遠(yuǎn)程脫扣隔離開關(guān)的研究

摘 要： 設(shè)計(jì)并試驗(yàn)驗(yàn)證了一種帶遠(yuǎn)程脫扣功能的隔離開關(guān)。產(chǎn)品主要特點(diǎn)是帶遠(yuǎn)程脫扣功能，當(dāng)電氣線路發(fā)生故障時(shí)，控制器能將“分閘信號(hào)”傳遞給隔離開關(guān)，迅速斷開故障電路，實(shí)現(xiàn)隔離保護(hù)。產(chǎn)品符合GB/T 14048.3—2017標(biāo)準(zhǔn)，可用于光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞： 遠(yuǎn)程脫扣隔離開關(guān); 試驗(yàn)驗(yàn)證; 隔離保護(hù); 光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)

中圖分類號(hào)： TM564.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 2095-8188（2024）12-0051-06

DOI： 10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.12.009

Research on Remote Tripping Disconnector

WANG Yue， SHENG Yongbing

（Shanghai Jingsi Intelligent Technology Co.，Ltd.， Shanghai 201315， China）

Abstract： A disconnector with remote tripping function is designed and tested.Its main feature is the remote tripping function.When the electrical circuit fails，the controller can transmit the “opening signal” to the disconnector.The fault circuit is quickly disconnected to realize the isolation protection.This product complies with GB/T 14048.3—2017 standard and can be used in photovoltaic energy storage systems.

Key words： remote tripping disconnector;experimental verification; isolation protection; photovoltaic energy storage system

0 引 言

在“雙碳”目標(biāo)背景下，我國(guó)太陽(yáng)能和光伏發(fā)電逐漸由補(bǔ)充能源向主力能源轉(zhuǎn)變，預(yù)計(jì)到2030年，風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)到12億kW。同時(shí)，隨著光伏電池板功率和直流側(cè)電流的增大，故障起火風(fēng)險(xiǎn)增高，不僅影響發(fā)電收益，而且會(huì)對(duì)人身和財(cái)產(chǎn)造成傷害。在傳統(tǒng)的組串式方案中，逆變器內(nèi)部短路時(shí)，無(wú)主動(dòng)分?jǐn)嗥骷瑢?dǎo)致光伏電站的安全隱患凸顯。

近年來(lái)，逆變器廠家、認(rèn)證機(jī)構(gòu)和開關(guān)器件廠家均提出在逆變器直流側(cè)增加可智能斷開電路的隔離開關(guān)，化被動(dòng)保護(hù)為主動(dòng)保護(hù)，通過(guò)逆變器的控制器實(shí)時(shí)檢測(cè)組串的電流、電壓等信號(hào)來(lái)判斷系統(tǒng)工作狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，控制器主動(dòng)將“分閘信號(hào)”傳遞給直流開關(guān)，迅速發(fā)出脫扣保護(hù)和主動(dòng)告警，有效斷開直流電流能量，實(shí)現(xiàn)被動(dòng)保護(hù)到主動(dòng)保護(hù)的轉(zhuǎn)變。在此背景下，智能遠(yuǎn)程脫扣隔離開關(guān)應(yīng)運(yùn)而生^［1］。

1 遠(yuǎn)程脫扣隔離開關(guān)的組成

遠(yuǎn)程脫扣隔離開關(guān)由觸頭極和機(jī)構(gòu)極2大部件組合而成，通過(guò)超聲波焊接將2大部件焊接在一起。以KSiG1-50遠(yuǎn)程脫扣隔離開關(guān)為例，遠(yuǎn)程脫扣隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)極如圖1所示;遠(yuǎn)程脫扣隔離開關(guān)觸頭極如圖2所示。

2 遠(yuǎn)程脫扣隔離開關(guān)觸頭極的設(shè)計(jì)

觸頭極的作用主要是承載和分?jǐn)嚯娏鳎_保故障能夠完全被切除，以免因持續(xù)過(guò)流而損壞器件甚至發(fā)生火災(zāi)。本產(chǎn)品最高運(yùn)行電壓DC1 500 V、最高運(yùn)行電流50 A，依據(jù)GB/T 14048.3—2017

《低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第3部分：開關(guān)、隔離器、隔離開關(guān)及熔斷器組合電器》^［2］，PV2使用工況下時(shí)，DC 1 500 V電壓下，分?jǐn)嚯娏饕_(dá)到4Ie，應(yīng)用場(chǎng)景非常嚴(yán)酷，因此觸頭極滅弧系統(tǒng)的設(shè)計(jì)尤其重要。直流滅弧的原理是電弧具有伏安特性，表達(dá)式為

UC=IR+Uarc+LdIdt（1）

式中： UC——直流電源電壓;

