2.4.3 万能式低压断路器
万能式低压断路器也称低压框架式断路器，属于一级配电电器，是一种大容量低压断路器，具有高短路分断能力、高动稳定性和多段式保护特性，主要应用于10kV/380V电源变压器380V侧，用来分配电能和保护线路及电源设备，具有过载、短路、欠电压、单相接地等故障保护功能及隔离功能。
万能式低压断路器的壳架等级额定电流一般为200～6300A，短路分断能力为40～50kA，具有手动、杠杆和电动三种操作方式，极限通断能力较高的万能式低压断路器采用储能操作机构以提高通断速度。
万能式低压断路器主要由触头系统、操作机构、过电流脱扣器、分励脱扣器及欠电压脱扣器、附件、框架、二次接线回路等部分组成，全部组件进行绝缘后装于绝缘衬垫的钢制框架底座中。不同的脱扣器和附件可组合成具有选择性、非选择性或具有反时限动作特性的断路器。通过辅助触头可实现远方控制。
万能式低压断路器的产品类型和型号很多，品牌很多，性能各异，在正常条件下，可作为线路的不频繁转换之用。常用的有DW15-630型万能式低压断路器、DW16型万能式低压断路器和抽屉式（固定）万能式低压断路器。
2.4.3.1 DW15系列万能式断路器
图2-17是DW15-630型万能式低压断路器产品实物及结构示意图。
图2-17 DW15-630型万能式低压断路器的产品实物及结构示意图
1—电流互感器 2—电磁脱扣器 3—底板 4—静触头 5—动触头 6—灭弧罩 7—操作机构
8—欠电压脱扣器 9—阻尼延时器 10—操作手柄 11—传动机构 12—热继电器
13—分合指示器 14—分断按钮 15—分励脱扣器 16—电磁铁
DW15系列万能式低压断路器为立体布置形式，触头系统、快速电磁铁、左右侧板均安装在一块绝缘板上。上部装有灭弧系统，操作机构装在正前方或右侧面。有“分”“合”指示及手动断开按钮。其左上方装有分励脱扣器，背部装有与脱扣半轴相连的欠电压脱扣器。速饱和电流互感器或电流电压变换器套在下母线上。欠电压延时装置、热继电器或半导体脱扣器均分别装在下方，上部装有灭弧系统，右侧面装有操作机构。有“通”“断”指示及手动“合”“分”按钮。左侧面装有分励脱扣器、欠电压脱扣器。DW15系列抽屉式结构和限流断路器由断路器本体和抽屉座组成，断路器本体上装有隔离触刀、二次回路动触头、接地触头支承导轨等。抽屉座由左右侧板、铝支架、隔离触座、二次回路静触头、滑架等组成。正下方由操作摇手柄、螺杆等组成推拉操作机构。
2.4.3.2 DW16系列万能式低压断路器
DW16系列万能式低压断路器主要由自由脱扣机构、触头系统、过电流脱扣器、灭弧系统等组成。触头系统、过电流脱扣器均装在断路器的底板上，触头系统上面装有灭弧系统，右侧装有自由脱扣机构。自由脱扣机构通过主轴与触头系统相连，左侧装有辅助开关。触头材料采用陶冶合金，有良好的抗熔焊性和低接触电阻。灭弧室栅片为平行布置，灭弧壁采用耐弧塑料制成，并配置隔弧板，从而提高断路器短路分断能力。断路器还可根据需要安装电动机操作机构、杠杆操作机构、电磁铁操作机构（只适用于壳架等级电流630A以下）等。图2-18所示为DW16-630型万能式低压断路器的产品实物及结构示意图。
图2-18 DW16-630型万能式低压断路器的产品实物及结构示意图
2.4.3.3 抽屉式（固定）万能式低压断路器
抽屉式（固定）万能式低压断路器有抽屉式、固定式两种安装方式，把固定式本体装入专用的抽屉座内就成为抽屉式。国产产品规格型号繁多。这种断路器的特征是带有智能控制器（电子脱扣器），有带或不带通信接口（RS485）两种，具有高分断能力、零飞弧、小型化、模块化等特点，具有瞬时、短延时、长延时过电流及单相接地保护，以及显示功能、自检功能、整定功能、监控功能、故障记忆功能、试验功能。图2-19是抽屉式（固定）万能式低压断路器模块化结构图。图2-20是抽屉式（固定）万能式低压断路器内部结构图。这种类型的产品不同厂商有不同的型号，如DW45、RMW1、SRW2、CW等，字母W是“万能式”的意思。
1.抽屉式（固定）万能式低压断路器的结构原理
