冯建兴厦门兴厦控电气有限公司
博乐封城摘要：通过对高压真空接触器-熔断器组合电器(F-C回路)的功能分析，介绍其与真空断路器在应用方面的区别和优势。
关键词：高压真空接触器；F-C回路；应用
Application of Vacuum Contactor-Fuse
Combinations
Feng Jianxing Xiamen Xingxiakong Electric Co., Ltd. Abstract：Introduced the difference on application of vacuum contactor-fuse combinations, based on the technical principle. Key Words：Vacuum Contactor; F-C Circuit; Application;
0 前言
在国外的3～24kV配电系统中，通常除了重要的进线开关、母联开关或控制主变的开关外，其余中小容量的变压器、电动机以及箱变，多采用相应负荷电流较小的小型开关装置来实现控制。 真空接触器基于结构简单、操作功小、易于控制，尤其是它能频繁操作、体积紧凑的突出特点，最适合控制频繁起动的高压电动机、水泵、风机以及冶炼熔炉变压器等设备，已成为一种性能非常优越的新型起动装置，许多国家已大量使用，因此迅速发展成为一大类真空开关电器产品。
真空接触器-熔断器组合电器是利用能开断大范围短路电流的高压熔断器与可频繁操作的真空接触器配合，应用于发电、石化、冶金等工业的电力拖动系统，作为频繁起动的电动机的起动装置，因此也被称为综合起动器（简称F-C回路）。可代替断路器，成为一种经济的开关装置。
1 F-C回路的原理和特点
与断路器不同，接触器除手动操作外，只有一个休止位置。接触器能关合、承载和开断正常电流及规定的过载电流。其真空灭弧室采用杯状触头（多为AgWC材料或CuWTe材料），具有截流值低、操作功小、可频繁操作等特点。真空接触器一般都采用电磁操动机构，能够与真空灭弧室特点相匹配，具有功耗小、寿命长、可频繁动作等优势。正是因此，接触器在频繁启动类负载的应用较为普遍，特别在电动机负载的保护和控制上更具优势。 高压限流熔断器在电流动作范围内，能够将短路故障电流限制到远低于预期电流峰值 （即限流特性）。其反时限电流保护特性与系统的保护要求一致，故障电流越大，开断速度越快。一
般情况下，流经限流熔断器的短路故障电流将在第一个波峰前被熔断器开断，因此熔断器开断短路电流的时间约为10ms（即半个周波）。
真空接触器和熔断器的组合电器（即F-C回路）具备真空接触器和熔断器各自的优势，并利用两种开关电器的配合，具有分断能力高、使用寿命长、成本低、占地空间小、节省负载设备投资等不可比拟的优势。接触器和熔断器的配合将断路器所具有的控制和保护功能合理划分，解决了在实际应用中开关应用不合理的问题。熔断器内配有撞击器，其熔管内带有撞针。任意一相熔断器熔断后撞针弹出，通过撞击杆使接触器跳闸，从而避免了设备缺相运行。在电动机负载的保护和控制方面，F-C回路以其独特的优势，应用尤为广泛，在其它频繁启动类负载中，F-C回路也有卓越表现。
2 F-C回路的应用特点
断路器在开关行业中受到足够的重视，并被追捧。在传统概念中，真空断路器是万能的，其它开关设备能实现的功能断路器就可以实现，断路器能实现的保护控制功能，其它开关电器不一定能实现。实际上，并非如此。正如象棋一样，“车马炮”固然威力十足，但“士相”也不可缺。在相当一些领域，F-C回路与断路器相比，优势突出，效果不可比拟。
2．1 保护更有效
断路器在开断短路故障时，其固有分闸时间一般在60ms，继电保护动作时间也有40ms 左右，因此短路故障最快也要在100ms以上才能开断，保护区域内的开关设备以及负载设备将承受严重的短路冲击影响。而F-C回路开断短路故障电流一般在半个周波（10ms）以内，而且开断容量大，可高达50kA。同时熔断器在开断短路故障时，能有效地将短路故障限制在一定的范围内（限流特性），因此更能有效、可靠地保护其区域内的负载设备。举例说明：系统中预期的短路故障电流有效值为40kA，此时断路器断开该故障前，其负载和开关设备须承受该故障电流的冲击（即动热稳定的冲击），冲击能量为I²R t（其中I=40kA，t=100ms）。若采用F-C回路，由于熔断器的限流作用，故障电流将被限制在10kA以下，此时负载设备承受的冲击能量为I²R t（其中I=10kA，t=10ms）。显而易见，采用F-C回路后，负载和开关设备的故障冲击能量约为采用断路器的1/160，可见，F-C回路具有明显的优势。对于电动机负载，短路故障会引起绕线过热、破坏匝间绝缘，进而酿成绝缘事故和设备损坏，F-C回路能在极短的时间内将故障电流限幅并切除将大大有利于保护该类设备，减少电动机负载的检修、维护费用。对于变压器负载亦然，有效地保护变压器免受油箱炸裂的危险，并大大减少绕组绝缘事故。
