高速開斷器用橋絲式電火工品引燃特性分析

張金成 劉昕宇

江西新余國科科技股份有限公司（國營九三九四廠） 江西 新余 338000

引言

高速斷開器的實(shí)際應(yīng)用結(jié)合當(dāng)代艦船所能提供的綜合電力系統(tǒng),判斷分析高速斷開器,根據(jù)其自身特點(diǎn)如:電流進(jìn)行分段反應(yīng)迅速、損耗較低、對于強(qiáng)效電流有控制力、占地面積不大等優(yōu)勢。根據(jù)基礎(chǔ)電流傳感所發(fā)生的短路傳輸信息,判斷火工品的實(shí)際斷路情況。結(jié)合現(xiàn)有裝置運(yùn)用源頭的可塑性發(fā)出電弧觸發(fā)器應(yīng)有的傳感作用。按照電火流的產(chǎn)生情況分析出電弧觸發(fā)器在電流傳感一系列的。電弧的弧長必須穩(wěn)定,電弧就會這里影響最大的是電弧燒蝕使得電極間隙增加。流過電弧的電流必須穩(wěn)定,否則電弧就不能穩(wěn)定;如果出現(xiàn)燒蝕接觸不良,則電弧就會因此而熄滅。在實(shí)驗(yàn)室,因?yàn)樘茧姌O燒蝕比較嚴(yán)重,實(shí)驗(yàn)員曾經(jīng)用不銹鋼代替碳電極,結(jié)果燒蝕更嚴(yán)重,而且還會粘連。另外,碳電極的固定件是不銹鋼管外套瓷管,不銹鋼管用于電氣接線,而瓷管則用于絕緣。電弧的熱傳導(dǎo)散熱就來源于這里。碳電極的外套瓷管因?yàn)楦邷睾苋菀灼屏?而不銹鋼套管以及其上的接線因?yàn)楦邷囟l(fā)紅,電線燒灼厲害,電線外圍的絕緣層都燒焦冒煙,電接觸的效果較差。系統(tǒng)反應(yīng)中所帶來的容器溫度較高。結(jié)合上升時期的熔斷所產(chǎn)生的電弧和電壓大功率變換器,所采用的電力電子器件按照容量及耐壓情況由高到低,主要有可控硅晶閘管、矩形脈沖斷開閘流晶體管、金屬氧化物場效應(yīng)晶閘管、絕緣柵雙極晶體管、集成門極換向晶閘管等設(shè)備,利用對電熱的影響,驗(yàn)證其實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

1 基本結(jié)構(gòu)及原理

金屬橋絲式火工品的主要原理及應(yīng)用屬性。根據(jù)安裝設(shè)施,電力設(shè)備的量及電極塞。金屬橋絲實(shí)驗(yàn)所用的藥劑設(shè)備管殼組裝而成。電極塞所采用的連接模式是基于橋絲方位的焊接固定在兩極引腳的位置上,以此來阻礙電流所產(chǎn)生的高溫。在使用過程中配上系數(shù)最小的鎳鉻絲。伴隨著消耗電力的日益增長,要求電力系統(tǒng)的容量增大,這引起系統(tǒng)的故障短路電流增大,而目前低壓空氣斷路器的最大分?jǐn)嗄芰Σ荒軡M足斷流要求,即保護(hù)裝置的斷流容量限制了艦船電力系統(tǒng)容量的增大。采用中壓系統(tǒng)可以減小短路電流的絕對值,增大電力系統(tǒng)的極限容量,緩和這個矛盾。發(fā)電機(jī)和負(fù)載電機(jī)的單機(jī)容量增大,如仍采用低壓,則制造困難,而且不經(jīng)濟(jì)。配電系統(tǒng)容量增大,若采用低壓,電纜用銅量大,布線施工困難且不經(jīng)濟(jì)。根據(jù)斷條絲通電后產(chǎn)生的熱量結(jié)合斷橋私產(chǎn)生的英英有溫度推算出該段橋絲導(dǎo)熱溫度有上升趨勢。該段橋絲所產(chǎn)生的溫度較高,具有明顯的散熱功能。藥劑所產(chǎn)生的熱能升溫比較平緩,相對斷橋絲通電產(chǎn)生的熱能較為穩(wěn)定。當(dāng)該階段橋絲上升到一定溫度時藥劑反應(yīng)所產(chǎn)生的熱能大大增加,溫度上升所帶來的熱能損耗不宜與計(jì)算。經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明將該階段的熱能反應(yīng)進(jìn)行分析其第一階段的反應(yīng),根據(jù)溫度的快慢所產(chǎn)生的傳感速度,由于橋絲本身的長度所受電流的影響。根據(jù)第二批段的反應(yīng)所用藥劑引起了熱能迅速升溫,再根據(jù)藥劑所增設(shè)的引燃功效所蘊(yùn)含的熱能傳輸發(fā)生變化。熱能經(jīng)過傳導(dǎo),使藥劑屬性進(jìn)行分散引起熱能引爆。本文針對高速開斷器用橋絲式電火工品的點(diǎn) 火電壓由電弧觸發(fā)器弧壓提供,而不同短路工況下電弧觸發(fā)器熔斷所產(chǎn)生的點(diǎn)火弧壓差別較大的問題,在分析火工品引燃過程的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)就橋絲弧前階段的火工品電熱過程,采用仿真平臺中模塊建立了其瞬態(tài)電熱場耦合計(jì)算模型,并開展了相關(guān)試驗(yàn)研究。分析發(fā)現(xiàn),可通過計(jì)算不同點(diǎn)火電流下橋絲的弧前時間來預(yù)測火工品的引燃時間。對比仿真與試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),電流超過5 A時,恒定電流加載分析與實(shí)際不相符。根據(jù)該分析,從等效電路方面入手,在仿真中添加外電路模塊以模擬真實(shí)的點(diǎn)火回路電容放電過程,優(yōu)化后的仿真模型計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果擬合較好,該模型更適用于橋絲弧前時間的分析。