由图2-19和图2-20可见，抽屉式（固定）万能式低压断路器是模块化结构，由各种组件组合而成，本体组件包括框架、触头及灭弧系统、手动操作机构、电动操作机构、抽屉座、智能控制器等6个部件，以及欠电压、分励脱扣器等附件，二次回路接线端子、安装板、相间隔板及支架、辅助开关等。触头单元每个极均设有一个灭弧室，灭弧室全部置于断路器的绝缘底座内。总装时用螺钉固定，拆装十分方便。核心部件是智能控制器（电子脱扣器）。
框架或抽屉座由带有导轨的左右侧板、底座和横梁等组成，底座上设有推进结构，并装有位置指示，框架或抽屉座的上方装有辅助电路隔离静触头。操作机构、手动和电动传动机构位于断路器正面。电动传动机构自成一体，操作机构是五连杆自由脱扣机构和弹簧储能机构。储能弹簧可以手动操作储能或者电动机储能，以提高合闸速度。弹簧储能机构总是处于预储能位置，只要断路器一接到合闸命令，断路器就能立即瞬时闭合。储能轴与主轴之间通过凹凸形楔口活动连接，可装拆。
图2-19 抽屉式（固定）万能式低压断路器模块化结构图
图2-20 抽屉式（固定）万能式低压断路器内部结构图
1—智能控制器 2—合闸按钮 3—分闸按钮 4—操作手柄 5—合闸分闸指示 6—储能释放指示
7—操作机构 8—电动操作机构 9—电动机 10—框架（固定、抽屉）11—辅助触头
12—欠电压脱扣器、分励脱扣器 13—故障跳闸指示/复位按钮 14—二次回路接线端子
15—电流互感器 16—主触头 17—固定式断路器 18—抽屉式断路器
抽屉式（固定）万能式低压断路器的外壳、框架采用塑料压制而成，触头、灭弧系统都放在绝缘小室中，防止相间短路，确保电弧向上喷出，保证下进线可靠分断。框架或抽屉座两侧有导轨，导轨上有活动的导板（抽出手柄），断路器本体装在左右导板上。本体为立体分隔布置，触头系统封闭在绝缘基座与底板之间，每组触头都被相间隔板分割在小室内，其上方是灭弧室。智能控制器、操作机构、电动储能机构依次排在前面。通过本体上的母线插入框架或抽屉座上的桥式触头连接主回路。动触头通过连杆与绝缘基座外的主轴连接完成分合。每相触头采用多触头并联形式安装在触头支持上，一端用软编织线与母排连接。断路器在闭合时，主轴带动连杆使触头支持绕支点逆时针转动，当动触头与静触头接触后压缩储能弹簧产生触头压力，使断路器可靠闭合。框架或抽屉座与断路器间有机械联锁装置，只有在连接位置和试验位置断路器才能闭合。断路器有手动和电动两种操作方式，并具有自由脱扣功能。分励脱扣器在外部命令下得电使断路器跳闸，欠电压脱扣器在断路器供电电源低于设定值时使断路器跳闸。
抽屉式（固定）万能式低压断路器有“连接”“试验”和“分离”三个工作位置（手柄旁有位置指示）。位置变更通过手柄的旋进或旋出来实现。当处于“连接”位置时，主回路和二次回路均接通；当处于“试验”位置时，主电路断开，并有绝缘板隔开，仅二次回路接通，可进行动作试验；当处于“分离”位置时，主回路与二次回路全部断开，此时即可拉出断路器本体部分。断路器只有在连接位置或试验位置才能闭合，而在连接与试验的中间位置，断路器不能闭合。
2.智能控制器的工作原理
智能控制器（智能脱扣器）的原理框图如图2-21所示。
图2-21 智能控制器（智能脱扣器）原理框图
抽屉式（固定）万能式低压断路器的主要工作原理是通过智能控制器采集电流互感器的电流，当电流超过整定值时立即驱动分励脱扣器分闸。智能控制器采集测量与保护用双线圈电流互感器的三相电流，实现过电流、过载、短路三段式保护，同时，将采集的电流与电压实现测量（电流、电压）和运行监视、负荷管理等辅助功能。辅助功能还包括数据查询、参数整定、模拟试验、自诊断、系统时钟、区域联锁、状态选择、过载报警与记忆、历史故障查询、通信联网等。利用通信接口可实现远程或现场数据通信。
智能控制器由电子组件板、复位按钮、联锁机构及外壳等构件组成。电子组件板由微处理器（MCU）板、电源及I/O板和人机界面板组成。MCU板主要进行电流和电压信号的模拟量处理、模数转换、数字量运算和逻辑处理，产生脱扣指令，实现各种功能；电源及I/O板负责电源供给、电流及电压信号的输入、断路器机构动作信号输入、脱扣信号输出、信号触头功能输出等；人机界面板主要由按键和显示部分组成，通过面板上的按键可输入指令，整定保护参数、进行模拟试验、完成数据查询等，显示部分可显示相关信息。联锁机构用于控制器脱扣推杆位置的锁定，并带动一组辅助触头的开、闭，用来指示断路器主触头的分、合状态。
