無極性直流微型斷路器電壽命評(píng)估研究

牟明川 張 博 趙 虎 郭曉雪 張立昌

無極性直流微型斷路器電壽命評(píng)估研究

牟明川1張 博1趙 虎2郭曉雪1張立昌3

（1. 西安工程大學(xué)電子信息學(xué)院，西安 710600；2. 西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，西安 710114；3. 西安工程大學(xué)工程訓(xùn)練中心，西安 710600）

低壓斷路器是低壓交直流配電系統(tǒng)控制和保護(hù)的主要器件，電氣壽命是衡量其性能的指標(biāo)之一。相較于低壓交流斷路器，直流斷路器沒有電流過零滅弧特征，其滅弧及壽命評(píng)估不易。本文研究無極性直流微型斷路器電壽命評(píng)估，闡述了無極性直流微型斷路器結(jié)構(gòu)，搭建試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行電弧特性分析和電壽命試驗(yàn)，并建立電壽命預(yù)測模型。試驗(yàn)結(jié)果表明，電弧對(duì)觸頭的穩(wěn)定燃燒是斷路器電壽命減少的主要原因，本文所提出的靜觸頭燒蝕量與燃弧能量積累量的線性模型可有效預(yù)測斷路器電壽命。

無極性；直流微型斷路器；燃弧時(shí)間；燃弧能量

0 引言

近年來，隨著城市牽引車輛、光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、電動(dòng)汽車等分布式電源的發(fā)展，直流微型斷路器在這種分布式低壓配電網(wǎng)中的保護(hù)和控制作用愈加重要[1-2]。與交流斷路器不同，直流斷路器在開關(guān)過程中沒有電流過零特性，因而滅弧能力較差，對(duì)低壓直流配電系統(tǒng)及其元件損害較大，需要附加磁吹的直流滅弧功能。傳統(tǒng)的有極性直流斷路器的電弧具有方向性，滅弧受限；而采用無極性直流斷路器則可以提高滅弧能力，延長其使用壽命。對(duì)直流微型斷路器進(jìn)行電弧特性研究和電壽命評(píng)估是應(yīng)用無極性直流微型斷路器的必要前提。

在分?jǐn)嚯娀∵^程中產(chǎn)生的飛弧對(duì)斷路器及系統(tǒng)的危害嚴(yán)重[3]。文獻(xiàn)[4]分別在動(dòng)觸頭與靜觸頭合閘點(diǎn)一側(cè)安裝永磁鐵、兩側(cè)安裝永磁鐵以N-S極性放置兩種方案。單磁鐵時(shí)，磁通沿徑向擴(kuò)散，有效磁通密度因與到接觸點(diǎn)的距離二次方成反比而減小，串聯(lián)布置雙磁體可增加接觸點(diǎn)的磁通密度從而加快電弧的熄滅。文獻(xiàn)[5]分析了強(qiáng)弱性永磁鐵在不同位置對(duì)電弧電動(dòng)力的影響，通過仿真試驗(yàn)證明強(qiáng)磁性永磁鐵在拐角鐵片處的電動(dòng)力最強(qiáng)，表明在該處進(jìn)行滅弧效果最佳。文獻(xiàn)[6]在橫向磁場作用下，電弧被驅(qū)逐到電極邊緣，獲得了更好的滅弧效果。文獻(xiàn)[7]采用兩種不同形狀的釹鐵硼做研究，滅弧時(shí)間都得到了改善。文獻(xiàn)[8]分別采用“T”形和矩形導(dǎo)磁板結(jié)構(gòu)的外加磁吹裝置進(jìn)行仿真研究，研究表明“T”形導(dǎo)磁板具有較好的開斷能力。顯然，外加磁吹裝置不是優(yōu)選方案，文獻(xiàn)[9]建立了縱向磁場，得出隨縱向磁場增大，陰極與陽極鞘層的電場強(qiáng)度減小，有利于電弧熄滅的結(jié)論。

微型斷路器的電壽命會(huì)隨開斷次數(shù)的增加而減少，因而對(duì)微型斷路器進(jìn)行壽命評(píng)估與預(yù)測能夠有效避免因其失效而引發(fā)的一系列事故。文獻(xiàn)[10]利用累積燃弧能量與開斷次數(shù)的關(guān)系對(duì)接觸器進(jìn)行了壽命預(yù)測。文獻(xiàn)[11]利用累積電弧燒蝕量和開斷次數(shù)的關(guān)系對(duì)高壓直流繼電器進(jìn)行了電壽命預(yù)測。文獻(xiàn)[12]利用累積觸頭磨蝕量和開斷次數(shù)的關(guān)系構(gòu)建了交流接觸器壽命預(yù)測模型。這種壽命評(píng)估與預(yù)測方法主要利用選取的特征量隨觸頭開斷次數(shù)線性變化的特點(diǎn)，簡單有效，但是對(duì)于不同的觸頭材料，需要重新進(jìn)行電壽命試驗(yàn)來修正關(guān)系系數(shù)。