圖1 橋絲式電火工品

2 模型的建立

按規(guī)定的試驗(yàn)程序所規(guī)定的條件,斷路器能分?jǐn)喽搪冯娏鞯哪芰?試驗(yàn)后不要求斷路器連續(xù)承載其額定電流。用預(yù)期分?jǐn)嚯娏鞅硎?。試?yàn)順序O-t-CO。O表示一次分?jǐn)嗖僮?、CO表示閉合操作后經(jīng)一適當(dāng)時間間隔緊接著一次分?jǐn)嗖僮鳌１硎緝蓚€相繼的短路操作之間的時間間隔。該時間間隔應(yīng)斷路器的復(fù)位時間,把線路的電流調(diào)整到預(yù)期的短路電流值,而試驗(yàn)按鈕未臺,被試斷路器處于合閘位置,按下試驗(yàn)按鈕,斷路器短路電流,斷路器立即開斷,斷路器應(yīng)完好,且能再合閘。t為間歇時間,一般為3mn,此時線路仍處于熱備狀態(tài),接通試驗(yàn)是考核斷路器在峰值電流下的電動和熱穩(wěn)定性斷路器能完全分?jǐn)?則其極限短路分?jǐn)嗄芰ε_格。額定運(yùn)行短路分?jǐn)嗄芰?按規(guī)定的試驗(yàn)程序所規(guī)定的條件,斷路器能分?jǐn)喽搪冯娏鞯哪芰?試驗(yàn)后要求斷路器連續(xù)承載其額定電流。用預(yù)期分?jǐn)嚯娏鞅硎?。可用的百分?jǐn)?shù)表示。例如為25%,試后要求至少分?jǐn)囝~定電流25～50次,按額定電流大小而定?？梢钥闯?額定極限短路分?jǐn)嗄芰χ傅氖堑蛪簲嗦菲髟诜謹(jǐn)嗔烁咚贁嗦菲鞒鼍€端最大三相短路電流后還可再正常運(yùn)行并再分?jǐn)噙@一短路電流一次,至于以后是否能正常接通及分?jǐn)?斷路器不予以保證;而額定運(yùn)行短路分?jǐn)嗄芰χ傅氖歉咚贁嗦菲髟谄涑鼍€端最大三相短路電流發(fā)生時可多次正常分?jǐn)?。類斷路器指僅有過載長延時、短路瞬動的斷路器可以是25%、50%、75%和100%。B類斷路器有過載長延時、短路短延時、短路瞬動的三段保護(hù)的斷路器的可以是50%、75%和100%,因此可以看出,額定運(yùn)行短路分?jǐn)嗄芰κ且环N比額定極限短路分?jǐn)嚯娏餍〉姆謹(jǐn)嚯娏髦?。無論是哪種斷路器,雖然都具備兩個重要的技術(shù)指標(biāo),但是,作為支線上使用的斷路器,可以僅滿足額定極限短路分?jǐn)嗄芰纯?。較普遍的偏顏是寧取大,不取正臺適,認(rèn)為取大保險(xiǎn),但取得過大,會適成不必要的浪費(fèi)同類型斷路器分為高分?jǐn)嘈?因此支淺上的斷路器沒有必要一味追求它的運(yùn)行短路分?jǐn)嗄芰χ笜?biāo)。而對于干線上使用的斷路器,不僅要滿足額定極限短路分?jǐn)嗄芰Φ囊?同時也應(yīng)該滿足額定運(yùn)行短路分?jǐn)嗄芰Φ囊?如果僅以額定極限短路分?jǐn)嗄芰砗饬科浞謹(jǐn)嗄芰ε_格與否,將會給用戶帶來不安全的隱患。額定短時耐受電流,按規(guī)定的試驗(yàn)程序所規(guī)定的條件,斷路器能承受的短時電流值。短時時間應(yīng)不小于0.05秒,斷路器的額定短時耐受電流應(yīng)不小于下表的規(guī)定,以滿足選擇性保護(hù)的要求。建立火工品的瞬態(tài)電熱場耦合模型,模型由金屬橋絲和藥劑組成。橋絲為鎳鉻絲,按照其實(shí)際尺寸建模,藥劑厚度為0.015mm,長度為0.5mm,即藥劑為內(nèi)徑0.02mm、外徑0.05mm,長0.5mm的圓環(huán)柱體。邊界條件設(shè)置為:電流從橋絲的一端流入,從另一端流出;忽略了橋絲與藥劑交界面的熱容和熱阻,認(rèn)為二者為良好接觸;忽略了橋絲向引腳傳熱;環(huán)境溫度為20℃ 。

