导读：限流措施是一种简单有效的限流保护电路，论述了该保护电路应用于宽范围输入正激变换器和宽范围输入反激变换器时工作状况的区别，并给出了一个适用于宽范围输入反激变换器的补偿电路。最后的实验结果验证了限流保护电路及补偿电路的工作原理及其有效性。

　　任何开关电器应用特例其卐实是在工程设计中出现的，而不会出现在研发过程中。解决这些工程应用特例，研发▽出开关电器的新产品，会极大地提升产品的工作特〗性和它的『市场价值。

　　但在新品未面市前，设计工程师们要用现有的产品来解决问题。由此可见，设计工程师们的「实际工作经验远高于研发工程师，而且理论分析能力未必会】低于研发工程师。

　　限流，是低压限流型断路器的一项功能。有点象公路上限高杆的作用：

　　在低压断路器限流技术里，有︻许多很有意思的物理现象，以及独特的结构设计和工作原理。

　　解析低压断路器的限流︾技术之前，我们不妨先来了解一下低◥压断路器的发展历程。以下文本摘自《低压∑电器的灭弧技术》：

　　20世纪20年代，Slipen提出了电流过零后出现鞘＠ 层和近极作用(即：近▓阴极效应)，发明了栅片灭弧，使低压电器从简单灭弧的第一代刀开关，发展到配电线路用的断路器和控制系统用的接触器等专╳用的品种，前者使得低压配电系统具有较高的开断能力，后者则满足控制要求的频繁操作能力。

　　20世纪50年代，发现』开关电器触头开断后电弧有个短暂的停滞过程(即：零休时间)，这个过程对控制电器的电△气寿命和断路器的开断性能有很大的影响，包括触头材料、吹弧磁场、触头打开速度、灭弧室尺寸等，这些研究对低压开关的开断性能和电气寿命的提高起了很大的作用。

　　这一时期另一个对提高低压电器性能有重大意义的是磁场吹弧的新机理，即横向磁场能在弧柱中感应出流场，使冷气流从电弧前端进入而从后端流出，形成对称涡流▂的流场，这一冷气流可♂带走电弧的热量，有◤利于电弧的熄灭;另一方面在ㄨ触头分断的初期，这︾一作用可使然弧初期的金属相电弧转变为气相电弧，有利于缩短电弧的停↑滞时间。这一发现使磁︻吹成为当时最有效的灭弧措施之一。

　　随着低阻抗大容量变压器的故障短路电流可达100kA以上，要求故障分断电器不但要有足够大的分断能力，还应带有显著的限流效应，这就促进了限流技术在低压电器中的应用。

　　限流型低压断路器的限流原理是依靠短路电流产生的电动斥力或通过冲击电磁铁产々生的电磁力使触头系统□在操作机构动作前就使提前斥开〇而呈现电弧，利用电弧电压来限制电流。

　　ABB公¤司在意大利的低压电器分公司根据这一』原理早在20世纪80年代初期就提出触头单边斥开，触头双边斥开，电动机槽结构和双断点开断等多种限流断路器的结构方案，尽管近年来限流技术有很大的发展，但这些基本方案仍沿用至今。

　　20世纪80年代初期，英国、德〓国和日本相继发现了限流开断过程中电弧背后击穿与转移现象，并研究出这种现象是由于背后区域热击穿所引起的。

　　上世纪80年代末，施耐德电气公司提出“固体绝☆缘屏幕”的限流技术，它用一绝缘材料制作的屏幕插入动、静触头之间，把电弧隔断，该公司并把这种技术应用于额定电流为25A的Optical25小型断路器。

　　对低压断路【器来说，直到20世纪末才开始注意气吹对提高低压断路器开断性能的作用。当开断时，电弧高温使产气材料气化，通过冷却电弧和控制电极的金属⌒蒸气喷流来达到提高电弧电压和开断性能的目→的：把产气材料放在由静触头导电回路形成的槽中，进一步加强气吹作用，被称为槽形冲击加速器技术(ISTAC)，并开发出PSS系列塑壳断路器。

　　低压电器的气吹作用，可由两种方法来达到，一种是依靠灭弧室器壁放置的产气材料产气，另一种是利用半封闭︼独立的灭弧单元，让电弧高温在灭弧单元内引起压力上升，通过出『气口而形成气吹。