與此同時(shí)，利用趨勢特征量構(gòu)建壽命評(píng)估與預(yù)測模型的研究也成為熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[13-14]利用超程時(shí)間構(gòu)建了繼電器壽命預(yù)測模型。文獻(xiàn)[15-16]利用電弧電壓和電弧電流的數(shù)據(jù)挖掘，采用觸頭質(zhì)量損耗、燃弧能量積累量和吸合時(shí)間特征量反映開關(guān)電器壽命劣化趨勢，建立了剩余壽命預(yù)測模型。

然而，在直流斷路器的電弧分析與壽命預(yù)測研究中，大多是針對(duì)有極性直流微型斷路器。為解決直流微型斷路器的滅弧方向性問題，本文提出無極性直流微型斷路器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對(duì)該類斷路器進(jìn)行電弧特性分析和壽命預(yù)測建模。首先，對(duì)無極性直流微型斷路器結(jié)構(gòu)進(jìn)行闡述；其次，搭建電弧特性試驗(yàn)平臺(tái)和電壽命預(yù)測試驗(yàn)平臺(tái)；最后，對(duì)32A的無極性直流微型斷路器進(jìn)行電弧特性分析和電壽命試驗(yàn)，并對(duì)其電壽命進(jìn)行建模。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

無極性直流微型斷路器結(jié)構(gòu)及磁鐵觸頭相對(duì)位置示意圖分別如圖1、圖2所示。

1—進(jìn)線接線座 2—軟連接線 3—?jiǎng)佑|頭 4—靜觸頭 5—脫口機(jī)構(gòu) 6—手柄 7—線圈 8—出線接線座 9—靜跑弧道 10—滅弧室 11—滅弧柵片 12—隔弧壁 13—?jiǎng)优芑〉?14—永磁鐵 15—熱雙金屬片

圖2 N-N極性磁鐵觸頭相對(duì)位置示意圖

無極性直流微型斷路器附加了隔弧壁、永磁鐵、增磁鐵片等元件。隔弧壁材料常用三聚氰胺或酚醛樹脂，當(dāng)電弧經(jīng)過隔弧壁時(shí)產(chǎn)生高導(dǎo)熱性氣體，氣體在周圍產(chǎn)生的氣流將高溫迅速冷卻下來，同時(shí)壓縮電弧使其直徑減小，加速滅弧過程。永磁鐵以N-N或S-S同極性安放在動(dòng)靜觸頭合閘位置兩側(cè)。增磁鐵片放于隔弧壁下方，起到增強(qiáng)磁場的作用，以增強(qiáng)引弧。

當(dāng)斷路器開斷電流時(shí)，無論電流方向如何，電弧在動(dòng)靜觸頭之間產(chǎn)生，由于相對(duì)設(shè)置的永磁體在動(dòng)靜觸頭之間區(qū)域產(chǎn)生的磁場相互抵消，電弧主要在自身電流及動(dòng)靜觸頭導(dǎo)電結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的磁場下向弧角方向運(yùn)動(dòng)；待電弧運(yùn)動(dòng)至弧角上之后，由于隔弧壁側(cè)面導(dǎo)磁體的設(shè)置會(huì)加強(qiáng)永磁體下方區(qū)域磁場對(duì)電弧的作用，靠近兩側(cè)隔弧壁區(qū)域的磁力線方向相反，無論電流正向還是反向流動(dòng)，均會(huì)促使電弧靠近，將電弧推向滅弧室方向的一側(cè)隔弧壁，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電流的引弧和分?jǐn)唷?/p>

2 滅弧原理

直流不同于交流的區(qū)別就是直流電流是一個(gè)恒定值，沒有自然過零點(diǎn)，所以滅弧原理異于交流。直流電弧伏安特性與一般電阻伏安特性相反，即電壓隨著電流的增大呈現(xiàn)遞減的趨勢，所以電弧的直徑會(huì)隨著電流的升高而遞增進(jìn)而使電弧溫度增加，導(dǎo)致電阻值減小。圖3為簡化直流電路，為電源的電動(dòng)勢，為電感，為電路電阻，CB為斷路器，h為斷路器兩端電壓，h為電路電流瞬時(shí)值。

