船舶主空气断路器的工作原理和保护功能分析.docx
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船舶主空气断路器的工作原理和保护功能分析
船舶主空气断路器的工作原理和保护功能分析
摘要
本文针对空气断路器（ACB）在船舶上的应用，分析主空气断路器的工作原理。
作为船舶主开关的空气断路器，它在三相交流电力系统中又是怎样工作的，它是如何保护发电机的。
“育鲲”轮使用的主开关是施耐德的MasterpactNW12N1型主开关，其逻辑控制单元是Micrologic5.0A，就以“育鲲”轮主开关为例，全面分析“育鲲”轮主开关的合闸、分闸过程及现代主开关对发电机的保护原理。
首先，讲述了主空气断路器的特性，即主空气断路器的分类和主要技术参数；研究一般空气的断路器的工作原理，在这里增加交流电电弧的产生过程。
然后，深入研究“育鲲”轮主开关的结构原理，再结合主开关控制电路和主配电板电路分析主开关的合闸和分闸的动作过程，其中合闸和分闸都分析了手动和自动过程。
而作为现代船舶主开关，除了合闸和分闸外，还有一个很重要的内容就是对发电机进行保护。
最后根据施耐德MasterpactNW12N1型主开关对发电机的保护功能，分析过电流保护、失压保护和逆功率保护原理。
科学技术日新月异，追溯主开关的历史，船舶主开关的发展也很快。
本文最后展望主开关的未来，大胆的设想未来船舶主开关的发展方向。
关键词：
现代船舶主开关；空气断路器；脱扣；触头；过电流保护
Abstract
Aimingatapplicationofaircircuitbreakers（ACB）,thearticletalksabouttheworkingprincipleofaircircuitbreakers.Howdoestheaircircuitbreakerwork?
howdoesitprotectthegeneratorasitistheship’smainswitch?
”Yukun”shipisequippedwithMasterpactNW12N1airciecuitbreakermadebySchneider,it’slogiccontrolunitisMicrologic5.0A.Takeexampleforthemainaircircuitbreakerusedon“Yukun”,deeplyanalyzingtheprecessofconnectinganddisconnecting,andprotectingprinciple.
Atfirst,talkaboutACB’characteristics,anddiscusstheworkingprincipleofgeneralACB.Additionally,deeplystudystructuralprinciplewith“Yukun”ship’sACB.CombinewithACBcontrolcircuitandmainswitchboardcircuit,analyzingactionofconnectinganddisconnectingwhichinclude“manual”and”auto”.However,exceptforconnectinganddisconnecting,thereisaveryimportantfunctiontoprotectthegeneratorasitismodernACB.Intheend,accordingtoSchneiderNW12N1ACB’protectionfunction,analyzingprotectprincipleofovercurrent、losevoltageandcounterpower.
Scienceandtechnologyarechangingdaybyday.DatebackACB’shistory,theship’ACBdevelopedrapidly,too.Thelast,ItalkaboutthedirectionwithACB’developinthefuture.