　　施耐德电气＠ 公司的NS系列塑壳断路器就充分利用了上述两种气吹作用，并使产品达到同期塑壳断路器中最高的开断能力，与之同时半封闭的灭弧室结构和气吹作用的应用也推广到框架断路器上，使框架断路器的开断性能也有大幅度的提高

　　施耐德电气公司推出的NS系列塑壳断路器之所以能达到高的开断性能，除了依靠独立灭弧单元和气吹的作用外，另一原因是采用了旋转双断点的开断结杓，这种触头系统的结构，到了新世纪进一步得到了推广。

　　国际上著名电器公司√纷纷推出新一代采用双断点触头系统和利用气吹作用的◆塑壳断路器，如美国CE公司的RecordPlus系列，ABB公司的TMAX系列等，结构上也更多样化，除旋转双断点外，又出现了平行双断点和桥式双断点等新结构，日本寺崎公司更是把双断点的结构用于框架断路＠器，推出了TemPower2断路器，改变了框架断路器传统的单断点结构。

　　传统的限流开关，电弧能量全部由断路器开断过程来承担，因而限制了断路器尺寸的进一步缩小，一种新的◢思路是用一个限流器和断路器串联，在开断时，电弧能量大部分由限流器来∮承担，这就可以大大地减轻断路器的负担。

　　这种限流器可以由多种原理来实现，近年来受人注目的是采用一种称为正温度★系数的材料PTC来实现，它是一种导电塑︼料，由聚合物(如聚乙烯)加上填充∑的导电炭粒组成，当短路电路通过这种限流器，使原有导电炭粒组成的桥路因热膨胀拉断，让限流器的电阻骤然增加而达到限流效果。

　　另一方面真空开断技术、固态断路器也在不断地发ξ　展，西门子公司3WSI低压真空断路器的开断能力已达50kA，尽管其开断能力尚卐不能与空气灭弧的传统ξ断路器相比较，但无电弧或无喷弧使安全性远高于传统的∮结构。

　　解释几个相关概念：

　　(1)交流电弧的零休々和重燃条件

　　我们先来◆看看交流电弧的过零熄弧及重燃条件。这对于理解限流原理很重要。

　　我们知道，当电弧电流过零时，切确地说，是在过零前某时刻，由于电弧电压已经低于起弧电压，电弧熄灭。但是，电弧留下了炽热的气体，这些气体中仍然保持一定的正♂负离子。随着温度的◥迅速降低，正负离子越来越少。弧隙中◥的这团炽热气体，它的特性可以用重燃电压来表示，即Ub。

　　电弧过零熄灭ζ　后，间隙中的气体◢也在恢复，我们用介质恢复能力Uhf来表示。如果过零后的线路电压Uhf大于Ub，则电弧一定重燃;反之，若Uhf小于Ub，则电弧一定熄灭。

　　我们来▆看下图：

　　图中的Ub1和Ub2为两条电压↘恢复曲线，我们看到Ub1大于Ub2。同时我们发现，Uhf在A点与Ub2相交，于是电弧在A点重燃;对于Ub1，它与Uhf完全不相交，因此若低压断路器或者低压Ψ限流断路器的主触头弧隙中的介质(空气)满足Ub1曲线╳的重燃电压关系，则交流电弧一定熄灭。

　　在各类教科书和《低压电器手册》中，把介质恢复强度用卐符号Ujf代表，把电压恢复强度用符号Uhf代表，因此交流电弧不重燃的条件是：

　　介质恢复强度Ujf大于电压恢复强度Uhf。

　　也即：

　　联系到以上描述，就是：交流电Ψ 弧熄灭的条件是：电压恢ぷ复曲线小于介质恢复曲线。即：Ub<uhf。< p=""></uhf。<>

　　(2)近阴极效应

　　我们再来看下ㄨ图：

　　电流过零前，左侧的电极为阳极，右侧为阴极。由于电弧的电离气体的原因，在阳极附近有大量的正离子存在。

　　当电流过零后，原先的阳极变为新的阴极，而原先的阴极变为新的阳极。我们◥在上图中看到，新阴极附近的电子迅速地向】新阳极方向运动，而正离子由于体积大质量也大，在很短的一段时间内仍然留在原地，于是新阴极前面出现了一个由正电荷组成的墙，这堵墙的电压高∩达300V左右，使得电极在瞬间获得了300V左右的介质强度，它有效地阻止了电子发射。

