小電流分?jǐn)啻祷〈艌龇抡婕霸囼?yàn)研究

徐 凱，李治軍，祝 聰，孔凡良

小電流分?jǐn)啻祷〈艌龇抡婕霸囼?yàn)研究

徐 凱1，李治軍1，祝 聰1，孔凡良2

（1. 武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064；2. 武漢長海電氣科技開發(fā)有限公司，武漢 430064）

直流斷路器分?jǐn)嘈‰娏鲿r，在動靜觸頭之間易出現(xiàn)持續(xù)燃弧現(xiàn)象。為解決小電流分?jǐn)嚯y的問題，通常在電流轉(zhuǎn)移回路中串入磁吹裝置。本文對某型直流斷路器磁吹裝置進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，同時對兩種磁吹裝置下觸頭區(qū)域吹弧磁場仿真分析，并對關(guān)鍵路徑磁場進(jìn)行對比。仿真分析及試驗(yàn)結(jié)果都表明，使用優(yōu)化后磁吹裝置的斷路器具有更好的雙向小電流分?jǐn)嗄芰Α?/p>

直流斷路器 小電流分?jǐn)?磁吹裝置 吹弧磁場

0 引言

斷路器是能夠關(guān)合、承載和分?jǐn)嗾！惓；芈窏l件下電流的設(shè)備，以保護(hù)電氣系統(tǒng)中其他設(shè)備。在斷路器分?jǐn)嘈‰娏鬟^程中，可能會在動靜觸頭之間穩(wěn)定燃弧，進(jìn)而導(dǎo)致斷路器分?jǐn)嗍　?/p>

為解決小電流分?jǐn)鄦栴}，通常在斷路器中增加吹弧磁場。穩(wěn)定燃燒的電弧可以視為導(dǎo)體，在電弧垂直方向添加吹弧磁場的作用下，電弧受到電動力作用而加速進(jìn)入滅弧柵片。電弧在滅弧柵片切割下分為多段短電弧，使得總弧壓升高，加快電弧熄滅。

在直流斷路器磁吹裝置設(shè)計過程中，通常由于流過斷路器電流方向保持一定，故吹弧磁場方向也需要保持不變。但在越來越復(fù)雜的系統(tǒng)使用環(huán)境下，直流斷路器可能流過反向小電流；此時斷路器也必須能可靠分?jǐn)喾聪蛐‰娏鳌?/p>

1 吹弧磁場分析方法

斷路器分?jǐn)嚯娏鬟^程中，在動靜觸頭之間會產(chǎn)生電弧，電弧會在自身產(chǎn)生的磁場作用下運(yùn)動。但在分?jǐn)嘈‰娏鲿r，由于電流很小，故電弧自身產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度很??；電弧受到的電磁力很小，難以驅(qū)動電弧運(yùn)動。此時電弧會停滯并穩(wěn)定燃弧，造成斷路器分?jǐn)嗍　?/p>

為解決斷路器分?jǐn)嘈‰娏骼щy問題，在斷路器設(shè)計時，在電流的轉(zhuǎn)移回路中串入磁吹裝置。磁吹裝置主要由導(dǎo)磁板、導(dǎo)磁鐵芯、勵磁線圈以及引弧角組成。磁吹裝置要在電弧運(yùn)動區(qū)域中形成磁場，故鐵芯、導(dǎo)磁板等均需為鐵磁材料；磁吹裝置的結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

圖1 斷路器磁吹裝置模型

當(dāng)分?jǐn)嘈‰娏鲿r，電流經(jīng)過磁吹裝置進(jìn)而產(chǎn)生吹弧磁場。同時，電弧在吹弧磁場的作用下，電弧停滯時間減小并快速進(jìn)入滅弧室內(nèi)。要分析電弧在吹弧磁場中的受力情況，就要分析電弧運(yùn)動區(qū)域的磁場。

磁吹裝置仿真計算的第一步是進(jìn)行靜態(tài)電流傳導(dǎo)分析，得到電流的密度分布，第二步是以得到的電流密度分布作為磁場計算的激勵源計算觸頭區(qū)域的磁場分布。由于斷路器導(dǎo)電回路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電流密度并不均勻，勵磁線圈的勵磁電流通過仿真計算得到。電流密度滿足下式所示的邊界條件：

式中：-導(dǎo)體的電導(dǎo)率，電弧的電導(dǎo)率為銀的10-4；-矢量電位；-通過導(dǎo)體和電弧的電流總和。

電流密度與磁通密度之間的關(guān)系式如下：

式中：-磁矢位；-磁導(dǎo)率。

為簡化優(yōu)化計算過程中，直接將線圈與激勵源簡化為激勵線圈的安匝數(shù)作為激勵加載在模型上，進(jìn)而通過有限元分析軟件計算得到電弧運(yùn)動區(qū)域的磁場分布情況。