Keywords:
themodernshipACB;airciecuitbreaker;diaconnect;contact;overcurentprotection
目录
前言1
第一章主空气断路器的特性2
1表征主空气断路器形式的特性2
2主空气断路器的主要技术参数3
第二章主空气断路器的工作原理4
1触头系统4
2交流电弧的产生及灭弧原理5
3自由脱扣机构5
4短路、过载、失压（欠压）、分励脱扣器6
第三章“育鲲”轮主空气断路器的合闸、分闸过程分析7
1主空气断路器结构原理7
2主空气断路器的合闸过程9
2.1合闸操作方式9
2.2直接合闸10
2.3同步合闸11
3主空气断路器的分闸过程12
第四章“育鲲”轮主空气断路器保护功能的实现14
1过电流保护原理及参数设定14
1.1长延时脱扣16
1.2短延时脱扣17
1.3瞬时脱扣17
1.4参数设定18
2欠压（失压）保护19
3逆功率保护21
第五章对“育鲲”轮MasterpactNW12N1（Micrologic5.0A）主空气断路器的改进建议21
1控制单元和控制方式改进21
2绘制欠压保护延时曲线23
第六章结论24
参考文献26
致谢27
附图28
船舶主空气断路器的工作原理和保护功能分析
前言
断路器又称开关，是用来接通或分断一条或多条电路的电器。
船舶主开关属于断路器，是断路器中的一种用于船舶上，接通或断开发电机和汇流排之间的电路的开关，由于船舶主开关的灭弧介质是空气，所以又叫主空气断路器（AirCircuitBreaker，即ACB）。
主空气断路器是船舶主配电板非常重要的设备，它具备通断较大电流功能，又可以对主电路实现保护。
早期的断路器是利用了某些物理效应，通过机械系统的动作来实现，因而体积大，效果也不理想。
而空气断路器的脱扣器是采用电磁式过电流脱扣器，该脱扣器只能实现瞬时保护功能。
随着断路器的发展其额定工作电压、电流及分段能力和保护功能不断发展，脱扣器也随之发展起来。
在采用油阻尼、空气阻尼和钟表机构等作为延时元件后，脱扣器实现了过载延时和短路延时等功能。
所以，在传统断路器的基础上逐步开发出了更可靠和具有更多保护功能的断路器，如短路保护、过载保护、热保护、缺相保护等保护功能。
到20世界60年代初，由于电子技术的普遍应用，出现了半导体脱扣器。
随着微型计算机的发展，进入20世界90年代初，低压断路器由电子式数字智能化方向发展，电气开关实现了智能化。
对于智能化的电气开关，它除了保持了电子式脱扣器的各种优点外，还具有保护精度高调节范围广，操作方便等特点。
不仅能够提供普通的断路器的各种保护功能，实时显示电路中的各种参数（电流、电压、功率、触头磨损率、功率因素等），各种保护功能的动作参数也能监视、设定和修改，保护电路动作时的故障值也可以储存在非易失储存器中也便查询。
具有这些优点，智能脱扣器的功能日益强大，现在也在船舶低压配电系统中得到广泛应用。
主开关的自动化越高，越能更好的实现分断和保护功能，维护管理也越方便。
现在的船舶主开关，从宏观结构来讲，已经没有以前那么复杂了，各种传感器、附件和控制计算单元等都是通过插口等装配在一起的。
但是，这样高度的自动化，看似很方便，其实对我们的船舶管理人员要求更高了。
要管理好现代船舶主开关，要求我们的管理人员要有更高的电气知识、网络知识和管理技能。
因此，我们有必要更加深入地了解和研究现代船舶主开关的结构和工作原理。
目前，世界上主要的空气断路器有：
ABB的F2系列、施耐德的NW和NT系列以及三菱的AE系列等。
第一章主空气断路器的特性
1表征主空气断路器形式的特性
1.1极数
船舶配电系统可采用直流、交流单项、交流三相电力系统，现代船舶主要采用交流三相。
船舶交流三相电力系统是三相三线制电力系统，所以采用的主开关是三极空气断路器。