　　这种作用被称⊙为近阴极效应。

　　近阴极效应产生的作用使得╱交流电弧在过零后有一个休止期，被称为交流电弧的零休现象。零休时间对电弧产生了抑制作用和限流作用。

　　由于近阴极效应的存在时间十分短暂，大约只有150微秒左右，因此←近阴极效应仅对低压电器的灭弧有效，对高压电器无∞效。

　　近阴极效应的零休限流作用↘在低压断路器灭弧原理中普遍存在。

　　(3)限流和限流比

　　首先，我们都▅知道塑壳断路器和微型断路器的体积很小，为了要限流，则首要的问题是体积必须精巧。当然，在原理上也要符合基本要求。

　　这里的限流，指的是当开关电器流过短路电流时，开关电器能在短路电流还ζ　未达到峰值时就给予开断。

　　开断电流值与短路电流峰值之比被称〗为限流比。

　　注意开关电器的限流作用有两个特点：

　　1)限流很类似于熔断器的保护作用;

　　2)由于电流从过零∑后到峰值点的时间为5毫秒，因此限流动作的时间∩很短暂。

　　也因此，限流型断路器在国家标准中被定义为A类断路器。A类断路器只有过载长延时保护L参数和短路瞬时】保护I参数。

　　(4)低压断路器『限流作用的原理

　　我们来看下图：

　　先看左图：

　　我们看到流过静触点和动触点的导电杆的电流方向正好相反。我们先用右手螺旋定则判断磁场方向，再用左手判断电动∞力方向，我们可以◇得出结论：动静触头导电杆的受力是斥力。对于动触头来说，受⌒　力方向向右，即FU。这里的“U”就是U形导体结构的○意思。

　　同时，在触头上也有作用力，即电流线的收缩霍姆力Fh。这两个力的合力构成动触头快速打开的作用力。

　　再看右图：

　　这里有冲击电磁线圈。当发生过电流时，冲击︽电磁线圈产生的快速打击作用力□　直接顶开动触头。

　　一般地，限流型塑壳断路器采用左图所示的电动力开断法来限流，而限流型微型断』路器则用右图所示的快速冲击力来限流。

　　图↑中蓝色的导线是软连接，用于缓冲和消ζ除冲击力对脱扣器的影响。

　　我们来看下图：

　　这是ABB的透明微型断路器。图中由很粗导线〗绕制的部分就是用于限流作用的冲击电流线圈〓。

　　请注意：冲击电流线圈的铁芯的上端用于打击动触头，下端则用于拉动脱扣器脱扣。

　　限流技术不但涉及到电弧，也涉及到机构方案。是一个很综合的问题。

　　如果想把限流问题々给搞清楚，的确需要仔细研究才行。

　　(5)限流断路器的结构模式

　　限流断路器的结构方案有五种，其中也包括◤施耐德公司的双断点结构。这五种限流开关的结构模式图如下：

　　上部左图就是普通断路器，也即非限流的断路器。

　　上部中图，我们看到了U形结构。由前所述，我们知道它能实现限流功能。

　　上部右图，我们看到静触点也有旋转中心，也可斥开。此开关具◣有动、静触点的双斥▲开结构。

　　中图，加了励磁绕组，增强了触头♂臂上的斥开电动力。

　　下图，即施耐德公司的双断点结构▆。两个触头串联同时斥开，增强了灭弧能力，也增■大了电弧电压。因此，最后这个方案也是最优的结构。

　　注意：我在双断点结构中有一句话，是：“增大了电弧电压”，知道是什么╲意思吗?它和限流开关有何种关系?

　　我们来看下图：

　　分析如下：

　　(1)从短路电流开始出现的时刻t=0，到t0时刻，限流断路器即将开始动作。在此过程Ψ 中，动触头上承受◥的电动斥力随着短路电流的增加↙而增加，一直到电动斥力等于触头压力时为止。由于触▂头并未分开，因此电弧电♀压Uh=0

　　(2)从t0到t1阶段，触头在t0打开，触头之间开始出现电弧。由于这时电弧电流并不大，因此电弧停留在原地，被称为电弧停滞时间。电弧停滞时间与触头材料、吹弧磁场、开距和打开速度等都有关。由于电弧№电流变化不大，因此电弧ㄨ电压也变化不大

　　(3)从t1到t2时刻，电弧在自身的励磁作用下，进入灭弧栅片】，电弧电压快速增长

　　(4)当电弧进入灭弧△栅片后，电弧电压达到其最大峰值Uh，注意Uh>U。电弧电「流强制减小，至t3时刻电流降到零，电弧熄灭

　　我们来看下图：

　　图的左侧是母♂线系统，我们看到是单相电源;中间是限流型断路器卐，并且有两个断点。注意在触点的下方有U形结构，由此可知它可以利用电动力来产生限流脱扣。同时，我们还看到了冲击绕组和冲击电磁铁，它的作用前面已经叙述过了，这里忽略。