2 研究對象與仿真結(jié)果分析

由于鐵芯的剩磁現(xiàn)象，在斷路器正向分?jǐn)嘈‰娏骱螅F芯中存在正向的剩磁。故斷路器要能可靠分?jǐn)喾聪蛐‰娏?，必須先克服鐵芯中的剩磁。因此磁吹裝置在分?jǐn)嘈‰娏鲿r，在電弧運(yùn)動區(qū)域中形成磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度越大越好。故需要針對磁吹裝置進(jìn)行優(yōu)化。

為研究不同磁吹裝置對電弧轉(zhuǎn)移過程的影響，對比了兩種不同結(jié)構(gòu)的磁吹裝置：一種π形結(jié)構(gòu)，一種工形結(jié)構(gòu)。兩種結(jié)構(gòu)磁吹裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。其中觸頭系統(tǒng)位于兩塊導(dǎo)磁板中間，并且動靜觸頭在導(dǎo)磁板中部。

圖2 磁吹裝置結(jié)構(gòu)示意圖

仿真過程將激勵線圈的安匝數(shù)設(shè)為1100 A，兩種磁吹裝置的磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量分布如圖3所示。

上述三條參考路徑示意圖如圖4所示。路徑1表示電弧產(chǎn)生的起始階段觸頭附近區(qū)域；路徑2表示電弧弧跟在動靜引弧角運(yùn)動路徑區(qū)域；路徑3表示電弧產(chǎn)生后在進(jìn)入滅弧室內(nèi)腔運(yùn)動區(qū)域。

圖3 磁感應(yīng)強(qiáng)度分布

為了獲得電弧運(yùn)動軌跡上的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化情況，在兩種磁吹裝置結(jié)構(gòu)內(nèi)選取了三條參考路徑：

1）導(dǎo)磁板中部下側(cè)內(nèi)邊緣中點(diǎn)連線。

2）靜引弧角端部與動引弧角部中點(diǎn)連線。

3）路徑1與路徑2中點(diǎn)連線。

上述三條參考路徑示意圖如圖4所示，路徑1表示電弧產(chǎn)生的起始階段觸頭附近區(qū)域，路徑2表示電弧弧根在動靜引弧角運(yùn)動路徑區(qū)域；路徑3表示電弧產(chǎn)生后在進(jìn)入滅弧室內(nèi)腔運(yùn)動區(qū)域。

圖4 三條參考路徑位置示意圖

對π形結(jié)構(gòu)與工形結(jié)構(gòu)磁吹裝置的磁場分布進(jìn)行仿真計算。并對分別提取3條參考路徑上磁感應(yīng)強(qiáng)度結(jié)果進(jìn)行對比，對比結(jié)果如圖5～圖7所示。

圖5 路徑一上磁感應(yīng)強(qiáng)度對比

由圖5可知，在參考路徑一上，兩種磁吹裝置最小的磁感應(yīng)強(qiáng)度出現(xiàn)在路徑中部。其中π形結(jié)構(gòu)磁感應(yīng)強(qiáng)度的最小值為2.14 mT；而工形結(jié)構(gòu)最小值為8.16 mT，約為π形結(jié)構(gòu)的4倍；π形結(jié)構(gòu)磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值為7.61 mT；而工形結(jié)構(gòu)最大值為30.16 mT，也近似為π形結(jié)構(gòu)的4倍。說明工形結(jié)構(gòu)磁吹裝置在觸頭區(qū)域產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度更大，在分?jǐn)嘈‰娏鬟^程中能使得電弧更加快速的運(yùn)動。同時由圖7，圖6可知，在滅弧室內(nèi)腔、動靜引弧角處，工形結(jié)構(gòu)下的磁感應(yīng)強(qiáng)度明顯大于π形結(jié)構(gòu)。

圖6 路徑二上磁感應(yīng)強(qiáng)度對比

由上述分析可知，相比于π形結(jié)構(gòu)磁吹裝置，工形結(jié)構(gòu)磁吹裝置在電弧運(yùn)動區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的磁場更強(qiáng)；電弧在強(qiáng)磁場內(nèi)收到的電磁力更大，有利于電弧的轉(zhuǎn)移。

同時工形結(jié)構(gòu)磁吹在同樣的激勵下，產(chǎn)生的磁場更強(qiáng)，更能克服鐵芯在小電流分?jǐn)嗤瓿珊蟮氖４牛欣跀嗦菲鞯姆聪蛐‰娏鞣謹(jǐn)唷?/p>