L——電路電感;

I——電流;

R——電路電阻;

Uarc——觸頭間電弧電壓。

由式（1）可得，電流要過(guò)零點(diǎn)，必須滿足dI/dt為負(fù)，并且維持足夠長(zhǎng)的時(shí)間，即直流電弧熄滅的前提條件：在足夠長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持IR+Uarc＞UC，因此設(shè)計(jì)上需要迅速抬高電弧電壓才能熄滅電弧?？梢詮南旅?個(gè)方面入手，在設(shè)計(jì)上保證產(chǎn)品分?jǐn)嗟目煽啃浴?/p>

2.1 動(dòng)觸頭的設(shè)計(jì)

動(dòng)觸頭的設(shè)計(jì)主要考慮分?jǐn)嗪蛢?nèi)阻的平衡問(wèn)題，選取了較高的分?jǐn)嗄芰?，終壓力適中，內(nèi)阻穩(wěn)定在1.1 mΩ以下。

2.2 動(dòng)觸頭支架的設(shè)計(jì)

動(dòng)觸頭支架設(shè)計(jì)主要考慮產(chǎn)氣性能和耐高溫性能2個(gè)方面。

首先，從產(chǎn)氣的角度看，聚酰胺66（PA66）材質(zhì)和聚甲醛（POM）材質(zhì)產(chǎn)氣效果相當(dāng)，POM產(chǎn)氣略大于PA66。不同產(chǎn)氣材料的開斷試驗(yàn)結(jié)果^［3］如表1所示。

產(chǎn)氣材料受電弧侵蝕后產(chǎn)生氣體，進(jìn)而會(huì)在短時(shí)間內(nèi)迅速增大滅弧室內(nèi)壓力，使滅弧室內(nèi)壓力與外界氣壓力形成滅弧室通過(guò)出氣口的氣流。該氣流能推動(dòng)電弧向柵片運(yùn)動(dòng)并進(jìn)人柵片，也對(duì)電弧進(jìn)行對(duì)流冷卻，同時(shí)產(chǎn)氣材料產(chǎn)生的氣體中含有H2。H2有良好的導(dǎo)熱性能，對(duì)冷卻電弧起到關(guān)鍵作用。

其次，由于光伏逆變器的使用場(chǎng)景中可能存在長(zhǎng)期高溫的情況，因此選擇長(zhǎng)期耐高溫的觸頭材料是必須要考慮的因素，并且當(dāng)前的光伏逆變器頭部企業(yè)都要求材料的相對(duì)溫度指數(shù)（RTI）≥120 ℃。

經(jīng)查詢對(duì)比，當(dāng)前具有UL黃卡的材料中，POM的RTI=110 ℃，PA66的RTI=140 ℃。綜上所述，觸頭材料最好的選擇是PA66。

2.3 磁體的布局設(shè)計(jì)

磁體的布局直接影響開關(guān)的分?jǐn)嗄芰?，兼顧結(jié)構(gòu)創(chuàng)新和規(guī)避專利，分別在合閘位置和分閘位置區(qū)域布局了磁體。

動(dòng)靜觸頭剛開始分離時(shí)即出現(xiàn)拉弧，電弧在磁鐵的磁場(chǎng)作用下被拉長(zhǎng)，同時(shí)電弧開始侵蝕觸頭材料，材料開始產(chǎn)氣，滅弧室腔內(nèi)氣壓增大;然后分閘動(dòng)作完成，分閘位置的磁體也參與吹弧，在磁吹和氣吹的作用下，電弧迅速進(jìn)入滅弧室內(nèi)被切割，電弧電壓迅速抬高，電弧熄滅^［3］。

2.4 滅弧室的設(shè)計(jì)

滅弧室的設(shè)計(jì)原則是柵片容量盡可能大（面積和體積）、柵片數(shù)量盡可能多，才能起到拉升電弧和冷卻電弧的作用。在有限的體積下，兼顧底座、左接基座、右接基座、殼體與滅弧室的配合，主要預(yù)防相間短路或者擊穿，保證爬電距離和電氣間隙^［4-6］。

綜合以上因素，觸頭極的布局設(shè)計(jì)分為底座組件、左接組件、右接組件，每個(gè)組件都由動(dòng)靜觸頭、磁體、滅弧室、動(dòng)觸頭支架組成。觸頭極結(jié)構(gòu)如圖3所示;分?jǐn)嘣囼?yàn)波形如圖4所示。

3 遠(yuǎn)程脫扣隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)極的設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程脫扣隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)極的設(shè)計(jì)主要包含儲(chǔ)能功能設(shè)計(jì)、合分閘功能設(shè)計(jì)、脫扣及復(fù)位功能設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)計(jì)算等^［7-12］。