圖3 簡化直流電路

當(dāng)切斷線路時(shí)，在動(dòng)靜觸頭上產(chǎn)生電弧，線路電壓方程為

式中，h為電路電流瞬時(shí)值h對(duì)應(yīng)的有效值。

由于電弧的熱慣性和線路中儲(chǔ)能元件的存在，電弧熄滅的時(shí)間會(huì)延長。從動(dòng)觸頭與靜觸頭分開到電弧熄滅所經(jīng)歷的時(shí)間代表燃弧時(shí)間，故將式（1）進(jìn)行變換，并對(duì)等式兩邊進(jìn)行時(shí)間積分，令積分時(shí)間區(qū)間為（0,），令=0，得

式中，h0為初始時(shí)刻回路電流有效值。

從式（2）可以看出，在直流電源和線路電阻一定的情況下，燃弧的能量與電感有很大的關(guān)系。線路中電感系數(shù)越大，電感儲(chǔ)存的能量就越多，電弧的能量也就越大，即滅弧難度增加，故電感的儲(chǔ)能特性增加了滅弧時(shí)間。

3 試驗(yàn)平臺(tái)搭建

試驗(yàn)系統(tǒng)主要完成對(duì)無極性直流微型斷路器分?jǐn)噙^程中電弧電壓和電流數(shù)據(jù)的采集，因分?jǐn)鄷r(shí)間極短，需要提高采樣速率來保證采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)系統(tǒng)原理如圖4所示。

圖4 直流微型斷路器試驗(yàn)系統(tǒng)原理

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由兩塊數(shù)據(jù)采集卡和兩個(gè)霍爾電壓傳感器構(gòu)成，一個(gè)霍爾電壓傳感器用于測量觸頭間的電壓，另一個(gè)霍爾電壓傳感器用于測量阻性負(fù)載兩端的電壓，其等同于測量回路電流信號(hào)。微型斷路器合分閘操作機(jī)構(gòu)由PLC、直流電機(jī)、接近開關(guān)和機(jī)械機(jī)構(gòu)組成。滅弧室位置處外殼進(jìn)行開口處理，并加裝有機(jī)玻璃，便于拍攝，同時(shí)保證不改變?cè)囼?yàn)樣品的滅弧室氣流場分布，降低試驗(yàn)誤差。電弧分?jǐn)嘌芯吭囼?yàn)及電壽命試驗(yàn)平臺(tái)如圖5所示。

1—阻性負(fù)載 2—PLC操作結(jié)構(gòu) 3—直流電源 4—工控機(jī) 5—攝像機(jī) 6—斷路器

4 試驗(yàn)及結(jié)果分析

4.1 試驗(yàn)條件

以額定電流32A進(jìn)行電弧拍攝及數(shù)據(jù)采集，試驗(yàn)條件見表1。

表1 試驗(yàn)條件

4.2 電弧特性分析

圖6、圖7分別為直流微型斷路器的電弧電壓、電流波形及電弧轉(zhuǎn)移圖。

圖6 電弧電壓、電弧電流波形

圖7 電弧轉(zhuǎn)移圖

在電弧分?jǐn)噙^程中，根據(jù)電弧所處的不同位置可分為以下4個(gè)階段：起弧階段、穩(wěn)定燃燒階段、轉(zhuǎn)移階段、熄弧階段。起弧階段如圖7（a）所示，在4.863ms，電弧在動(dòng)靜觸頭間產(chǎn)生，起弧電壓為14.2V。穩(wěn)定燃弧階段如圖7（b）所示，在4.963ms，電壓緩慢上升，此時(shí)電弧在動(dòng)靜觸頭間穩(wěn)定燃燒，隨著動(dòng)靜觸頭的距離增大，電壓區(qū)間為14.2～40.3V。轉(zhuǎn)移階段如圖7（c）所示，在6ms，電弧開始向跑弧道轉(zhuǎn)移，隨著動(dòng)靜觸頭的開距迅速增大，電弧電壓急速上升，從40.3V上升到130V左右。熄弧階段如圖7（d）所示，在6.213ms，電壓值從130V左右下降到90V，此時(shí)電弧從動(dòng)靜觸頭間向跑弧道轉(zhuǎn)移，在滅弧室形成電弧通道，造成短暫重?fù)舸瑢?dǎo)致電弧電壓下降，隨后電弧被滅弧室的滅弧格柵隔斷，電弧熄滅，電壓迅速上升到電源電壓。

通過對(duì)電弧運(yùn)動(dòng)過程的分析得出，穩(wěn)定燃燒階段是電弧對(duì)觸頭燒蝕最為嚴(yán)重的階段，也是造成斷路器電壽命減少的主要原因。