而照明系统的分路是单相，采用的断路器是双极断路器。
在有的陆电系统中，把三相电源的中性点和负载的中性点用一条中性线连接起来，这种电力系统成为三相四线制，所使用的断路器为四极断路器。
1.2电流种类
电流只有交流和直流两种，现在的船舶较多采用交流电制，临时小应急电源是蓄电池，所以是直流。
所以主开关是使用在交流电路中的空气断路器。
1.3灭弧介质
断路器的灭弧介质有空气、油和真空（真空中本没有任何介质，这里把真空称为一种介质）等，空气断路器的灭弧介质是空气。
目前采用的船舶低压供电系统，主开关基本都使用空气断路器（AirCircuitBreaker）。
1.4合闸方式
操作断路器主触头接通供电称为合闸，空气断路器的合闸方式分为手动合闸和电动（电动机或电磁式）合闸两种方式。
塑壳式断路器电流较小，可以采用手动合闸，电流较大和需要遥控操作时用电动合闸；框架式断路器电流较大，合闸采用电动合闸为主，手动合闸为备用的合闸方式。
但需要同步合闸时都采用电动合闸方式。
事实上，现在船舶主开关基本上没有人力拉动手柄的合闸方式，如“育鲲”轮MasterpactNW12N1主开关，当控制电源失电不能用电动机储能时，用压缩弹簧机构的手柄代替电动机储能，再按合闸按钮合闸，而不是传统的不用储能而直接拉动开关手柄合闸。
1.5脱扣方式
操作断路器主触头断开称为分闸，分闸分为手动、电动、分励合失压脱扣方式。
操作断路器分闸可以直接拉动主触头断开，也可以操作机械机构脱扣使主触头断开。
手动分闸是指在断路器上用手柄或分闸机构直接操作实现分闸，遥控分闸是利用电磁线圈的通、断电，使机械机构动作实现脱扣。
在通电的情况下使机械脱扣称为分励脱扣，而在失电的情况下保护电器动作自动使机械脱扣的脱口方式称为失压脱扣。
分励脱扣用来操作断路器分闸。
失压脱扣器可用于操作分闸外还用于失压保护。
有的断路器可同时设置两种脱扣器，有的只设置一种脱扣器。
但是都必须设置失压脱扣器。
2主空气断路器的主要技术参数
2.1额定电压和额定电流
额定电压是指与通、断能力和短路性能有关的电压值，与允许通、断的电流值是相关的；额定电流又称额定持续电流，是断路器长期工作制所能承载的最大电流值。
2.2额定短路接通和分断能力
额定短路接通能力是指在额定条件（额定的电压、频率和特定的功率因素）下，能够可靠接通的短路接通能力之值，用最大预期峰值电流表示（最大预期峰值电流是指电流开始时可能出现的最大值瞬间的预期峰值电流）。
额定短路分段能力是指在额定条件（额定的电压、频率和特定的功率因素）下能够可靠分段的短路分段能力之值，用预期分段电流（交流周期分量的有效值）表示。
断路器的额定短路接通能力应大于所提供的短路电流计算得出的最大电流峰值；额定短路分断能力应大于短路电流的最大电流有效值。
额定短路接通和分断能力这两个参数说明断路器在固定的电流范围内工作，在外部电源短路时合上断路器，触头可以承受短路电流的峰值而不致熔融或变形。
2.3限流能力
限流式断路器（分断时间短得足以使短路电流达到其预期峰值前分断的断路器）要求有较高的限流能力，一般要求限流系数在0.3~0.6之间。
2.4动作时间
动作时间是从电路出现短路的瞬间至触头分离、电弧熄灭、电路完全分断所需要的全部时间。
2.5保护特性
断路器的过电流保护特性，可用各种过电流情况与开关动作时间的关系曲线来描述。
断路器的保护特性必须与被保护对象的允许发热对象相匹配。
除了过电流保护特性外，还有过电流+过功率+可编程保护特性等。
如，施耐德的控制单元为MicrologicA的MasterpactNW/NT系列主开关是过电流保护特性，控制单元为MicrologicP的MasterpactNW/NT系列主开关是过电流+过功率+可编程保护特性。
2.6额定频率
