柴油发电机断路器总开关的功能及机理

摘要：柴发机组出口空气断路器一般指发电机输出端的主断路器总开关，它安装在柴油发电机组的电力输出端，是连接发电机组与下游配电系统（或负载）的第一道关口，其作用是通过精密的机械构造实现快速可靠的电气通断，通过电子传感和微解决器实现全面的电气参数监测与保护逻辑，较终确保整个发电和供电系统的安全、可靠、自动化运行。

  发电机组出口空气断路器（ACB， Air Circuit Breaker）的核心功用是 “管控与守护” ，主要体现在以下几个方面：

  这是其较根本的职责。它直接保护价值高昂的柴发机组，防止因外部故障（如下游线路短路、负载严重失衡）或内部故障（如发电机绕组事故）引起的事故。

（1）短路保护：当下游产生短路时，ACB必须瞬时、可靠地分断巨大的短路电流（包括发电机供应的衰减短路电流），防范发电机的电枢绕组受到巨大的电磁力冲击和热磨耗。

（2）过载保护：预防发电机因长时间超过其额定功率运转而发烫，故障绝缘。保护具有反时限特性（过载越大，动作时间越短）。

（3）欠压保护：当发电机因损坏不能建立正常电压，或电压太低时，ACB跳闸，预防带故障运行并保护敏感负荷。

（1）场景：当多台机组并列运转时，若一台机组原动机（柴油机）出力不足，它不但不能输出容量，反而会从母线上吸收容量，成为一台“电动机”被反拖运转。

（3）举措：出口ACB配备逆功率继电器，一旦检测到有功功率反向流动并超过设定值，立即跳闸，将该故障机组从装置中切除。

  在需要多台发电机组并车运转或与电网并网（如孤岛微网）的系统中，该ACB是执行“合闸”的物理开关。控制系统通过同步器比较待并发电机与母线之间的电压、频率和相位。当所有数据均在允许误差内，并在相位差接近零度的精确时刻，向ACB发出合闸指令，实现平滑无冲击的并列。

  当ACB分闸后，它在物理上断开了发电机与下游装置的连接，形成一个可见的、安全的断开间隙。这对于机组维护、修理和测试是绝对必要的安全方案。

（1）起动程序：机组启动、建压、稳定 → 控制系统检验发电机数据正常 → 向ACB发出“合闸”指令。

（2）停机程序：接收到停机指令（如市电恢复） → 先将负荷转移 → 向ACB发出“分闸”指令 → 机组空载冷却后停机。

  在自备电站，自动空气断路详细用在柴油发电机操作界面中，作为柴发机组三相交流电源输出的控制开关，也主用于低压配电屏中作为三相交流电源的输出开关。国产自动开关有系统式、万能式、快速式和限流式等类型，常用的有系统式DZ10系列自动空气断路器；万能式DW94、DW95、DW98等类型自动空气断路器。DZ10型自动空气断路器结构机理如图1所示。

（1）机构：自动空气断路器的系统由传动装置和自由脱扣机构两部分结构。合闸时通过传动装置功用于自由脱扣机构将开关接通。而自由脱扣系统与触头装置及保护系统相联系，通过它的作用使触头接通或断开。

（2）触头：自动开关的触头通常采取块状，其接触部分嵌银块以减少接触电阻。一般额定电流大于600A的自动开关应装灭弧触头，以保护主触头免受电弧烧坏。

（3）灭弧系统：自动空气断路器的灭弧系统一般采用栅片灭弧室，由于栅片具有不一样形状的凹槽，因而提升灭弧能力。灭弧室用石棉板或陶土制成，可防止因飞弧造成相间短路。

① 热脱扣器为过流脱扣器，其功能是过载时，电流使双金属片右端向下弯曲，经一段时间后，在弹簧功能下，开关跳闸，切断主电路。

② 电磁脱扣器的功用是，短路时，短路电流流过电磁脱扣器的线圈，发生强磁场，吸动衔铁，使开关跳闸。

  DZ10系列自动空气断路器的热脱扣器，其额定电流有15A、20A、30A、40A、50A、60A、80A柴油发电机警示标牌、100A···600A等，可根据电路的作业电流选型适应的热脱扣器。电磁脱扣器的额定电流有15A、20A、25A、30A、40A、50A、100A、250A、400A、600A等，它的动作电流可在3～10 倍额定电流范围内调整。

  自动空气断路器选取电磁使用，弹簧储能合闸，其电磁合闸使用的控制电路如图2所示。

  当交流发电机建立电压后，交流电源从输入端经熔断器RD加到电路两端，电源经按钮A的常闭接点，两只VD1整流二极管整流、限流电阻R、中间继电器ZJ的常闭接点ZJ/1、ZJ/2对电容器C进行充电，随着充电过程，电容器的电压Uc逐渐提升，直到充电充足，为合闸做准备柴油发电机启动流程。

  合闸时，按下按钮A，常闭接点断开，常开接点闭合，此时，电容器C的充电回路被切断，已充电的电容器C经按钮A常开接点（按下时已闭合）和常闭的辅助接点DF1对中间继电器ZJ进行放电，ZJ继电器通电后立即动作，完成几个作用：ZJ的常开接点ZJ/3闭合接通ZJ的自保电路；ZJ/1、ZJ/2常闭接点断开，切断电容器C的充电回路；ZJ/4～ZJ/6并机的常开接点闭合，交流电源经ZJ/4～ZJ/6和桥式整流电路VD2～VD5二极管整流对电磁铁线圈HQ供电，HQ通电动作，吸动衔铁，储能弹簧被拉长，使弹簧储能，同时压下微动开关WK，使WK闭合，给失压脱扣线圈S通电。

