对组合电器中负荷开关与熔断器之间的配合特
【摘要】本文通过对组合电器中负荷开关与熔断器配合特性的分析负荷开关-熔断器组合，认为减少熔断器在转换中的预弧时间。电流区域或适当增加熔断器的触发，负荷开关分闸时间T0可以降低组合用电设备需要分断的转移电流值，针对现有的降低转移电流提出具体方案组合电气设备。
【关键词】组合电器 协调 研究
1 概述
负荷开关-熔断器组合电器，熔断器用于分断过载电流和短路电流；负荷开关用于分断正常负荷电流或转移电流，并具有闭合短路电流的能力。两种具有各自特点的电器组合在一起，使组合电器具有很多优点。
首先，对于一个开关来说，负载脱落频繁发生，短路保护很少发生。组合电器可以分离控制和保护的功能。大量频繁发生的甩负荷工作由负荷开关完成，而少见的短路分断由熔断器完成。其次，组合电器中的限流熔断器具有限流特性和快速分断短路电流的优点。当发生较大的短路电流时，熔断器 在电流达到预期值之前迅速断开电路。负荷开关-熔断器组合，使被保护的用电设备免受巨大短路电流的危害，使用电设备的保护更加可靠。与 断路器 相比，组合电器结构简单，成本低，在许多应用中可靠性高。因此，组合电器近年来在城市电网中得到广泛应用。但由于负荷开关与熔断器配合不当，很多组合电器产品分断和传递电流的能力较差，使用范围受到很大限制。很多学者讨论了的配合关系[1, 2]，但是组合电器中使用的熔断器和负荷开关应具备哪些特点才能实现两电器的最佳配合，有没有具体的研究报告。近年来，组合电器在城市电网中得到广泛应用。但由于负荷开关与熔断器配合不当，很多组合电器产品分断和传递电流的能力较差，使用范围受到很大限制。很多学者讨论了的配合关系[1, 2]，但是组合电器中使用的熔断器和负荷开关应具备哪些特点才能实现两电器的最佳配合，有没有具体的研究报告。近年来，组合电器在城市电网中得到广泛应用。但由于负荷开关与熔断器配合不当，很多组合电器产品分断和传递电流的能力较差，使用范围受到很大限制。很多学者讨论了的配合关系[1, 2]，但是组合电器中使用的熔断器和负荷开关应具备哪些特点才能实现两电器的最佳配合，有没有具体的研究报告。
本文在分析组合电器中负荷开关、熔断器、熔断器冲击器等电气元件配合特性各自的功能要求的基础上，提出优化设计方案满足组合电器匹配特性的要求。寻求低成本，利用协调特性，有效降低组合电器所需分断的转换电流，实现组合电器中负荷开关与熔断器的最佳配合。
2 组合电器协调特性的影响因素
2.1 负荷开关与熔断器的配合
负荷开关-熔断器组合电器的任务很明确。负荷开关中断工作电流，熔断器承担短路保护。中间有过流区，负载开关和熔断器有可能同时动作。因此，只有两个电器的分断能力相互配合，才能顺利完成分断任务。
负荷开关与组合电器中熔断器的组合操作过程较为复杂，与电路中的电流密切相关。分断小电流时（如小于熔断器额定电流的3倍），组合电器的分断由负荷开关单独完成，负荷开关为三相分断，三相分断-相电弧熄灭；当电路出现故障时，当电流（约熔断器额定电流的20倍以上）较大时，熔断器工作在故障电流的前半波，后半波（10ms )，三相电路已经断开，负载开关的后续操作为空载操作；当电流在转接电流范围内（熔断器额定电流的3～20倍），三相熔断器中的一个先动作，同时其撞针触发负荷开关关闭。其他两相电路可能会被负载开关或熔断器 中断。此时熔断器配合负荷开关完成中断任务[3]。
