其吸力F為： 　　　　 式中 lc——鐵芯的磁化長(zhǎng)度 δ——電磁鐵的鐵芯與銜鐵之間的空氣氣隙 μ0——空氣中的導(dǎo)磁率 g——單位長(zhǎng)度的漏磁通 從式（3）可見(jiàn)，保持吸力F不變，U、S和lc、δ、g等均不變，而f變大了，就必須改變線(xiàn)圈的匝數(shù)，使fW乘積不變，假如50Hz時(shí)W是10000匝，fW＝500000安匝，如今f變?yōu)?00Hz，則匝數(shù)應(yīng)減到原匝數(shù)的十分之一。 按上述，使用者應(yīng)向制造廠(chǎng)申請(qǐng)供應(yīng)高頻用欠電壓或分勵(lì)脫扣器，（制造廠(chǎng)在重新設(shè)計(jì)時(shí)，不單純把匝數(shù)降下來(lái)，還得考慮線(xiàn)圈的激磁電流等問(wèn)題，而且還有許多工藝措施要跟上。）