　　图的㊣　右侧是负载。负载中我们看到了电阻R和电感L，想象它就是类似空调之类的负载◥吧。

　　为了→讨论方便，我们把负载外露导电部分所接的PE线给去除了∑　。目的是显然的，PE线以及剩余电流保护与我们的讨论主题无关。

　　正常情况下，动触头在宝塔弹簧的作用下处于闭合状态。当短路电流通过冲击电磁铁线圈↑时，动铁芯顶杆推动转动轴，转动轴的顶端推动带有动触头●的直动杆使触♀头打开，电弧在触头上点燃后，再自励磁¤场的作用下沿着弧角进入灭弧室而熄灭。

　　注意：冲击电磁铁的下端带有脱扣机╲构，当动铁芯动作后，脱扣机构产生脱扣，使动触头＠打开并保持在打开位置。

　　由此可见：限流断路器在发生短路时执行了三套开断操作：

　　第一套是U形触头导电回路产生的开断电动力;

　　第二套是冲击电磁铁铁芯上端产生的对触头的开断冲击力;

　　第三套是冲击电磁铁铁芯下端产生的脱扣作ξ用力。这一点请充分注∞意。

　　对比普通的断路器，我们发现限︻流断路器与普通断路器的脱扣原理很不一々样。

　　我们再来看看ABB的透明微断，来加强理解。值得注意的是：ABB的透明微断是单触点结构：

　　看出了主触点在哪儿吗?冲击电磁铁上方可不是主触点哦!提示：动触点应当配有软连接，这是它的标志

　　在给出分析表达式之前，我们先复习两个概念。

　　第一个◥概念：KVL

　　KVL就是基尔霍夫电压定律。KVL告诉我们，在闭合的◆网络中，各处的电压代数和为零。利用KVL，我们可以把电源电压写在等号的左边，而等号右边为环路中各电压♀之和。也即：

　　U电源=U1+U2+U3+......+Un

　　第二个概念：电感电压

　　当流过⊙电感的电流发生变化时，其变化率为di/dt，则电感两端的电压为：

　　在这里，di是电流改变◣量，dt是对应的时间长度。

　　这个式子说明：当流过※电感的电流发生改变时，电感两端将出现反向电动势，或者反向电压;若电流未发生变化，则电感电压为零。当然，这里假定电感的电阻为零。

　　现在，我们就可以写出表达式了:

　　在这里，等号左边的就是交流电源，等号右边的第一项是电感上的电压，第二项是电阻上的电压，第三项①是触头之间的电弧电压。我们把上式改写一★下，从中解出di/dt，如下：

　　现在我▓们来仔细分析这个表达式与限流断路器的关▲系。

　　在深入讨论之前，我们←需要确定一件事：

　　我们知道，工频频率是50Hz，所以交卐流电流半个周波时间是10毫秒。如果限流断路器的开断时间大于10毫秒，则交流电流必然过零，于是我们就要考虑过零前后在主触头上的电弧变化;反之，我们就只考虑过零前电流减♀小的熄弧过程就可以了。

　　另外，若限流断路器的分断时间小于10毫秒，电弧事实上已』经变成直流电弧，我们也①可以参照直流电弧的理论来讨论。

　　好，我们来看看ABB的塑壳断「路器参数：

　　我们看到断路器的分闸时Ψ 间在10毫秒以下，特别是“L”限流开关，分闸时间只有3毫秒。这样一来，我们№的讨论也就方便了很多。

　　现在我们来仔细分析上述表达式与限流断路器的关系：

　　在分析电弧的伏安特性时，di/dt的值是关键因素。我们可以这样想：如果改变电路的各项参数都不变，电弧电流当然也∴不变，那么di/dt=0;如果电流上升，则di/dt>0，电弧的电离★程度加强，弧柱▓直径加大，电弧电阻Rh的减少率大于电流的增加率，因此电弧电↓压Uh反而会▆下降;如果电流下△降，电弧电压会上升。

　　在我们的系统中，一旦时间越过╱了t3，电流达到峰值点，此时di/dt=0，再之后，电弧电流〖开始下降，而电弧电压就会上升，并且会一直大于电源电压，最后，电▽弧电流持续减小，直到为零。