再者，断路器开断故障电流均依靠二次继电保护装置的动作，在控制电源或继保装置故障时，断路器将不能进行开断回路的操作，从而使故障影响面扩大，负载和开关设备承受更危险的冲击。F-C回路中，即使二次继保或控制电源故障，在电流保护范围内的故障，均可由串联于一次回路的高压限流熔断器动作，有效地、可靠地切断故障，从而保护负载。
2．2 过电压更低《80后》
真空开关设备在开断和关合感性负载时，所产生的过电压一般分为截流过电压、重燃过电压和三相同时开断过电压等。在F-C回路与真空断路器在保护和控制负载方面对比，其三相同时开断过电压的影响的机理基本一致的，因此不做对比。在此，主要考虑截流过电压和燃弧过电压。
截流现象是高压开关开断各种小感性电流时出现的普遍现象。在开断小电流过程中，由于开关的灭弧能力强以及小电弧电流在真空中的不稳定性，此时电弧电流不是在电流的零点熄弧而是在某一电流值时突然下降到零而熄弧，因而产生较高的截流过电压。
高压开关在开断小电感电流的过程中出现截流的情况可用图所示的简化单相电路来说明。在截流发生前，由于C 值很小，i c 《i L ，i ≈i L ，设t=0时出现截流现象，截流值为i=I ch ，
电容上电压为u C =U 0，则出现截流时负荷侧的能量分别为21CU 02和21
LI ch 2。由于振荡，电场能
和磁场能不断转换，总能量保持不变（忽略电阻损耗）。当电压达最大值时，全部电场能为
21
CU m 2，磁场能量为零。可得
21LI ch 2+21CU 02=21
CU m 2
由此可得：
U m =22
0)(Z I U ch +
式中Z=C L
为负荷特征阻抗。
不难看出，截流过电压的大小与截流值I ch 和负荷特征阻抗Z 有很大关系，截流值和特征阻抗越大，U m 也越大。较高的过电压对负载的绝缘不利，特别是对电动机和变压器进线端线圈绝缘不利。
真空接触器灭弧室多采用截流值极低的AgWC 材料或CuWTe 材料等触头材料，进口接触器的截流值可做到小于0.5A ，国产接触器一般也可做到小于1A ，一般截流过电压不超过
1.3p.u ；而质量较好的进口断路器截流值也要5A ，国产真空断路器一般为10A ，其截流过电压一般为3.1p.u 。断路器的截流过电压比接触器要高。
电动机和变压器容量越小，特征阻抗越大，开断中小容量负载时容易出现危险的截流过电压，而开断大容量负载时，该过电压却不会太高。因此，在中小容量高压电动机和变压器负载的控制和保护应采用F-C 回路，而在大容量时，可以考虑采用真空断路器。
重燃过电压是由于弧隙发生多次重燃，电源多次向电动机负载绕组、电容进行充电而产生的。在真空开关切断电流的过程中，触头的一侧为工频电源，另一侧为LC 回路充放电的振荡电源，此时若触头的开距太小，两个电压叠加后就可能会发生击穿，开关的恢复电压就会升高。此时若触头开距增幅的不够大或者分闸反弹幅值较高，就会发生第二次重燃，再灭弧，再重燃以致发生多次重燃现象，多次的充放电振荡，触头间的恢复电压逐级升高，负载端的电压也不断升高，导致电气设备损坏。实验证明，电机匝间绝缘的破坏主要是由于真空开关多次重燃引起的电压逐级升高造成的。
尽管重燃过电压发生的概率很小，但其危害引起普遍关注。真空断路器具有较强的高频电弧熄灭能力，在开断过程中，电弧过早的被熄灭，而开距仍未到达安全开距，出现重燃的机率较高；在关合过程中，在预击穿或触头发生弹跳时，易发生复燃过电压。F-C 回路的真空接触器的灭弧能力不及断路器（接触器主要承担过载电流的开断），因而重燃几率较小；同时，由于真空接触器操作功小，机构机械特性较为优异，大部分产品可实现合闸零弹跳，分闸反弹幅值也较小，大大降低了发生重燃的几率，有些产品可以做到无重燃。
经常听到钢厂等电动机负载的用户反馈，真空断路器差不多2年坏一次，需要更换，过压吸收装置经常坏。其实，大多不是断路器或者过压吸收装置的质量问题，而是针对负载特性的开关设备选择问题。适宜的开关设备将大大提高开关设备和负载设备的运行可靠性。
2．3 节省投资成本
首先，占地面积小。F-C 回路占地面积小，中置式结构的F-C 回路配柜尺寸仅为650mm 宽，且双层手车方案，更能节省配电室面积，从而节省工程投资。
