论小型直流断路器的选择性保护

论小型直流断路器的选择性保护
北京人民电器厂有限公司 南寅 赵志群 张自峰
2009-4-11
摘要：本文介绍一种二段式保护小型直流断路器，它分别具有极高的限流特性和延迟
动作特性，这二种特性在电力直流电源系统中有机的配合使用，可实现一只馈电屏断路器
对多只测控保护屏断路器的配合而且具有选择性保护，有着很高的技术、经济价值。
关键词：选择性 级差配合 限流特性 动作时间 小型直流断路器
0 前言
小型直流断路器具有安装维护方便、操作灵活、稳定性高等特点，在电力直流系统中
应用已经十分广泛。它担负着继电保护、自动装置、控制操作回路在产生故障电流时的保
护作用。
变电站直流系统采用放射形、放射形与环形混合及环形等多种供电方式，保护电器（直
流空气开关）一般为三级或四级串联使用。变电站典型三级串联系统如下：第一级为蓄电
池出口断路器或熔断器，第二级为动力母线和控制母线馈出断路器，第三级为测控保护屏
断路器或高压断路器操作回路断路器。四级级差系统的第三级为分电屏断路器，第四级为
测控保护屏断路器或高压断路器操作回路断路器，第一、二级保护电器同三级级差系统。
直流断路器上下级之间的选型正确与否以及是否把直流电源的故障电流限制在最小范
围内，关系到电力系统运行的安全，对防止系统破坏、事故扩大和设备损坏极为重要。本
文就变电站三级级差系统和四级级差系统利用二段式小型直流断路器的高限流特性和延迟
动作特性，来解决现实存在的系统级差配合问题和接线复杂问题，并为用户提供既经济又
可靠的直流电源系统保护电器配置方案。
1 存在的各种问题
在直流系统中，因各地供电局对各变电站蓄电池容量的选取、直流屏及测控保护屏供
电方式、连接方式和保护重要度等技术要求不同，其分布位置就相应不同，导致导线、导
体选取的截面积、长度都不一样，这些因素的差异，都会使回路电阻值产生变化，电阻值
1的变化使短路电流值也随之产生变化，致使每个站的短路电流都不一样。所以，变电站直
流系统的断路器级差配合方案设计，由于上述因素的变化太大，一直没有很好的办法解决。
我们调查了一些区域的变电站：馈电屏直流断路器出线端所接导线为4mm2，此规格导
线允许长时间通过的电流要小于 25A。用户为了扩大与测保屏断路器的选择性范围，把馈
电屏断路器电流规格最大提高到 63A。这一定程度上能够解决短路保护的选择性问题，但
这又带来了过载保护的非选择性问题：开关规格和导线截面积不匹配。这时，当导线出现
36A～70A电流时，馈电屏断路器将不能行使对导线的过载保护，这就造成了导线长时间过
载运行，甚至会导致线路着火的严重事故。
为满足级差配合的选择性要求，实现上级断路器不误动，或者即使上级误动，也不致
于造成事故扩散，现在很多直流系统中馈电屏（或分电屏）上断路器与测控保护屏上断路
器采用一对一的供电方式，该方式导致的问题是：每对断路器之间都有二条导线，馈电屏
（或分电屏）与测控保护屏之间的距离小则十几米，多则上百米，这又多又长的导线捆在
一起，经过多年的运行使用会产生复杂而又混乱问题，如：导线与断路器连接松动；导线
的绝缘下降；意外的损伤、咬伤；交织在一起的导线隐藏着多路相互短路或电弧放电着火
等危害，将会导致测控保护屏全面失电的重大隐患。
还有一种存在隐患的直流系统保护电器的配置方式是：为了跟上级馈电屏或分电屏上
的C型脱扣器特性、16～32A的直流小型断路器实现选择性保护，而在测控保护屏选用B
型脱扣器特性、2A~6A 的直流小型断路器，此种方式存在着误动的可能。 标准
GB10963.2-2008《家用及类似场所用过电流保护断路器第二部分：用于交流和直流的断路
器》规定，B型脱扣器特性的短路瞬时动作范围是4～7In。如果测控保护屏中某一回路选
用B2A微型断路器，那么回路中电流只要大于8A，比如 8.5A，这个断路器瞬时脱扣器就
有可能会动作（0.01s内）。而安装于测控保护屏中的各种装置，因为功能不同，特性不同，
生产厂家不同，在启机、运行过程中，都有可能产生足够使B型特性断路器误动作的扰动
电流。因此，测控保护屏上的直流微型断路器应选用瞬动脱扣器倍数较大的C型脱扣器特
性（短路瞬时脱扣器动作范围符合7～10In）。
同时，末端高压断路器操作箱中的小型直流断路器，由于一直没有相应规范对其进行
约束，导致此断路器选型极不规范，甚至有的厂家配置的断路器达到 32 或 40A，这给系
统带来极大的安全隐患。
以上种种配置方案，均是由于末段测控保护屏或操作箱断路器限流效果太差或额定电
2流值选得太大，导致上端断路器不得已选得越来越大。因此末端测控保护屏或高压断路器
操作箱中小型断路器要选用适合的额定电流值和提高的限流效果，这是必要而且急需的。
2 实现级差配合的条件
直流断路器上下级能否实现级差配合，取决于回路中流过的短路电流值及上下级断路
器的动作时间差。只有在回路中的短路电流值低于上级断路器的瞬动值，或虽达到了上级
断路器的瞬动值但下级断路器先于上级分断的情况下，才能实现断路器间的级差配合。因