3.1 儲(chǔ)能功能設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)手柄時(shí)，主軸上的儲(chǔ)能銷驅(qū)動(dòng)儲(chǔ)能扣，使儲(chǔ)能扣開始旋轉(zhuǎn)，同時(shí)儲(chǔ)能彈簧開始拉伸儲(chǔ)能，旋轉(zhuǎn)一定角度時(shí)，鎖扣、儲(chǔ)能扣配合形成搭扣，等待下次脫扣時(shí)釋放;故障自動(dòng)釋放時(shí)，合分閘彈簧不會(huì)影響到儲(chǔ)能彈簧的釋放，分?jǐn)嗨俣瓤?，分?jǐn)嗫煽俊?/p>

解鎖結(jié)構(gòu)采用兩級(jí)解鎖，將脫扣力降低到3 N左右，因此可做自動(dòng)復(fù)位設(shè)計(jì)，免除了人工去復(fù)位操作，同時(shí)無(wú)須設(shè)計(jì)2套防水設(shè)計(jì)，IP等級(jí)更加可靠。儲(chǔ)能單元結(jié)構(gòu)如圖5所示。

3.2 合分閘功能設(shè)計(jì)

順時(shí)針旋轉(zhuǎn)手柄時(shí)，主軸上的合分銷開始驅(qū)動(dòng)上扣，使上扣開始旋轉(zhuǎn)，同時(shí)合分彈簧開始拉伸儲(chǔ)能，旋轉(zhuǎn)一定角度時(shí)，上扣推開合閘撐腳，合分彈簧的另一腳帶動(dòng)下扣快速旋轉(zhuǎn)，完成合閘動(dòng)作;同理，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)手柄，完成分閘動(dòng)作。合分閘單元結(jié)構(gòu)如圖6所示。

3.3 脫扣及復(fù)位功能設(shè)計(jì)

脫扣復(fù)位邏輯順序：磁通給電→動(dòng)鐵心動(dòng)作→拉動(dòng)脫扣桿解除搭扣→鎖扣推開分閘撐腳→儲(chǔ)能扣和主軸在儲(chǔ)能彈簧的作用下迅速開始逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)→主軸通過(guò)合分銷驅(qū)動(dòng)上扣和下扣一起旋轉(zhuǎn)→完成脫扣動(dòng)作。脫扣復(fù)位時(shí)序如圖7所示。

3.4 機(jī)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)

本隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)采用塑殼斷路器的搭扣參數(shù)，能保證產(chǎn)品不會(huì)滑扣，脫扣端搭扣1.3 mm、二級(jí)搭扣端1.4 mm，采用兩級(jí)解鎖降低機(jī)構(gòu)脫扣力，能保證遠(yuǎn)程可靠脫扣。

儲(chǔ)能彈簧和合分彈簧完全分離，實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)，即故障脫扣時(shí)，儲(chǔ)能扣會(huì)推開分閘撐腳，儲(chǔ)能彈簧不受合分簧力值的限制，能夠?qū)崿F(xiàn)快速斷開。

3.5 機(jī)構(gòu)合分閘力及其脫扣力計(jì)算

3.5.1 手動(dòng)合分閘力計(jì)算

設(shè)計(jì)手動(dòng)合分閘力矩輸入為1.5～3.0 N·m，依據(jù)扭力彈簧計(jì)算公式：

F=kx（2）

k=E·d41 167Dm·p·N·R（3）

式中： k——彈性常數(shù)，表示當(dāng)彈簧被扭轉(zhuǎn)時(shí)，每增加1°扭轉(zhuǎn)角的負(fù)荷;

x——扭轉(zhuǎn)角度;

E——線材的鋼性模數(shù);

d——線徑;

Dm——中徑;

N——總?cè)?shù);

R——負(fù)荷作用的力臂;

p——常數(shù)，取3.141 6。

其中，琴鋼絲E=21 000;不銹鋼絲E=19 400;磷青銅線E=11 200;黃銅線E=11 200。

在本次彈簧設(shè)計(jì)中，為保證長(zhǎng)期可靠性和高溫穩(wěn)定性，選擇不銹鋼彈簧鋼絲。將E=19 400、d=2 mm、Dm=15 mm、N=3.5、R=20.9 mm帶入式（2）、式（3），計(jì)算得合分閘力F1的扭矩M1為1.5 N·m。

3.5.2 儲(chǔ)能合閘力計(jì)算

儲(chǔ)能力矩要求在故障發(fā)生時(shí)，能夠快速斷開故障電流，速度越快，發(fā)生系統(tǒng)性風(fēng)險(xiǎn)越低。因此，要求儲(chǔ)能力矩大于合分閘力矩。將d=2.3 mm、Dm=24 mm、N=3.5、R=24.5 mm帶入式（2）、式（3），計(jì)算得儲(chǔ)能合閘力F2的力矩M2為1.7 N·m。

