直流断路器时间常数问题研究

直流供配电系统应用越来越广泛，时间常数是直流供配电系统以及低压直流断路器的重要参数，对直流断路器分断电流性能影响很大，不同的直流应用领域，其负载的时间常数不同。

直流供配电系统保护断路器应选择直流专用产品，时间常数也是直流断路器设计、试验和选择的重要参数依据，只有适应相关的时间常数，直流断路器才能确保每一次分断都做到精确的保护和极致的安全。

随着电力电子技术、电动汽车以及风力发电、光伏发电为代表的各种分布式电源及新能源系统迅猛发展，同时随着全球能源革命和各国能源战略转型升级，直流供配电系统逐渐成为电力能源供应的重要组成部分。

直流负荷日益增多，使直流供配电系统达到迅速发展，低压直流断路器是直流供配电系统的重要保护原件，起着隔离、故障跳闸和保护线路及其他电力设备的关键作用，在直流供配电系统中应用直流断路器是直流配电系统的发展趋势，直流供配电系统发展对低压直流断路器的需求也越来越多，要求也越来越高。

直流供配电系统和交流供配电系统存在明显区别，如：①直流电路在分断电流时不存在过零点，在开断电流时必须强制熄灭燃弧才能断开电流；②直流网络容量小，短路电流小，利用电动力斥开效果分断电流效果不明显；③光伏直流供配电系统中光伏阵列的电流特性为恒流源，分断困难；④具有阴极电位低、电流密度高、电磁辐射等。

这给直流供配电系统中直流断路器分断电流带来巨大困难，同时直流供配电系统对直流断路器的电压要求越来越高，如要求用于光伏系统断路器额定电压达到1500V，使其分断电流更加困难；直流负载回路中电容、电感元件多，分断时容易引起磁、电能量转换，对分断电流性能影响明显，直流供配电系统中由于电感元件等的存在必须要考虑时间常数问题，时间常数对直流断路器的分断能力影响很大，不同的直流供配电系统其时间常数也不同，时间常数也是设计和选择直流断路器的重要参数依据。

直流电路主要由直流电源、感性负载、阻性负载及直流断路器等保护原件组成。图1是直流电路等效电路图，在直流断路器等开关未分断前电路处于稳态，其初始状态电流为ia=E/R。

直流电路中电感属于储能元件，直流断路器由于隔离、过载或短路等原因分断电路燃弧时，电路中电阻在电弧燃烧时消耗电弧能量，电感同电源作用相同向电路和电弧中释放其线圈储存的能量使电弧持续燃烧，电感越大，释放的能量越大，电弧越难熄灭；相反电感越小，电弧越容易熄灭。

图1 直流电路等效电路图

直流断路器在分断直流电流过程中需要吸收存储在电感中的大量能量，直流断路器分断直流电流还需要考虑时间常数（time constant）。

时间常数是表征电路瞬态过程中响应变化快慢的物理量，在国标GB/T 10963.2《家用和类似场所用过电流保护断路器 第2部分：用于交流和直流的断路器》及GB/T 10963.3《家用和类似场所用过电流保护断路器 第3部分：用于直流的断路器》中对时间常数进行了定义：预期直流电流上升到0.63倍最大峰值电流时的时间T=L/R（ms）（如图2所示）；

电路的时间常数间接表示了电路的负载性质和电路电感的大小，反映的是系统中电抗和阻抗的比例，在RL电路中，电流总是由初始值按指数规律单调的衰减到零，电路的时间常数越小其响应变化就越快，反之就越慢。

图2 直流时间常数

时间常数是直流断路器进行带电操作性能（电寿命）、过载性能、临界负载电流试验、短路分断能力试验等考核项目的重要参数，对分断直流电流性能影响较大。

直流供配电系统出现短路故障时，斜率与系统的时间常数也有关，在一定的预期短路电流范围内，同样的预期短路电流下，时间常数越大，燃弧时间越长，且呈线性变化；在同样的时间常数和电弧电压Ua下，增大预期电流，受电动斥力等影响，分断速度快，燃弧时间反而缩短。

由于电感能限制电流突变，时间常数越大电流的变化越慢，在实际应用中断路器分断短路电流越困难；当时间常数为零时为纯阻性负载，电弧最容易熄灭。

不同应用领域的直流供配电系统存储在电路电感中的能量不同，其时间常数也不同，直流电源按短路电流状况不同可分成3类，其时间常数也不同：

①柔性电源，如几乎没有短路电流的近似恒电流电源的光伏系统，其电源电压DC 300～1500V，其线路时间常数T≤1ms；

②电网供电的电动汽车充电桩、轻轨列车、大容量能量存储中的直流电源。其中电动汽车电压为DC 300～950V，电流为100～400A，短路电流为15～30倍额定电流，线路时间常数T≤5ms；轻轨列车电压为DC 750V，电流为10～200A，短路电流为10～100倍额定电流，线路时间常数T=15ms；大容量能量存储电压为DC 300～800V，电流为200～1000A，短路电流为10～50倍额定电流，线路时间常数T≤2ms；