额定频率是指断路器的电路中的电源频率，目前国际上民用电源有50Hz和60Hz两种频率，大多数断路器设计成对两种频率都能使用。
第二章主空气断路器的工作原理
空气断路器一般包括：
触头系统、灭弧室、过流脱扣器、失压脱扣器、分励脱扣器、自由脱扣器、电动操作机构和手动操作机构。
如图2.0所示：
辅助触头
1触头系统
图2.1预接触点
触头系统包括主触头、辅助触头，为了避免主触头在断开时被电弧灼伤，除主触头外还设有弧触头，大容量的断路器还设有预接触头。
“育鲲”轮施耐德NW系列主开关的预接触头由一个机械指示触点和转换触点组成，如图2.1是预接触点元件：
主触头用在主电路，辅助触头用在控制电路。
他们的闭合次序是：
先接通弧触头，后接通预接触头，最后才接通主触头。
在分闸时则相反，先断开主触头，后断开预接触头，最后才断开弧触头。
而辅助触头是跟主触头联动的，断开与闭合是跟主触头同时进行的。
采用这样的顺序就可保证主触头在接通和断开时都不被电弧灼伤。
由于主触头采用银钨合金，保证正常时的通流能力，具有良好的耐磨和抗熔融性。
触头设计时，就考虑到其电动稳定性，即短路电流所产生的电动力，不是减弱而是增加触头的压力。
2交流电弧的产生及灭弧原理
2.1断路器电弧的产生
电弧或弧光放电是一种物理现象，也是气体放电的一种形式。
开关设备在分断时，会在触头间产生电弧，此时电路中的电流继续流通，直到电弧熄灭，触头间隙成为绝缘介质后，电流才被断开。
发生在开关设备中的电弧简称为开关电弧。
带负载的电路被切断时，断开处低电位的自由电子会脱离金属触点，跑入空气隙中，在电压作用下，被加速后以很大的速度向高电位运动，与空气分子（如氧和氮分子）相撞，使空气发生撞击电离现象，产生新的电子和离子。
这些新的电子和离子，被加速后又撞击别的空气分子，重新产生撞击电离，这种链锁反应使空气隙中自由电子骤然增多，空气开始导电，出现很大的电流，因而产生了电弧。
2.2灭弧原理
灭弧室是装设在触头周围、用绝缘材料制成的控制电弧燃烧并借以形成高速气流对电弧进行强烈气吹而使之熄灭的部件。
要提高断路器的的断流容量，必须具有强灭弧性能的灭弧室。
灭弧室通常采用复式灭弧原理，既具有去离子栅片和灭弧栅，以减小断开开关时的飞弧区域。
当开关断开时，强大的电流以电弧的形式进入灭弧栅片，利用复式灭弧栅片将长弧隔离成多段短弧，缩小飞弧距离，使电弧迅速熄灭。
3自由脱扣机构
自由脱扣机构是触头系统和操作传动装置之间的联系机构，其作用是使触头保持闭合或迅速断开。
如图2.23为一自由脱扣机构示意图。
（a）为合闸位置，此时连杆2和3几乎成一条直线，成为刚性连接，运动连杆处于死区；（b）为自动分闸后的位置；（c）为准备合闸位置，此时将手柄拉下，使杆2和3几乎成一直线刚性连接。
将手柄向下拉式复位，如果不复位则不能合闸。
图2.3自由脱口机构图
脱扣器是一种含有复位装置的断路器脱口装置。
它将磁性元件、导磁铁、线圈、衬套、
储能器、驱动元件等紧凑的安装在一个体积很小的壳体内。
并由磁性元件、壳体、导磁片、动作元件组成一个特定的磁回路。
常态下，衔铁在永磁铁的作用下保持吸合状态，即磁回路将储能器处于最大的势能状态，当控制器检测到主回路过载或短路时，给脱扣器一个一定强度的短时持续脉冲信号（持续时间由软件控制），使线圈通有电流而产生反向磁通，破坏了脱口期内的磁回路，储能器释放能量，衔铁弹出推动推杆，再推动断路器上的牵引杆执行动作，从而使断路器可靠分闸。
当断路器分闸后，衔铁在永磁铁的作用下又吸合，但是牵引杆不会回到原位，要再次合闸时必须复位。
4短路、过载、失压（欠压）、分励脱扣器
失压（欠压）脱扣器是实现失压（欠压）保护的，分励脱扣器是为远距离控制断路器迅速分段电路用的。
短路（过载）脱扣器也叫分励脱扣器，分励脱扣器实现过载长延时、短路短延时和特大短路瞬时脱扣的三段保护特性。