3 試驗(yàn)論證及分析

為確保驗(yàn)證的準(zhǔn)確度,就不同點(diǎn)火電流下火工品橋絲的弧前時間及引燃特性進(jìn)行試驗(yàn)研究,對限流斷路器和直流快速斷路器要求有較高的限流能,限流系數(shù)在0.6以下。要求斷路器有極快的動作速度。限流斷路器的固有動作時間應(yīng)小于3ms。保護(hù)特性就是斷路器的動作時間與電流的函數(shù)曲線,橫坐標(biāo)表示電流（整定電流的倍數(shù)）,縱坐標(biāo)表示時間,以s表示。兩個坐標(biāo)軸均采用對數(shù)坐標(biāo)。對配電用選擇型斷路器要求有兩段或三段保護(hù)特性,上一級的可返回時間要大于下級的斷開時間,否則將破壞系統(tǒng)的選擇性。電動機(jī)保護(hù)用斷路器則要求長延時反時限特性能盡量與被保護(hù)對象的過載特性相配合。需要說明的是,為使斷路器起到良好的保護(hù)作用,斷路器的保護(hù)特性應(yīng)與被保護(hù)對象的允許發(fā)熱特性相匹配,即斷路器的保護(hù)特性曲線要位于被保護(hù)對象的發(fā)熱特性曲線的內(nèi)側(cè)。另外,為實(shí)現(xiàn)斷路器具有良好的選擇性保護(hù),防止越級跳閘等現(xiàn)象的發(fā)生,要求上一級斷路器的脫扣電流一般要比下一級高兩檔,且上一級最好裝有帶延時動作的脫扣器,以確保動作的可靠性。

種點(diǎn)火條件下,操作性能過去慣稱高速斷路器?，F(xiàn)在根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)和我國國標(biāo)已改為操作性能。操作性能有不通電和通電操作循環(huán)次數(shù)規(guī)定。其次數(shù)按斷路器額定電流大小在標(biāo)準(zhǔn)中有明確規(guī)定。額定電流大的斷路器操作循環(huán)次數(shù)較少,額定電流小的斷路器則較多。表示與分?jǐn)鄷r間有關(guān)的最大值與預(yù)期電流（交流對稱有效值）的函數(shù)關(guān)系（一般為一條曲線）,預(yù)期電流可至最大值,是相應(yīng)于額定短路分?jǐn)嗄芰坝嘘P(guān)電壓的預(yù)期電流。特別是對限流斷路器有較重要的意義,在選擇性配合中可作為配合協(xié)調(diào)的依據(jù)。

4 結(jié)束語

本文針對高速開斷器用橋絲式電火工品的點(diǎn)火電壓由電弧觸發(fā)器弧壓提供,隨著高速斷路器的不斷完善,引發(fā)出可通信問題。在現(xiàn)代自動化配電網(wǎng)中,下級斷路器的各種信息要及時傳送給中央控制計(jì)算機(jī)。中央控制計(jì)算機(jī)亦需及時傳送至下級斷路器,實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸。這就要求斷路器具有可通信能力,并能支持各種總線系統(tǒng),采用受熱電的影響其實(shí)驗(yàn)建立的電熱場的使用效果,針對組合數(shù)據(jù)體現(xiàn)出火電流下橋絲的弧前時間體現(xiàn)出火工品的導(dǎo)熱時間及引燃預(yù)期,經(jīng)過5 A電流時,其原有經(jīng)過電流與實(shí)際對應(yīng)的電流通過性能是否相符。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)提供高速斷路器該分析,技術(shù)人員應(yīng)該從等效電路導(dǎo)向?yàn)榛镜姆矫嫒胧?在仿真中為構(gòu)造模擬以外的添加式電路模塊,構(gòu)造以真實(shí)參數(shù)為基準(zhǔn)的真實(shí)的點(diǎn)火回路電容,為其正?，F(xiàn)實(shí)環(huán)境下的放電過程,進(jìn)行改良后的實(shí)驗(yàn)設(shè)備與計(jì)算數(shù)據(jù)與所產(chǎn)生的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行配比融合,經(jīng)由多方面比對與數(shù)據(jù)分析,實(shí)驗(yàn)人員依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出結(jié)論,該實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)備構(gòu)造更適用于橋絲弧前時間的數(shù)據(jù)分析。