  随着电容器C放电，其电压Uc减小，经很短时间，Uc减轻到中间继电器ZJ的释放电压，ZJ释放，ZJ/4～ZJ/6断开，切断电磁铁线圈HQ电路，HQ也释放，已储能的弹簧突然被释放，使自动空气断路器合闸。同时，ZJ/1和ZJ/2闭合，电容器C又被充电，为下次合闸做准备，ZJ/3断开，切断电容器C的放电回路。

  合闸后，虽然微动开关WK又断开，但由于常开的辅助触头DF2已闭合，因此，失压脱扣线圈S仍处于通电状态。

  自动空气断路器采取电动操作，弹簧储能合闸，合闸电路如图3所示。当开关断开时，储能弹簧即储能，脱扣机构处于“再扣”位置。

① 开关未合闸时电路的状态：当发电机建立电压后，交流发电机输出的电流，经熔断器、红色指示灯及常闭辅助触头结构回路，红色指示灯燃亮，表示发电机已建立电压，但尚未合闸。失压脱扣线圈经熔断器RD和分断按钮A2结构回路也通电。此时，操作电动机经熔断器RD、储能开关常闭触头及开关常闭辅助触头6结构回路，使用电动机D通电转动，当凸轮转到较低点时，杠杆上的滚子压下储能开关，使其常闭触点打开，常开触点闭合，切断使用电动机电路，电动机停转，同时接通黄色指示灯电路，黄灯燃亮，表示储能弹簧已储能，自由脱扣机构处于“再扣”位置。

② 开关合闸时电路的状态：当柴发机组运行正常，发电机的电压和频率均稳定时，需合闸对负荷供电，只需按下合闸按钮A1，此时，使用电动机D，经合闸按钮A1、开关常闭辅助触头6组成回路，又被通电转动，带动凸轮转过较低点，突然滑过杠杆上的滚子，使储能弹簧释放能量，开关合闸。此时储能开关释放复位，黄灯熄灭。开关合闸后其常闭辅助触头6断开，使用电动机D自动停转。同时常开辅助触头4闭合，绿色指示灯亮，常闭的辅助触头8断开，红灯熄灭，表示开关已合闸。

  自动空气断路器通常装有欠压、过载和短路继电保护装置。图4所示为具有两个过流脱扣器和一个失压脱扣器的保护作用动作原理图。

① 欠压保护原理：当发电机输出电压正常对负载供电时，失压脱扣电磁铁线圈经按钮TA的常闭接点和自动开关常开辅助触头（合闸后已闭合）接于电源侧线通电，发生电磁吸力大于弹簧5拉力，冲击杆4被吸下，自动开关处于合闸状态。因为失压脱扣器作发电机欠压保护系统时，其启动电压的整定值整定在低于发电机额定电压的70％，瞬时发作，因此，当发电机输出电压下降到欠压保护整定值时，电磁吸引力小于弹簧拉力，冲击杆抬起撞到搭钩上，使其与钩杆脱开，自动开关在断路弹簧的功用下，自动跳闸。当需要远距离控制时，可按下TA按钮即可跳闸。

② 过流保护原理：图4中过流脱扣保护装置由两个过流脱扣器电磁铁构造。当发电机输出的电流正常时，过流脱扣器电磁铁的吸力小于弹簧拉力，搭钩与钩杆钩牢，自动开关处于合闸状态，如图4所示状态。当发电机输出的过载电流大于过载保护启动电流的整定值时，电磁铁线圈产生的吸力大于弹簧拉力，吸动衔铁，冲击杆抬起撞在搭钩上，使其与钩杆脱开，自动跳闸。

  对于有延时机构的自动空气断路器，过载长延时保护的起动电流可在1.55～2倍脱扣器额定电流范围内整定，动作时限可在4～15s范围内整定。短路短延时保护的动作电流可在3～4.5倍脱扣器额定电流范围内整定，动作时限可在0.2s、0.4s和0.6s整定。DZ10型是选用热脱扣器作为过流脱扣器的自动空气断路器，如图1所示。当过载时柴油发电机常规故障分析，电流使双金属片受热向下弯曲，经过一段时间后，杠杆的下端从调整螺丝中脱出，在弹簧的功能下，曲轴沿顺时针方向转动，当主杠杆从钢片中脱出时，在弹簧的功用下，开关自动跳闸。电磁脱扣器，当短路时，短路电流通过电磁脱扣器线圈产生较强的磁场，吸力提高，吸动衔铁，使开关跳闸。

柴发机组出口空气断路器是发电装置的 “守护神”和“总开关” 。它不仅是一个能通断电网流的机械开关，更是一个集成了先进传感技术、微解决器保护和网络通信作用的智能电气节点。功能上，专为发电机而生，核心是供应全面的电气保护（特别是逆容量保护），并作为自动控制系统的关键执行器。机理上，选用空气灭弧技术实现高可靠性分断，依赖电子脱扣器实现精准的数字化保护和控制。它的可靠作业，直接决定了发电机组本身的安全和整个备用电源系统的供电可靠性。

康明斯（Cummins）作为全球知名品牌，其柴发机组故障判断技术结合了机械、电子和智能系统的综合剖析方式，能够快速定位问题并减少停机时间。