③混合式电源，如数据中心、微电网、核电站等，其电压为DC 300～900V，电流为10～1000A，短路电流为2～30倍额定电流，线路时间常数T=2～15ms。

目前尚无精确的方法确定直流供配电系统时间常数，GB/T 14048.1《附录F短路功率因数或时间常数确定》中用以下方法之一确定试验电路的功率因数或时间常数：根据直流分量或辅助发电动机确定功率因数或时间常数；用波形图法确定短路时间常数，即电路校正波形图上升曲线上相应于纵坐标0.632倍最大峰值电流的横坐标即为时间常数值，与时间常数定义基本一致。

时间常数对直流断路器分断电流性能影响甚大，直流断路器设计制造企业、试验单位、使用企业等对时间常数关注和研究日益提高。

直流断路器目前主要应用在以下不同的领域：

①电力行业的变电站和发电厂直流屏等保护；②冶金钢铁的二次侧直流屏和直流电动机保护；③电信行业的直流蓄电池和直流配电屏等保护；④港口船舶的港口大型直流电动机和船用推进电动机设备保护；⑤铁路系统中车厢用电保护；⑥光伏发电中线路和设备保护等。不同使用场所的直流断路器要求有不同的时间常数，在具体的直流断路器国家标准中对相应时间常数都有明确规定。

GB/T 10963.2《家用和类似场所用过电流保护断路器 第2部分：用于交流和直流的断路器》及GB/T 10963.3《家用和类似场所用过电流保护断路器 第3部分：用于直流的断路器》将产品按时间常数分为适用于时间常数T≤4ms的直流电路的断路器和适用于时间常数T≤15ms的直流电路的断路器两类，分类的依据主要是认为成套电气装置负载的正常工作时间常数达到15ms时，短路电流不会超过1500A；在可能出现较高短路电流的场合，时间常数4ms已足够；

机械和电气寿命试验条件中时间常数T=4ms（误差0-10%），或对标志T15的断路器时间常数T=15ms（误差0-10%）；短路试验试验电路的时间常数对1500A及以下的直流试验电流，应采用T=L/R=4ms（未标志T15的断路器）或T=L/R=15ms（标志T15的断路器）；对大于1.5kA并小于或等于10kA的直流试验电流，所有试品均在时间常数T=4ms下进行试验，在150A及以下的小直流电流试验时间常数调整到与规定的时间常数相应的值。

GB/T 14048.2《低压开关设备和控制设备 第2部分：断路器》将配电系统用直流断路器时间常数根据短路分断电流分为5ms（试验电流≤10kA）、10ms（10kA＜试验电流≤20kA＝）、15ms（50kA＜试验电流）。图3为符合GB/T 14048.2标准的一种直流塑壳断路器在DC 1kV、试验电流为40kA、时间常数为15ms分断能力试验“O”试验示波图。

图3 一种直流塑壳断路器分断能力试验“O”试验示波图

GB/T 34581《光伏用直流断路器通用技术要求》规定：电气操作性能试验、临界直流负载电流试验、额定极限短路分断能力和额定运行短路分断能力等试验的时间常数为1ms，若制造商有说明，则可使用更高的值，并应记录在试验报告中。

集中式大型光伏电站在我国应用比较广泛，从电池板到直流汇流箱、汇流箱到逆变器距离较远，甚至有上百米距离，从其直流汇流箱中直流断路器到逆变器距离也较远，电缆都较长，以及电缆的直径和布置情况等都可能使电感量发生变化，对时间常数影响较大，使实际时间常数很难确定，目前工程应用可以根据电站具体情况确定时间常数范围，一般为1-4ms比较合理，光伏直流侧基本无感性负载。

时间常数是直流供配电系统以及直流断路器的重要参数，对直流供配电系统中直流断路器分断电流性能影响很大，鉴于直流供配电系统的特殊性，目前尚无精确的方法确定时间常数。不同的直流应用领域，其负载的时间常数不同，对直流断路器的保护要求也更为苛刻。

直流电路保护断路器应选择直流专用产品，除根据直流供配电系统的具体情况确定低压直流断路器的额定电压、额定电流和分断能力等外技术指标外，时间常数还是直流断路器设计、试验和选择的重要参数依据，只有适应相关的时间常数直流断路器，才能确保每一次分断都做到精确的保护和极致的安全。