可见，转移电流是指熔断器与负荷开关分断功能时的三相对称电流。当低于此值时，第一个断相电流由熔断器分断，其他两相电流由负载开关分断。高于此值，三相电流只能由熔断器 中断。
2.2 传输电流的影响因素
由于制造过程中不可避免的偏差，熔断器的时间-电流特性曲线也存在误差。当三相故障电流通过熔断器时，三相熔断器不可能同时断路。，如果第一开相与其余两相在起弧前的时间差大于熔断器触发的负荷开关分闸时间，负荷开关将分断并转移电流。
图（1）显示了转移电流范围内可能出现的最大和最小熔断器时间-电流特性曲线。为分析方便，将传输电流小区域内的特性曲线近似视为一条直线。最小时间-电流曲线上的Tm1为三相故障电流I1先作用时的熔断器熔断时间；Tm2是第二相熔断器动作时的熔断时间，因为第二相熔断器已经忍受了三相故障电流I1的时间Tm1，所以Tm2小于两相对应的时间最大时间-电流曲线上的相电流 (0.87I1)。根据标准，三相第一开相与第二相的起弧前时间差ΔT的关系熔断器
ΔT=1.1Tm1(1)
1——最大时间-电流特性；2—最小时间-电流特性
图1熔断器可能的最大和最小时间-电流特性
在转换点，ΔT应等于熔断器触发的负荷开关分闸时间T0，即：
T0=ΔT=1.1Tm1
或者：
Tm1=0.9T0(2)
可以看出，在熔断器的最小时间-电流特性曲线上，取弧前时间对应的电流等于0.9T0，即为所需的转移电流值[4]。因此，熔断器的弧前时间-电流特性和熔断器触发的负载开关的分闸时间T0是决定转移电流大小的重要因素。
熔断器 在 3 个组合设备中
3.1熔断器弧前特性对转移电流的影响
组合电器中使用的熔断器应具有其他特性，以实现负荷开关与熔断器的最佳配合。如图（2）所示，假设曲线1和2是两条不同的熔断器时间-电流特性曲线的下限。对比曲线1和曲线2可以发现，在相同电流条件下，曲线1的弧前时间比曲线2长，曲线2的时间-电流特性曲线位于转移电流区在曲线1的左下方，如取0.9T0时间，可以通过两条曲线读出对应的转换电流值：Itc2
1——较长的弧前时间；2—更短的弧前时间
图 2 不同的 熔断器 时间-电流特性
3.2 熔断器的优化设计
为提高转移电流区熔体的熔化速率，必须对现有熔断器的熔体尺寸进行修改，并尽量减少对熔断器其他特性的影响。在高压限流熔断器简化结构的基础上，建立熔体二维温度场和电流场的联合数学模型，采用有限元法求解，可以计算出熔断器的弧前时间-电流特性曲线。使用文献[5]提供的熔断器参数，计算了50ms～范围内的时间-电流特性，结果如图（3）所示，其中曲线1为熔断器的时间-电流特性常用熔断器，熔体厚度为0., 曲线2为样品熔断器的时间-电流特性，熔体厚度为0.，两个熔断器的其他尺寸完全相同。对比曲线1和2可以看出，曲线2在曲线1的左下方，即在通过相同电流的条件下，熔体的厚度减小了，从而使弧前时间为保险丝明显减少。虽然熔断器的温升有所增加，但仍能满足标准要求。使熔断器的预电弧时间显着减少。虽然熔断器的温升有所增加，但仍能满足标准要求。使熔断器的预电弧时间显着减少。虽然熔断器的温升有所增加，但仍能满足标准要求。
1—常用熔断器的时间-电流特性曲线
2—试片熔断器的时间-电流特性曲线
图3熔断器时间-电流特性曲线
假设有0.9T0=90ms，从曲线1可以读出组合电器的转移电流约为，从曲线2可以读出组合电器的转移电流约为20%，转移电流减少了 23%。这些计算和实验的结果已经成功地应用于高压限流熔断器的新产品设计中。
熔断器 在组合电器中的 4 个冲击器