此，为实现级差配合，一个途径是要实现上下级断路器的动作时间差，另一个途径是要降
低回路短路电流值，限流型小定值的直流断路器对降低回路短路值有显著作用，因此最末
级小型断路器的限流性能又是整个直流系统实现选择性配合的关键要素。
目前现场应用的一般为 3 级限流的进口或国产断路器（现在市场上流通的二段式小型
断路器全部为3级限流），存在着无选择性配合的问题。主要原因是：测控屏保护屏及分电
屏（或馈电屏）所使用的这些 3 级限流小型断路器限流能力差，尤其是测控保护屏上的
2A~6A断路器限流能力差，不能有效降低回路短路电流，同时上下级同型断路器动作时间
相同，在回路短路电流达到上级断路器动作值时上下级同时动作形成误动。
所以，最根本的措施一是要提高测控保护屏2A~6A断路器的限流性能和分断速度，二
要将分电屏和馈电屏上直流断路器的短路瞬时脱扣器动作倍数阈值加大，使其延迟动作。
这样，上、下级断路器在分断短路电流时，会有一个时间差，并使经测控保护屏上2A~6A
断路器限流分断以后的短路电流超过上一级断路器瞬时脱扣器动作阈值的维持时间不超过
0.6ms，这样才能保证上级断路器在直流电源系统中不误动和不拒动。
3 具有良好级差配合特性的 GM5-63 系列小型直流断路器
北京人民电器厂通过多年的试验研究，开发出GM5-63C（L）快速限流型和 GM5-63C
（H）延迟动作型小型直流断路器。GM5-63C（L）快速限流型断路器具有极高的限流性能，
远远超过了 3 级限流的技术指标，并且，在分断短路电流时，其分断速度可以在上级断路
器对短路电流做出反应之前而将短路电流迅速分断。与之相配合的上级 GM5-63C（H）延
迟动作型小型直流断路器，内置北京人民电器厂独家拥有的延迟动作脱扣器。通过
GM5-63C（L）和 GM5-63C（H）两款断路器的绝佳配合，能满足直流系统对小型断路器
3的限流和选择性保护的要求。
GM5-63系列小型直流断路器是由多种技术结合的一种新型产品：
一是根据众所周知的小型断路器限流特性：断路器的反向斥力触头在通过大的短路电
流时，触头间产生电动斥力限制了短路电流，并且断路器动作速度很快（短路电流越大脱
扣速度越快），触头迅速分断，使短路电流在上升中途，还没有达到预期电流峰值之前而下
降，最终被完全熄灭。即断路器在短路电流上升过程中，具有“截断”电流的能力。GM5-63
C（L）系列小型断路器采用北京人民电器厂自主知识产权的超级限流技术，在短路电流达
到2000A~4000A时，使限流系数达到 0.07~0.32。
以 GM5-63 C（L）型断路器、6A规格为例。根据实际试验数据（用户可参考图1），
预期短路电流达到3000A，而实际被限制的短路电流峰值仅为690A，限流系数为0.23；以
GM5-63C（L）型断路器、4A规格为例。根据实际试验数据（用户可参考图1），预期短路
电流为2000A，而实际被限制的短路电流峰值为480A，限流系数为0.24，限流效果非常明
显。
图1 GM5-63 C（L）、C（H）系列小型直流断路器限流曲线
4图2 GM5-63C（L）、C（H）系列小型直流断路器能量限制曲线
二是级联选择性技术：GM5-63C（L）系列小型直流断路器采用快速分断技术，使用
一种新型机构，使断路器全分断时间被控制在 2ms 以内，经其分断限流以后的短路电流超
过上一级断路器瞬时脱扣器动作阈值的维持时间不超过0.6ms；GM5-63C（H）采用大行程
的瞬时脱扣器技术，使电流上升到其瞬动脱扣器动作阈值时间加上瞬时脱扣器的空行程总
时间控制在大于0.8ms。这种级联技术在上、下级断路器短路瞬时脱扣器之间存在着动作分

尊敬的用户， 小型直流断路器的选择性保护是指在电力系统中，特别是在直流电路中，用于确保电流安全传输的一种关键功能。它主要涉及到以下几个方面： 1. **保护级别**：选择性保护要求断路器能够区分不同故障类型，如短路、过载和欠压等，并仅在必要时切断故障电流，以防止设备损坏或火灾风险。对于小型设备，这尤为重要，因为它可能没有足够的裕度来承受大电流冲击。 2. **灵敏度**：好的选择性保护需要有适当的灵敏度，即对微小的电流变化或故障能快速响应。这样可以确保在发生小故障时能迅速隔离，避免故障扩大。 3. **分段能力**：如果系统较大，可能需要多级保护。小型断路器应具备分段能力，即在一级保护失败后，仍能通过后续级保护来切断电源，保证系统的安全性。 4. **适应性**：针对不同的应用环境和负载类型，断路器应具备良好的适应性，比如对于电动机负载，可能需要特殊的保护特性。 5. **智能功能**：现代直流断路器可能还包含智能化元素，如自诊断、远程监控等，能实时评估并优化保护性能。 因此，在选择小型直流断路器时，您需要考虑其技术规格、额定电流、保护特性以及与您的具体应用是否匹配。如果您有任何关于特定型号或技术问题的疑问，欢迎随时向我提问，我会尽力提供帮助。