　　由于有限流作用的存在，实际分断电流的幅值要比Ip小很多，燃弧时间缩短，因此允通能量和电弧能量都减小。

　　在这里，允通能↘量的减小能够降低断路器自身和电网中其它设备的短路电动力和热效应，而后者则减小了断路器开』断电弧的能量。

　　下面专门谈限①流断路器的应用，其中既有在电动机方面的应用分析，也有馈电方面的应用。

　　我们来看题图。注意看黄色的那条线：

　　当电⌒　机送电伊始，电●机的转子还未旋转，这时ζ　电机的电流最大，此电流被称为起动冲㊣击电流Ip，它的值大约为电机额定电流的12到14倍。

　　电机起〗动后，电流迅速回落，这时的电流称为电动机起动电流Ia，它的值在4到8.4倍之间，一般取为6倍额定电流。

　　当电机起动完成后，电机电流回∏归到正常值，也即额定电流Ie。

　　面对如此之大的冲击电流，我们可以使用限流断路器吗?答案是否定的。

　　我们从限流断路器的结构就能看出，当出现接近限流断路器动作值的电流时，限流断路器触头导电杆的U形结构会使得触头出现振动〓和弹跳，并○拉出电弧烧蚀触头。这会严重影响限流断路器的电寿命。

　　因此，限流断路器不建议使用在具有冲击性电流〓的场合，尤其不能让正常运行时ω出现的冲击性电流接近于限流断路器脱扣值。

　　对于电动机回路，我们应当使用专用于电动机的单磁断路器，也即只有瞬时短路保护I参数的断路器。

　　我们看下图：

　　图中有一级配电【系统，有二级配电系统。其中QF1是低压总进线，QF2是馈电，QF1和QF2之间有选择性配合关系;QF3是二级配电系统的总进线，QF3与QF2之间，以及QF3和QF4之〖间都存在选择性配合关系。

　　此图中只有QF4可以使用限流型断路器。原〓因很简单，它是最后一级开关，并且负载的冲击电流♂也比较小。

　　如此说来，限流断路器的应用面不是很大呀?确实如此。但有时它会被应用在一些特殊场合中。我∩们看下面的两个例子：

　　第一个例子：控制电炉

　　在这个例子中，我们看到负载是电炉，同时控制电炉的是※调功器，显然，这里的冲击电流不大，反倒是短路保护要加强。

　　虽然晶闸管SCR被熔※断器开关QS中的熔断器保护着，但作为线路保护的断路器QF2到QFn+1都要采用限流断路器，以便在发生短路时能快速地开断。

　　第二№个例子：特别大的短路容量。我们来看下图：

　　这是苏州某台湾工业园的实例。我们看到变压器的容量是3200kVA，这还不算，系统还要求变压器♂并列运行!

　　最要命的是：系统必须为第■三台变压器并列做好准备!

　　我们用我介绍过的计算短路电流的简便方法来计算一下，如下：

　　单台变压器的额定电流：4619A

　　单台变压器产生的短路电流：77kA

　　变压器并列后产生的短路电流】：2X77=154kA

　　值得注意的是：最大短路电流作用在母线、母联开关QF2和所有馈电断◆路器上，而不是→进线断路器QF1和QF3。

　　这个短路容量已经超过了所有国产断路器分断容量的最大△值。用户①只好找ABB和施耐德公司，当然，在ABB他们找到我了。

　　会谈时々才知道，其实他们已经为馈电回路优选了」限流断路器。这显然是合适的，毕竟限流断路器的分断能力远高于普通断路器。

　　但是母联开关该怎么办?

　　母联开关的额定电流为5000A，分断能力为◤154kA，这个值也已经到达不得不选用限流框架断路器的程度。

　　但是母联开关与两个进线之间有备自投关系，即使在▲并列运行时，也有投退的关系。也就是说，当发生短←路时，母联开关和进线开关之间因为选择♂性其开断操作必须有一定的时延。显然，限流型断路器是做不到的。

　　解决的办法是什么呢?母联开关采用了普通高█分断能力的断路器，同时还专ξ门配备了限流线。

　　限流线是ABB的一项发明，在配电系统中使用的不太多。限流线具有快速的正电阻温度系数，当运行温度正常『时，它的电阻很小;而当短路时，由于短路电流的热效应，使得限流线的温度剧烈增加，它的电阻也剧烈增加◆，以此实现真正→的限流。