3 小電流分?jǐn)嘣囼?yàn)

為驗(yàn)證仿真結(jié)果，比較不同結(jié)構(gòu)的磁吹裝置對正反小電流分?jǐn)嘟Y(jié)果的影響。在直流2000 V試驗(yàn)電壓下進(jìn)行正反小電流分?jǐn)嘣囼?yàn)；試驗(yàn)電流為5 A，電流時間常數(shù)5 ms。

試驗(yàn)過程中，通過測量斷路器進(jìn)出線兩端的電壓信號可以得到電弧電壓變化曲線；通過測量回路電流可以得到電弧電流變化曲線。通過上述兩條曲線及電源電壓變化曲線可以知道正反小電流是否分?jǐn)喑晒?，以及燃弧時間。同時在完成正向小電流分?jǐn)嗪?，立即進(jìn)行反向小電流分?jǐn)唷?/p>

π形結(jié)構(gòu)與工形結(jié)構(gòu)正反小電流分?jǐn)嘣囼?yàn)波形如圖8、圖9所示。

圖8 π形結(jié)構(gòu)正反分?jǐn)嗖ㄐ?/p>

由圖8可知，π形結(jié)構(gòu)磁吹裝置在分?jǐn)嗾蛐‰娏鲿r，成功地分?jǐn)嗔苏?A小電流，分?jǐn)嗳蓟r間318.4ms；而在分?jǐn)喾聪?A小電流時，系統(tǒng)出現(xiàn)了穩(wěn)定燃弧，最后是由試驗(yàn)系統(tǒng)分?jǐn)?。說明π形結(jié)構(gòu)磁吹裝置可以成功分?jǐn)嗾蛐‰娏?，但不能分?jǐn)喾聪蛐‰娏鳌?/p>

由圖9可知，工形結(jié)構(gòu)磁吹裝置在分?jǐn)嗾蛐‰娏鲿r，成功地分?jǐn)嗔苏?A小電流，分?jǐn)嗳蓟r間為256.4ms；在分?jǐn)喾聪蛐‰娏鲿r，也成功地分?jǐn)嗔苏?A小電流，分?jǐn)嗳蓟r間為燃弧時間423ms。說明工形結(jié)構(gòu)磁吹裝置可以成功分?jǐn)嗾蛐‰娏?，也可以成功分?jǐn)喾聪蛐‰娏?。而反向分?jǐn)嗳蓟r間比正向燃弧時間長，是由于在斷路器正向分?jǐn)嘈‰娏骱?，鐵芯中存在正向的剩磁。在分?jǐn)喾聪蛐‰娏鲿r，必須先克服鐵芯中的剩磁。

根據(jù)試驗(yàn)與仿真結(jié)構(gòu)可以得出，工形結(jié)構(gòu)磁吹裝置能夠顯著改變觸頭系統(tǒng)、滅弧室內(nèi)腔以及引弧角等區(qū)域的磁場分布，從而提高斷路器的小電流分?jǐn)嗄芰Α?/p>

圖9 工形結(jié)構(gòu)正反分?jǐn)嗖ㄐ?/p>

4 總結(jié)

在直流斷路器設(shè)計過程中，需要考慮小電流分?jǐn)嚯y的問題；同時在某些特定系統(tǒng)內(nèi)還需要考慮正反雙向小電流分?jǐn)鄦栴}。采用工形結(jié)構(gòu)磁吹裝置能夠顯著改變觸頭系統(tǒng)、滅弧室內(nèi)腔以及引弧角等區(qū)域的磁場分布，提供較強(qiáng)的吹弧磁場，從而提高斷路器的正反向小電流分?jǐn)嗄芰Α?/p>

[1] 許志紅. 電器理論基礎(chǔ)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2014.

[2] 榮命哲, 吳翊. 開關(guān)電器計算學(xué)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2018.

[3] 陳德桂, 李興文. 低壓斷路器的虛擬樣機(jī)技術(shù)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2009.

[4] 趙博, 張洪亮. Ansoft 12在工程電磁場中應(yīng)用[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 2010.

Simulation of arc blast magnetic field and breaking test for low current breaking

Xu Kai1, Li Zhijun1, Zhu Cong1, Kong Fanliang2

（1. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China; 2. Wuhan Changhai Electrical Technology Development Co., Ltd., Wuhan 430064, China）

TM561

A

1003-4862(2022)08-0027-04

2021-11-9

徐凱（1991-），男，工程師。研究方向：開關(guān)電氣。E-mail: diyigewangyi@126.com