智能控制器通过MCU实时采集断路器的电流、电压信号和各种辅助信号，当采集到主回路电流符合设定的断路器保护条件时，选择性发出脱扣信号，控制断路器分断故障回路。
电源电路通过互感器为智能脱扣器供电。专用集成电路（Application Specific Intergrated Circuits，ASIC）将电流互感器（BC2）检测到的信号放大，并通过矢量合成检测接地故障电流。MCU根据所检测的或放大的信号执行脱扣操作，同时将保护功能与各种显示、控制功能一体化。图2-20中的特殊设置模块是用于设置智能脱扣器特性的电路。
控制部分主要由电源回路、信号回路、显示、CPU等功能单元组成，实现信号的输入、输出和计算，并显示相应的状态和数据，输出脱扣指令。
执行部分主要由电动机、复位指示按钮和联锁机构组成。当故障电流达到脱扣值时，电动机动作于跳闸，复位指示按钮弹出，断路器断开。排除故障后，只有在人工按下复位指示按钮后，断路器才能重新合闸。联锁机构用来保证当复位指示按钮按下时，断路器才能合闸，否则，无法合闸。
3.智能控制器的功能
1）保护特性：具有过载长延时反时限保护，短路短延时反时限及定时限保护，短路瞬时保护，不对称接地（接零）、断相、三相不平衡故障保护等四段保护特性。
2）整定功能：可根据需要整定各保护参数，组成所需的四段保护特性。
3）显示功能：显示断路器的工作电流、整定电流、整定时间；显示保护状态。
4）自检功能：环境温度过热自诊断；微控制器内部的CPU、ROM、RAM及I2C通信自检。
5）记忆功能：记忆线路故障引起脱扣时的故障电流、延时动作时间、故障类别等。
6）试验功能：模拟故障状况进行断路器的脱扣或不脱扣试验。
7）可增选功能：电压表功能、负载监控功能、报警信号输出功能。
8）可选通信功能：通过通信接口对断路器实现远距离的“四遥”功能。“四遥”即遥控、遥信、遥调和遥测。遥控是通过主站计算机对系统中每一从站断路器进行储能、闭合、分断等操作控制；遥调是通过主站计算机对系统中的从站进行保护整定值的设定和更改；遥测是主站计算机对系统中从站采样的电网运行参数进行监测；遥信是在主站计算机上即可完整地查看从站的各种运行参数、故障参数、整定参数，以及型号、生产商、生产日期、控制器编号等参数。
9）通信协议：Modbus-RTU、PROFIBUS-DP、DeviceNet、CAN协议等。
10）通信接口：RS485。
11）区域联锁功能：区域联锁功能用于配电系统中多个断路器分级进行选择性保护，以减少故障波及范围，并缩短断路器的分断时间。图2-22所示是3级抽屉式（固定）万能式低压断路器的联锁，一般最多可联锁5级。
图2-22中，当下级断路器出口处发生大于10Ir短路时，3级智能控制器均检测到有大于10Ir短路电流故障，下级断路器的短延时动作时间整定值tsd=0s，在10ms内即发出脱扣分断命令，并立即向中级断路器传递，中级断路器在40ms内如收到下级断路器送来的级联约束信号，则不分断中级断路器，并向上级断路器传递故障解除级联约束信号，保证了中级和上级断路器的正常供电；反之，若下级断路器因本身部件故障未能瞬动脱扣，中级断路器在40ms内未收到下级断路器送来的级联约束信号，则发出瞬动脱扣命令，并立即向上级断路器发送级联约束信号，上级断路器在70ms内如能收到中级断路器发来的约束信号，则不分断上级断路器，否则发出分断上级断路器脱扣命令。各级参数参考整定值见表2-11。
图2-22 区域联锁示意图
表2-11 区域联锁各级参数参考整定值
注：Ir为长延时整定电流阈值；In为智能控制器额定电流。
这样，短路短延时或接地故障被隔离，并由离故障点最近的上级断路器分断。系统内其他区域的设备保持合闸持续供电。通过控制线可联锁多个配有区域联锁功能的断路器。