4.3 電壽命試驗(yàn)分析

在電壽命試驗(yàn)中，對(duì)斷路器電流正反向分別進(jìn)行5 000次開斷合閘數(shù)據(jù)提取及處理后，分析得到特征量變化趨勢分別如圖8、圖9所示。

圖8 正向電流特征量變化趨勢

圖9 反向電流特征量變化趨勢

從圖8和圖9可以看出，超程、靜觸頭燒蝕量、動(dòng)觸頭燒蝕量隨著開斷次數(shù)的增加而減少，超程從1.91mm下降到1.32mm，靜觸頭厚度從0.52mm下降到0，動(dòng)觸頭厚度從4.62mm下降到4.3mm，與電流方向無關(guān)。接觸電阻在不同電流方向下產(chǎn)生不同的變化趨勢。通過分析得出靜觸頭燒蝕量最能反映斷路器的開斷次數(shù)。

通過對(duì)采集的電弧電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提取電弧在動(dòng)靜觸頭間的燃弧時(shí)間，并計(jì)算出燃弧能量積累量。電弧在動(dòng)靜觸頭間的燃弧時(shí)間分布如圖10所示。

圖10 燃弧時(shí)間分布

從圖10分析得出，燃弧時(shí)間具有分散性，正向燃弧時(shí)間在1ms左右，反向燃弧時(shí)間在1.3ms左右。根據(jù)每時(shí)刻的電弧電壓、電弧電流及燃弧時(shí)間，通過式（3）計(jì)算出每次開斷的燃弧能量積累量。

式中：t1為起弧時(shí)刻；t2為電弧轉(zhuǎn)移時(shí)刻；u(t)為t時(shí)刻的電弧電壓瞬時(shí)值；i(t)為t時(shí)刻的電弧電流瞬時(shí)值。燃弧能量積累量曲線如圖11所示。

從圖11可以看出，燃弧能量積累量隨著開斷次數(shù)的增加而增加，并近似成線性關(guān)系。

4.4 電壽命預(yù)測模型構(gòu)建

根據(jù)上述分析得到，靜觸頭燒蝕量與燃弧能量積累量最能表征斷路器開斷次數(shù)。將靜觸頭燒蝕量與燃弧能量積累量建立一定關(guān)系，進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行在線檢測處理即可得出斷路器壽命。靜觸頭燒蝕量與燃弧能量積累量的關(guān)系曲線如圖12所示。

圖12 靜觸頭燒蝕量與燃弧能量積累量關(guān)系曲線

通過建立靜觸頭燒蝕量與燃弧能量積累量的關(guān)系，得出靜觸頭燒蝕量與燃弧能量積累量基本成線性關(guān)系。利用線性擬合得到靜觸頭燒蝕量與燃弧能量積累量的線性模型。依據(jù)無極性直流微型斷路器靜觸頭燒蝕量與燃弧能量積累量的線性模型及相應(yīng)的閾值評(píng)估其電壽命，可以將難以在線監(jiān)測的觸頭燒蝕量轉(zhuǎn)換為較易在線監(jiān)測的燃弧能量積累量，并在8A、16A、63A等不同電流等級(jí)下驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性，有效實(shí)現(xiàn)了無極性直流微型斷路器電壽命在線評(píng)估。

5 結(jié)論

本文對(duì)無極性直流微型斷路器進(jìn)行了電弧特性試驗(yàn)和電壽命試驗(yàn)，通過試驗(yàn)結(jié)果分析得到以下結(jié)論：

1）穩(wěn)定燃燒階段是電弧對(duì)觸頭燒蝕最為嚴(yán)重的階段，也是造成斷路器電壽命減少的主要原因。

2）在開斷過程中，電弧在動(dòng)靜觸頭上的燃弧時(shí)間與開斷次數(shù)沒有必然聯(lián)系，具有分散性。

3）靜觸頭燒蝕量、燃弧能量積累量隨著斷路器開斷次數(shù)的增加成線性關(guān)系，表征明顯。

4）靜觸頭燒蝕量與燃弧能量積累量存在線性關(guān)系，建立的線性數(shù)學(xué)模型適用于預(yù)測不同電流等級(jí)下無極性直流微型斷路器的電壽命。

[1] LIU Xianglong, LIU Youbo, LIU Junyong, et al. Opti- mal planning of AC-DC hybrid transmission and distributed energy esource system: review and pro- spects[J]. Power and Energy Systems, 2019, 5(3): 409- 422.

[2] 王興利, 趙科達(dá), 胡浪濤, 等. 低壓直流斷路器時(shí)間常數(shù)探討[J]. 電氣技術(shù), 2018, 19(10): 88-91.