图2.4短路（过载）、失压、分励脱扣器示意示意图
第三章“育鲲”轮主空气断路器的合闸、分闸过程分析
1主空气断路器结构原理
图3.1主开关结构原理图
1.1逻辑控制单元
控制单元是主开关的核心，电流测量输入安装在断路器下端的连接器上，其工作电源是24VDC。
Micrologic5.0A控制单元能实现过电流保护（过载长延时+短路短延时+特大短路瞬时脱扣），还有热记忆功能，能记忆脱扣前后的“热量（温度）—时间”图、能测量电流真实的rms值、能显示某段时间内每线（A线、B线和C线）电流的最大值等。
复位后，重新记录“热量（温度）—时间”图，并显示这段时间的电流的最大值。
1.2远程操作（远程合闸/分闸）
远程“合闸/分闸”用于远距离闭合和断开断路器，由下列部分组成：
①安装有压缩弹簧限位开关（CH）的电动机（MCH）；
②两个电压释放
一个闭合释放（XF），是用于断路器合闸的；“XF”得电使断路器合闸，当断路器合闸后，“XF”释放电压。
一个断开释放（MX），用于过电流保护，当控制单元检测到一个超过保护始点的电流时，“MX”会得电，使断路器断开；当断路器断开后，“MX”又失电。
③还有以下部分：
一个预合闸开关（PF）、一个电动合闸按钮（BPFE）和故障远程复位按钮。
一个远程操作单元一般安装：
①分闸/合闸指示（OF）
②（故障脱扣）指示（SDE）
1.3电动机（MCH）储能
电动机压缩弹簧并且当断路器闭合的时候再压缩弹簧机构。
压缩弹簧机构的手柄只有在辅助电源失电的时候作为备用；电动机还安装了一个用于发出弹簧机构被压缩信号的限位开关（CH）。
当电动机拉动弹簧储能完毕时，会触动限位开关（CH），停止储能过程。
当断路器闭合后，弹簧释放能量，又使限位开关闭合，电动机得电转动，使弹簧再次储能。
如果电动机电源（220VAC）失电，用一个备用手柄人力储能。
电动机压缩的频率最大为3转/1minute，最长压缩时间为4s。
1.4“预合闸”开关（PF）
用一个机械指示器和一个PF转换开关指示断路器“预合闸”的位置。
当这个信号指示时，所有的下列信号有效：
①断路器在“分闸”位置；
②弹簧机构已经储能完毕；
③MX没储能（无电）；
④脱扣复位；
⑤没有远程应急操作，即“MX2”无电，“MN”有电；
图3.15“BPFE”合闸
⑥断路器没有锁闭在“OFF”位置。
1.5电动合闸按钮（BPFE）
安装在断路器前部面板上，用于断路器的电动合闸。
通常安装一个透明盖，防止不小心按下按钮。
通过BPFE按钮电动合闸考虑到了所有的安全功能，这些安全功能是装置控制和监视系统的一部分，即采用“BPFE”合闸时，只有满足所有的条件后才会合闸。
BPFE按钮连接到闭合释放（XF）。
1.6抽架的“连接”、“退出”和“试验”
这3个辅助触点装于抽架上:
①转换开关触点，指示“连接”的位置（CE）；
②转换开关触点，指示“退出”的位置（CD），这个位置表示断路器本体可以被抽出；
③转换开关触点，指示“试验”的位置（CT），在这个位置中，主电源电路被切断，辅助电路连接。
2主空气断路器的合闸过程
2.1合闸操作方式
合闸操作有两种方式：
直接合闸和同步合闸。
直接合闸是指电网无电，单台发电机投入使用，也叫单机投入。
直接合闸需要满足发电要求（如电压、频率）和主开关的合闸要求才能合闸。
同步合闸是指电网有电，需要再投入一台发电机供电才满足使用的需要，把这台发电机投入电网供电的过程叫同步合闸。
同步合闸除了满足发电要求和主开关的合闸要求外，还需满足电压差、频率差和相角差在一定的范围内才能合闸。
同步合闸是在同步屏上进行的，又可分为手动同步和自动同步合闸。