组合电器中使用的熔断器的冲击器，其主要作用是在电弧击中熔断器后触发负荷开关跳闸和分闸。根据 2.2 节的分析，T0 决定了传输电流的大小。其中重要的因素之一，标准将熔断器触发的（负荷开关的）分闸时间定义为：从熔断器起弧时刻到所有相弧触点都接通时的时间间隔。分开。因此，T0 由负载开关的固有打开时间 tg 和 熔断器 撞针的动作时间 tc 组成。
以弹簧式冲击器为例，以目前高压限流中常用的中型冲击器熔断器为试验样品，选用的电流（有效值）在5A~25A之间，在不同的电流条件下测量冲击器。动作特性，根据测量结果绘制冲击器动作特性IT曲线，见图（4）。熔断器撞针的行程持续时间tc 与通过撞针的电流有关。电流越大，撞针的动作时间越短，其动作特性为反时延特性。根据各种冲击器测试测量，行程持续时间约为 20ms [6]。
图4 冲击器动作特性曲线
根据-1标准[7]，熔断器冲击器行程持续时间tc不得超过，若将当前冲击器作用时间延长至0.9T0=，则可从图3中的曲线2得到转移电流。 800A。因此，在产品设计时可以适当增加tc，也可以达到降低传输电流的目的，但必须满足标准8.2.3的要求，即熔断器无损伤容限时间至少比 T0 长 50%。
5 组合电器中的负荷开关
在组合电器的配合特性中，负荷开关的设计和选择尤为重要。负荷开关固有的分闸时间和负荷开关中断过载电流的能力是协调特性中的关键参数。
负荷开关通常有普通型和频繁型两种。通用型通常为采油、采气和压缩空气负荷开关，具有成本低、结构简单的优点；常用型常为真空和SF6负荷开关，其优点在于结构紧凑，基本免维护，寿命长。由于空气介质的绝缘抗压强度和去离子能力低于真空或SF6，所以一般负荷开关的分闸距离和超程较大，负荷开关的固定时间tg较长，一般为65-80ms，而真空或SF6负荷开关的开启距离和超程小，负荷开关的固持时间tg通常只有10-20ms，常用冲击器的动作时间在20ms左右，所以熔断器T0触发的负荷开关分闸时间，一般型约40ms，频繁型约40ms。根据转移电流的计算方法，可以从熔断器类型的时间-电流曲线得到。一般型约为约，频繁型约为约。
由于负荷开关的额定电流主要取决于导体截面、接触条件、散热条件等，而分断电流能力主要取决于分闸速度、灭弧条件等，所以一般负荷开关在相同的额定电流电压等级不同的频繁负荷开关，由于工作原理、灭弧条件等因素的不同，其额定电流虽然相同，但分断能力却大不相同。型负荷开关的分断能力通常为左右，频繁型负荷开关可以达到以上。虽然能满足匹配特性的要求，但没有余量，影响组合电器的可靠性。
由以上分析可知，组合电器中的负荷开关应从其固有的分闸时间和分断过载电流的能力两方面来考虑。电流值较低，设计应重点改进灭弧室结构，优化操作机构，增强灭弧能力；对于频繁使用的负荷开关，由于其中断过载电流的能力强，其固有的分闸时间较短。如果比较短，可以考虑在设计中适当增加脱扣延时，或者选择行程持续时间tc比较长的熔断器冲击器，增加T0，降低转接电流值。
六，结论
(1)在匹配特性中综合考虑负荷开关、熔断器、熔断器撞针等电气元件在组合电器设备中的功能，可以优化组合电器设备的匹配特性。
（2）在保证熔断器其他性能基本不变的前提下，减少熔断器在转移电流区的预弧时间，可以降低组合需要中断的转移电流电气设备由于匹配特性。
(3)适当增加撞针的行程持续时间tc或负荷开关的固有分闸时间tg，可以降低组合电器需要分断的转换电流值。
(4)本文所述的设计方案和理论分析已通过实际验证，并已在产品中得到应用。