3.5.3 脫扣力計(jì)算

產(chǎn)品處于脫扣狀態(tài)時(shí)，儲(chǔ)能彈簧處于釋放狀態(tài)，此時(shí)再次合閘，儲(chǔ)能彈簧拉伸儲(chǔ)能，能量來(lái)源于手動(dòng)合閘，儲(chǔ)能彈簧的總體旋轉(zhuǎn)角度100°，儲(chǔ)能扣與鎖扣搭扣，鎖扣與脫扣桿搭扣，因此儲(chǔ)能彈簧的力傳遞給儲(chǔ)能扣，儲(chǔ)能扣再傳遞給鎖扣，通過(guò)杠桿原理和力的分解，將儲(chǔ)能簧的力值分解至最終的脫扣力F3。力的分解如圖8所示。

儲(chǔ)能簧拉伸至合閘時(shí)，角度旋轉(zhuǎn)100°，彈簧扭矩為1 726.7 N·mm，力臂17.7 mm，由此得：

1 726.7/17.7=97.6 N，tan14·F分=sin63·F2，F(xiàn)2cos63=97.6-F分，

其中，F(xiàn)分為力F2垂直于鎖扣面的分力（長(zhǎng)邊），計(jì)算得到F2=24.4 N。

脫扣力計(jì)算如圖9所示。由杠桿原理公式L1/L2=F2/F3，即12.8/1=24.4/F3，得F3=1.9 N。

脫扣力F3理論值為1.9 N，考慮實(shí)際應(yīng)用中的塑料與剛件的滑動(dòng)摩擦，摩擦系數(shù)按照u取0.5，故最終的脫扣力F4=F3+F3×0.5≈3 N。

3.5.4 磁保持力的仿真計(jì)算

磁保持作為電動(dòng)脫扣的執(zhí)行部件，其可靠性和一致性尤為重要，因而從理論設(shè)計(jì)上就要完全規(guī)避產(chǎn)品不脫扣（脫扣力不足）、振動(dòng)滑扣（保持力不足）等問(wèn)題，因此分別對(duì)磁保持的磁場(chǎng)分布、保持力、釋放電磁力等進(jìn)行了仿真計(jì)算^［13］。磁場(chǎng)分布如圖10所示。

當(dāng)氣隙調(diào)至0.1 mm時(shí)，保持力為10 N，達(dá)到設(shè)計(jì)參數(shù)值。磁保持仿真數(shù)據(jù)如圖11所示。

3.5.5 磁保持力的工程數(shù)據(jù)測(cè)量

根據(jù)設(shè)計(jì)值，對(duì)生產(chǎn)的實(shí)物磁保持進(jìn)行了工程數(shù)據(jù)測(cè)量，取樣本23只。保持力分布圖如圖12所示;脫扣力分布圖如圖13所示。由圖12和圖13可知，磁保持的一致性較好，保持力基本穩(wěn)定在7～11 N，脫扣力基本穩(wěn)定在8～12 N，符合理論仿真數(shù)據(jù)。

從實(shí)物測(cè)量可知，磁保持的設(shè)計(jì)符合實(shí)際。后續(xù)對(duì)整機(jī)進(jìn)行了振動(dòng)測(cè)試、-40 ℃下低溫脫扣測(cè)試、常溫脫扣測(cè)試、脫扣壽命測(cè)試等多項(xiàng)試驗(yàn)，均已通過(guò)測(cè)試，符合光伏的應(yīng)用場(chǎng)景需求。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文詳細(xì)闡述了遠(yuǎn)程脫扣隔離開關(guān)設(shè)計(jì)的基本要素，在選擇材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面做了相關(guān)的計(jì)算及其工程驗(yàn)證，主要包括2個(gè)方面的設(shè)計(jì)事項(xiàng)：一是觸頭極（接觸系統(tǒng)）的電性能，包括分?jǐn)?、溫升、?nèi)阻、電壽命等;二是機(jī)構(gòu)極的功能設(shè)計(jì)和可靠性設(shè)計(jì)，功能設(shè)計(jì)主要有手動(dòng)合分閘功能、遠(yuǎn)程脫扣功能、自動(dòng)復(fù)位功能等。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)結(jié)合我國(guó)當(dāng)前的制造水平、生產(chǎn)工藝、以及行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，設(shè)計(jì)出符合市場(chǎng)需求，適合大批量生產(chǎn)和制造的產(chǎn)品，引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展，推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步。

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收稿日期： 20240905