手动同步是将电站管理模式选为“手动”，然后手动选择需要投入使用的发电机、启动，打开同步表、选择待并发电机，手动调频、手动并车，并且手动调载，最后关闭同步表的这样一个过程；而像“育鲲”轮自动化程度高的船舶，同步合闸只需选择电站管理模式为“自动”，然后选择待并发电机，就自动的实现上述手动并车的整个过程，这就是自动同步。
但不论是手动同步合闸还是自动同步合闸，其原理是一样的，需要满足的条件也是一样的。
2.2直接合闸
以1号柴油发电机主开关的合闸为例，说明“育鲲”轮主开关的合闸过程，如图3.22是1号发电机的主开关控制电路图。
主开关的控制电源是220V交流电，这个电源是通过主开关下端的连出线经过变压之后得到的，只要发电机建立电压，主开关就有了控制电源。
1号发电机单机投入运行，此时合闸必须满足的条件是：
①“MN”的电压必须在85%的额定电压以上（此时“MN”检测发电机的电压是否建立）
②弹簧机构已经储能
③上一次脱扣复位
④岸电、应急发电机开关未合闸
⑤本机主开关未合闸
由于岸电没有合闸（如果使用岸电，需先停止岸电，才能让1号发电机投入运行，所以合闸也是直接合闸），在主开关合闸之前，整个电网无电，开关K107.5、K105.7、M103.2、K293.31、K125.21、K145.21、K165.21、K198.3、K250.2和K192.4都是闭合的，此时发电机建立额定电压，“MN”立即得电（U>85%Un）满足合闸的需要。
储能机构是在工作电源为220VAC的电动机“MN”的工作下储能的，当储能完成时，限位开关“CH”断开，停止储能，当主开关合闸时，弹簧机构释放能量，使限位开关“CH”闭合，储能机构再次储能，为下次合闸做准备。
所以弹簧机构是在上次主开关合闸之后就为这次合闸储能的。
又由于主开关处于分闸位置，上次脱扣已经复位，满足预接触头“PF”闭合条件。
在主开关合闸控制线路上，由于主开关的辅助触头“OF1”的11和14触头是断开的，所以继电器K105.22无电，开关K105.22闭合。
此时“电站管理”模式选为“手动”，则开关M103.2的触点17和18断开，手动连锁开关K105.5闭合。
直接按下按钮“SB104.3”（装在同步屏上），合闸线圈“XF”得电，主开关合闸，发电机投入电网运行。
图3.221号发电机主开关控制电路
此时，主开关的辅助触点OF1的触点11和14闭合，继电器K105.22得电，继电器K105.22的辅助触点3和11断开，合闸线圈“XF”放电，辅助触点5和9闭合，主开关“合闸”指示灯亮。
弹簧机构也释放能量，电动机再次转动储能直到储能完毕，为下次合闸做准备。
2.3同步合闸
2.3.1手动同步合闸
同步合闸时，电网有电。
此时，只要启动待并发电机，建立电压，待并发电机的主开关的控制电源即得电。
假设发电机DG2正在电网供电，待并发电机为DG1。
则在DG1主开关控制电路中：
I辅助继电器电路中的“公共停车”开关没有按下，继电器K107.5无电，所以开关K107.5是闭合的；
II没有手动或自动分闸信号，开关K105.7闭合；
III没有逆功率，电站管理电路中的PPU（M103.2）中的端子12和13是闭合的；
IV没供应岸电（SC），开关K293.31闭合；
V发电机G2供电，所以2号发电机（DG2）辅助继电器电路中的继电器K125.21有电，开关K125.21断开，同理，3号发电机（DG3）的继电器K145.21无电，轴带发电机（SG）的继电器K165.21无电，开关K165.21闭合。
由于主发电机和轴带发电机不能并联运行，所以柴油发电机主开关和轴带发电机的主开关至少有一个是断开的，即发电机DG1、DG2和DG3都投入运行时，开关K125.21和K145.21断开，轴带发电机不能投入运行，开挂K165.21是闭合的，反知，当K165.
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