[3] 王興利, 高翔, 陳豐飛, 等. 低壓斷路器飛弧危害及其改進(jìn)措施[J]. 電氣技術(shù), 2018, 19(5): 105-108.

[4] KIM H. Arcing characteristics on low-voltage DC circuit breakers[C]//2013 15th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE), Lille, France, 2013: 1-7.

[5] 陳晉生, 遲長春, 劉佳. 微型直流斷路器中電弧電動(dòng)力仿真分析[J]. 上海電機(jī)學(xué)院學(xué)報(bào), 2020, 23(3): 144-148.

[6] HANASHIRO S, NIKADORI Y, KANEKO E. Investi- gation on small DC vacuum arc characteristic under transverse magnetic field[C]//2015 3rd International Conference on Electric Power Equipment-Switching Technology (ICEPE-ST), 2015: 138-141.

[7] GALVAN E, RODRIGUEZ J J. Study of the influence of permanent magnets in the interruption process of the electrical arc in MCB[C]//2017 IEEE Holm Con- ference on Electrical Contacts, 2017: 75-79.

[8] 涂煜, 康鋒, 馬子文. 直流斷路器吹弧磁場仿真及小電流開斷試驗(yàn)研究[J]. 電器與能效管理技術(shù), 2015(6): 6-9.

[9] 李靜, 杜志鵬, 曹云東, 等. 縱向磁場對(duì)真空電弧微觀特性影響的研究[J]. 高壓電器, 2019, 55(7): 63-69.

[10] KAWAKAMI Y, HASEGAWA M, WATANABE Y, et al. An investigation for the method of lifetime prediction of Ag-Ni contacts for electromagnetic contactor[C]// Proceedings of the Fifty-First IEEE Holm Conference on Electrical Contacts, 2005: 151-155.

[11] CUI Xinglei, ZHOU Xue, ZHAI Guofu, et al. Elec- trical lifespan prediction of HVDC relay based on the accumulated arc erosion mass[J]. IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, 2018, 8(3): 356-363.

[12] 鄭淑梅, 李奎, 劉政君, 等. 基于觸頭電弧侵蝕的交流接觸器電壽命分布特征研究[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2017, 37(22): 6730-6739, 6786.

[13] 翟國富, 王淑娟, 許峰, 等. 基于超程時(shí)間和吸合時(shí)間建模的繼電器雙變量壽命預(yù)測方法的研究[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2002, 22(7): 76-80.

[14] 李華, 孫東旺, 賀鵬舉, 等. 基于超程時(shí)間回歸模型的繼電器壽命預(yù)測方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2013, 28(2): 414-417, 423.

[15] 李奎, 李曉倍, 鄭淑梅, 等. 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的交流接觸器剩余電壽命預(yù)測[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2017, 32(15): 120-127.

[16] 李奎, 高志成, 武一, 等. 基于統(tǒng)計(jì)回歸和非線性Wiener過程的交流接觸器剩余壽命預(yù)測[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2019, 34(19): 4058-4070.

Study on electrical life evaluation of non-polarized direct current miniature circuit breakers

MOU Mingchuan1ZHANG Bo1ZHAO Hu2GUO Xiaoxue1ZHANG Lichang3

(1. School of Electronic and Information Engineering, Xi’an Polytechnic University, Xi’an 710600; 2. School of Automation, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710114；3. Engineering Training Centre, Xi’an Polytechnic University, Xi’an 710600)

Low-voltage circuit breakers are the main components of the control and protection of low-voltage AC and DC power distribution systems, and their electrical life is one of the performance indicators for measuring circuit breakers. Compared with low-voltage AC circuit breakers, DC circuit breakers have no current zero-crossing arc extinguishing feature, and its arc extinguishing and life evaluation are not easy. This paper studies the evaluation of the electrical life of the non-polarized DC miniature circuit breaker. The structure of the non-polarized DC miniature circuit breaker is explained. The arc characteristic analysis and electrical life test are carried out on the test platform, and the electrical life prediction model is established. The test results show that the stable combustion of the contacts by the arc is the main reason for the reduction of the electrical life of the circuit breaker. The proposed linear model of static contact ablation and arcing energy accumulation is effective in predicting its electrical life.

non-polarized; DC miniature circuit breaker; arc duration; arc energy

2021-09-10

2021-09-14

牟明川（1996—），男，四川省富順縣人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橹绷魑⑿蛿嗦菲麟妷勖u(píng)估。

西安市科技協(xié)會(huì)青年托舉計(jì)劃（095920201324）