1 交流斷路器使用于直流電路的問題 隨著社會主義建設的發(fā)展，應用直流電的區(qū)域和部門越來越多，如發(fā)配電系統(tǒng)、城市和礦山的牽引車、電氣化鐵道、化工、冶金及國防工業(yè)等。按交流50Hz設計的塑料外殼式斷路器（以及萬能式斷路器）能否使用于直流電路作線路保護之用呢?經(jīng)歷多年的實踐說明，可以使用，但其電流的整定值及接線等需要作一些更改或修正。 1．1 保護特性 1．1．1 過載長延時保護特性 （1）熱動式（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變化。但當額定電流大于1500A時，因集膚效應等因素， 　　交流電流有效值產生的熱量要大于直流，但影響不是太大，所以熱動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，動作特性要變化。變化的范圍為110％—140％原動作電流（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，其脫扣器要重新設計。 1．1．2 瞬時脫扣器 凡是采用電磁鐵作電磁脫扣器（瞬時動作脫扣器）者，其瞬動電流整定值將有所變化，變化率取決于直流的波形。對于經(jīng)交流整流，又予以濾波的直流電路，其瞬時動作整定電流約為交流的1.30倍，如交流的瞬動是10In（In為額定電流）則斷路器用于直流電路，應將其出廠試驗時調整到13In，其整定誤差值（例如±20％）可以不變。 1．1．3 電子式脫扣器 無論是過載長延時或是短路瞬時，原按交流50Hz設汁的電子式脫扣器都無法使用在直流電路。 1．2 短路電流的通斷 眾所周知，50Hz的交流電流，每秒鐘有100次的電流過零點。在此瞬間無電流，即使斷路器的動、靜觸頭間有電壓（如是純電感負載，i＝0時U最大，純電容負載也是如此，純電阻負載，i＝0，U＝0），電弧也比較容易熄滅。但直流電流無過零點這一特性，電弧切斷有相當大的困難。使用交流50Hz的斷路器于直流電路作保護電器時，必須采取多斷點的接線方式。 　　多斷點的接線方式有兩種，一是串聯(lián)，二是并聯(lián)，如圖1、圖2所示。 　　圖1中的多種型號斷路器運用的直流電壓應是250V。 　　對于直流系統(tǒng)，只要電壓值一致，則原用于交流的欠電壓脫扣器和分勵脫扣器，不需作任何的改變，可用于直流電路。 2 按50Hz設計的斷路器使用于高頻電路 在工業(yè)范圍內，有些工業(yè)部門對驅動電動機設計了較高的頻率，例如紡織工業(yè)中使用的高速電動機，其頻率達100—120Hz，木材加工工業(yè)中使用的同頻電動機頻率達300Hz，航空工業(yè)中的一些設備，其頻率規(guī)定為400Hz等（電動機的轉速n，n＝60f/p，n與頻率f成正比）。 如果使用按50Hz設計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 導體的發(fā)熱、負載能力的降低問題 交流導體有集膚效應和鄰近效應。集膚效應等使得導體的截面只有一部分用來流通電流，因此導體的交流電阻將隨頻率的增大而呈線性的增高。對于直徑為10mm的銅線來說，可利用的截面是： 在1kHz時，約為50Hz的60％； 在10kHz時，約為50Hz的20％。 另外，這種高頻還將對導體相鄰的鐵磁性材料產生磁感應，引起“磁滯損耗”?！按艤p耗”是隨頻率的增高而迅速增加的，對相鄰的金屬材料還會產生“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，由集膚效應而使導體電阻的變大，且使與斷路器連接電路的相鄰部件如轉軸、操作機構、緊因件等金屬材料件的磁滯和渦流損耗增加，如使用同樣的負載電流，斷路器的溫升勢必超過其產品的規(guī)定值，引起產品熱老化，導致斷路器使用壽命的降低。 由于以上原因，斷路器的負載能力（額定電流），將按式（1）變化： 　 　　　 式中 fx——高于50Hz的電網(wǎng)頻率 In（fx）——頻率為人時的負載能力（額定電流） In（50Hz）——頻率為50艙時的負載能力（額定電流） 按式（1）計算得出表1的允許工作電流值與頻率的關系，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）必須相應地降低。 2．