其次，使用寿命长。F-C 回路的机械寿命可达30万次，电寿命可达25万次，断路器的电寿命一般为1万次，在频繁的启动负载设备的开关设备使用中，孰优孰劣，一目了然。
还有，单台设备价格低。F-C回路本身要比同等档次断路器便宜，单台价格约为断路
器的1/2，甚至1/3或更低。
再有，也是最重要的一点，就是节省投资成本。基于熔断器的限流特性和快速熔断，F-C
回路能够将短路故障电流在上升阶段便被限制在较低的幅值内，并在极短的时间（10ms）内
切除故障，因此对回路中负载侧的设备要求也大大降低了。参考熔断器的限流特性，可以使
用动热稳定参数较低的接地开关、电流互感器，可以选择更小规格的支母线，规格更低的电
力电缆等等，从而大大降低项目的工程造价。
高压电缆选型对比资料如下（同等运行环境和条件下）：
典型的电缆规格对比（成本对比可参考市场价）
电动机
31.5kA 50kA 满载电流（A）F-C回路断路器 F-C回路断路器
45 35 185 35 300
驱动轴
60 35 185 50 300
75 35 185 50 300
90 50 185 50 300
直线加速器120 50 185 70 300
150 50 185 70 300
165 50 185 70 300
185 50 185 70 300
225 70 185 95 300
250 70 185 95 300
3 F-C回路的保护配合
在F-C回路中，熔断器的预期短路开断电流为40kA或50kA，影响F-C回路保护特性
的是接触器。接触器的一个重要参数便是其交接电流I zy，它是接触器与限流熔断器保护曲
线的交接点电流，即大于该电流时保护功能由限流熔断器执行，小于该电流，保护功能由接
触器执行。VCF型接触器-熔断器组合电器的交接电流可达到4kA。
过电流保护一般按躲过电动机自启动电流来整定，其值远比交接电流要小，因此完全
在接触器的保护范围内。当负载发生故障时，此时接触器的开断能力完全满足要求，保护装
置将以正常时限出口跳闸。
电流速断保护按躲过电动机合闸涌流以及短路电流来整定，其值可达额定电流的十几
倍以上。在此情况下，故障电流的大小决定了由谁先切除故障。如果保护动作时间小于熔断
器熔断时间，故障不仅可以由接触器较快切除，而且也避免了熔断器熔断，对电厂的安全性
和经济性很有好处。F-C回路较为理想的电流保护配置方案如下：
①故障电流超过交接电流时，应在保护程序里将电流保护闭锁，故障由熔断器切除。
丁酮
②交接电流范围内，应充分发挥接触器的开断能力，避免熔断器频繁熔断。在整定过
电流保护时限时，在不影响选择性的前提下，应尽可能将电流保护曲线置于熔断曲线之下。
有用户提到，F-C回路是否存在越级跳的问题？首先，F-C回路一般作为终端保护和控
制设备（主要为电动机等负载）使用，基本上不存在与下级的保护配合问题。其次，当负载
侧发生短路故障时，如果短路电流小于交接电流，主要由接触器切除，此时，接触器的保护
特性可以完全按照与上级开关设备的保护配合，进行选择性保护；如果短路电流大于交接电
流，此时熔断器熔断在先，短路故障将由熔断器切除，因此选择合适的熔断器，即可避免出
现上下级保护选择性的问题。短路电流大于交接电流时，熔断器将先于上级断路器开断的具
体分析如下：
考虑到原有系统的保护配合，上级断路器的
速断保护如果有选择性保护的要求，那只能是限
时速断，即有时限，一般情况下为0.3s。根据高
压限流熔断器的时间-电流特性，即便是对应于
额定电流最大的熔断器（比如12kV，224A），在
交接电流（一般为3.2kA）的开断时间最长也只
有0.15s，因此熔断器会先于断路器断开故障，
中国少年儿童队改名为中国少年先锋队时间保护的配合不会出现越级跳的现象。
3 结束语
高压真空接触器做为电厂、石化、冶金、矿
业、运输等领域控制和保护高压电动机、变压器以及电容器的主要开关设备，应用较为广泛。其与高压熔断器组合成F-C回路，大大降低了系统成本，更主要的是F-C回路在控制和保护上独特的优势，更能有效的保护负载，提高系统的运行可靠性、降低系统的投资成本尤显得极为突出。
参考文献
1、真空断路器王季梅北京机械工业出版社
2、真空开关电器熊泰昌中国水利水电出版社
3、电机工程手册机械工业出版社
4、一种新型的真空接触器-熔断器组合电器（F-C回路）冯建兴王叶生高压开关行业通
讯 2005-5
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