2 母線排的負載能力 在頻率超過50Hz時，母線排的允許工作電流（額定電流）可按式（2）得出： 　　　　 式（2）反映了導體截面的利用率 1kHz時，In （1000Hz）＝22％In （50Hz）； 10kHz時，In （1000Hz）＝7％In （50Hz）。 2．3 高頻時斷路器的短路分斷能力 交流電器開斷短路電流時，使電弧熄滅在于電流的過零點，只有在過零點后采用滅弧手段，阻止電弧重燃，才能有效地分斷電弧。頻率較高時，電流迅速地一個又一個地過零，縮短了每個半波的電弧周期，斷口間隙（打開的動、靜觸頭之間）中的電離度，小于50Hz時的電離度，由于周期短，高頻時的去游離度也小于50Hz時的去游離度，因此高頻時，電弧的熄滅，較50Hz有利有弊，根據(jù)實測，從50—100Hz的這個范圍，短路分斷能力基本上變化不大，即使是200—400Hz，分斷能力的降低，也不過在10％左石。 2．4 高頻時斷路器的脫扣器動作特性的變化 （1）過載長延時反時限特性（熱動脫扣、即雙金屬元件脫扣器），它是直接通過工作電流的發(fā)熱（或通過發(fā)熱電阻元件發(fā)熱，將熱傳遞給邊上的雙金屬元件）或通過電流互感器的副邊電流來加熱，使雙金屬元件受熱彎曲，經(jīng)一定的空行程延時，最終推動脫扣件使斷路器跳閘的。 在頻率在500Hz之內，主要熱量來自導體的正常發(fā)熱，由高頻引起的感應熱量，實際上是很小的，可以忽略不計，脫扣時間僅比50Hz時略快一點。當頻率大于500Hz時，感應發(fā)熱就不容忽視了，頻率越高，脫扣時間就越短。因此，當使用于大于等于50Hz電源時，用戶應向制造廠特殊訂貨，由制造廠采用適用的材料并在裝配時調整雙金屬元件的距離，以適應高頻電路的需要。 （2）瞬時動作脫扣器 用非延時電磁鐵式過電流脫扣器作短路保護用的瞬時動作脫扣器是一種電流型脫扣器，它的動作與其通過電磁鐵的電流大小成正比（嚴格地說，產生電磁吸力是與通過它的磁勢，即電流值和繞它的線圈匝數(shù)的乘積成正比的）。除了電流值外，還和電流存在（保持）的時間有密切關系。頻率為50Hz時，電磁式脫扣器約在一個半波峰值電流時就能動作，即在半波時間內產生的吸合力就足以使脫扣器的動鐵芯（銜鐵）被吸往其終端位置，而使斷路器跳閘。頻率較高時，半波時間變短，銜鐵要在達到的有效值時才能動作，顯然，如果不提高電流值，高頻時是無法在半波時間僅50Hz的50％（對100Hz而言），25％（對200Hz而言），甚至12．5％（對400Hz而言）時就動作。國外有些大的制造廠家對頻率從最小的162／3Hz（美國有使用此頻率的）到500Hz的電源作了大量試驗，試驗表明，頻率越高，所需提高的電流值就越大，其線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，到了500Hz，其電流值要提高到500×√2＝707A。 （3）欠電壓脫器和分勵脫扣器 國家標準規(guī)定： 欠電壓脫扣器：70％—35％Ue， 釋放（斷路器斷開） 　　　　　　　　　85％—110％Ue，閉合（斷路器接通） 分勵脫扣器： 70％—110％Us，吸合（斷路器斷開） 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圈，其電磁吸力取決于Φ值，Φ＝BS。 按公式 U／≈4．44 fBSW來設計磁通Φ的大小。 BS= U／4．44 fW 式中 B——磁感應強度 　　　　S——電磁鐵芯的截面積 設電磁鐵的吸力為F F∝B2·S 現(xiàn)在提出以50Hz設計的欠電壓或分勵脫扣器使用于高頻電路，就表明電磁鐵的機構（鐵心式樣、截面積、磁路長度等）均是不變化的。 吸力F既與B、S成正比，而B值又與施加的電壓值和頻率f及線圈匝數(shù)W等有關，經(jīng)轉化，對交流電磁鐵（電壓線圈）來說，其吸力F為： 　　　　 式中 lc——鐵芯的磁化長度 δ——電磁鐵的鐵芯與銜鐵之間的空氣氣隙 μ0——空氣中的導磁率 g——單位長度的漏磁通 從式（3）可見，保持吸力F不變，U、S和lc、δ、g等均不變，而f變大了，就必須改變線圈的匝數(shù)，使fW乘積不變，假如50Hz時W是10000匝，fW＝500000安匝，如今f變?yōu)?00Hz，則匝數(shù)應減到原匝數(shù)的十分之一。 按上述，使用者應向制造廠申請供應高頻用欠電壓或分勵脫扣器，（制造廠在重新設計時，不單純把匝數(shù)降下來，還得考慮線圈的激磁電流等問題，而且還有許多工藝措施要跟上。）