小型低壓直流斷路器借助永磁體提高臨界負(fù)載電流開斷能力的研究

摘" 要：

針對(duì)小型低壓直流斷路器在開斷臨界負(fù)載電流時(shí)，由于電弧所受磁吹和氣吹作用較弱，電路開斷困難的問題，在靜觸頭組件拐角處增加1個(gè)永磁體。分析小型低壓直流斷路器的熄弧機(jī)理，并對(duì)增加永磁體前后的小型低壓直流斷路器進(jìn)行磁場(chǎng)仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，增加永磁體可以增強(qiáng)電弧所處位置磁場(chǎng)強(qiáng)度，增大電弧受到的洛倫茲力，有助于提高小型低壓直流斷路器開斷臨界負(fù)載電流的能力。

關(guān)鍵詞：

小型低壓直流斷路器; 永磁體; 磁場(chǎng)強(qiáng)度; 臨界負(fù)載電流; 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

中圖分類號(hào)： TM561

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 2095-8188（2024）10-0026-05

DOI：

10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.10.004

縱月菊（2000—），女，碩士研究生，研究方向?yàn)樾⌒椭绷鲾嗦菲鳌?/p>

李" 靖（1967—），男，教授，研究方向?yàn)楦叩蛪弘姎饣A(chǔ)理論與應(yīng)用技術(shù)、直流斷路器等。

江" 松（1972—），男，工程師，主要從事低壓斷路器的開發(fā)工作。

Study on Improving Critical Load Current Breaking Ability of Miniature Low Voltage DC Circuit Breaker with Permanent Magnet

ZONG Yueju1，" LI Jing1，" JIANG Song2，" GAN Yunjian2

（1.College of Electrical and Electronic Engineering， Wenzhou University， Wenzhou 325000， China;

2.Zhejiang Chuangqi Electric Co.，Ltd.， Wenzhou 325603， China）

Abstract：

When the small low voltage DC circuit breaker breaks the critical load current，it is difficult to break the circuit because of the weak effect of magnetic blowing and gas blowing on the arc.A permanent magnet is added at the corner of the static contact assembly.Through analyzing the quenching mechanism of miniature low voltage DC circuit breaker，the magnetic field simulation and test verification of miniature low voltage DC circuit breaker before and after adding permanent magnet are carried out.The results show that the addition of permanent magnets can enhance the magnetic field intensity at the position of the arc，increase the Lorentz force of the arc，and help the miniature low voltage DC circuit breaker to improve the ability of breaking the critical load current.

Key words：

miniature low voltage DC circuit breaker; permanent magnet; magnetic field strength; critical load current; test standard

0" 引" 言

我國(guó)新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)（簡(jiǎn)稱新基建）為直流電力系統(tǒng)的發(fā)展提供了機(jī)遇，而直流斷路器作為保護(hù)直流系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，也得到了廣泛應(yīng)用。在線路發(fā)生過載或短路故障時(shí)，直流系統(tǒng)中較低的阻抗使得線路電流快速上升，輕則增加線路損耗，重則損害電力設(shè)備、造成嚴(yán)重安全事故［1］。

直流電路開斷與交流電路開斷不同。交流電的電流波形為正弦波，1個(gè)周期有2個(gè)自然過零點(diǎn)，電流過零點(diǎn)時(shí)電弧能量弱，電弧容易熄滅。而直流電流沒有自然過零點(diǎn)，斷口間等離子體的消游離條件差，熄滅電弧較為困難［2］。在直流斷路器開斷直流電路的過程中存在臨界負(fù)載電流，即在使用條件范圍內(nèi)燃弧時(shí)間明顯延長(zhǎng)的分?jǐn)嚯娏鳎?］。因其值遠(yuǎn)小于直流斷路器的額定電流，產(chǎn)生的自勵(lì)磁場(chǎng)小，電弧會(huì)在觸頭區(qū)域停滯并持續(xù)燃燒，導(dǎo)致直流斷路器開斷失敗。因此，優(yōu)化直流斷路器的開斷性能對(duì)保護(hù)設(shè)備和線路的安全可靠運(yùn)行有著重要的作用。

1" 直流斷路器熄弧機(jī)理

直流斷路器在大氣中開斷電路時(shí)，如果被開斷的電流為0.25～1.00 A、電路開斷后加在觸頭上的電壓為12～20 V，則在觸頭間隙中通常會(huì)產(chǎn)生一團(tuán)溫度極高、發(fā)出強(qiáng)光且能夠?qū)щ姷慕茍A柱形的氣體，這就是電?。?］。

直流斷路器開斷電路時(shí)的等效電路如圖1所示。其中包括直流電壓源E、回路電阻R、直流斷路器QF和回路電感L。正常工作情況下，回路中將有電流I流過。

在直流斷路器觸頭從閉合到打開的過程中，隨著觸頭分開距離的增大，電弧開始燃燒。此時(shí)電路中電弧兩端的電壓為

Uh=E-LdIhdt-IhR（1）

式中：" Uh——電弧電壓，即直流斷路器兩端的電壓;

Ih——電弧電流。

為求解各部分能量的變化，將式（1）兩邊同時(shí)乘以Ihdt再進(jìn)行積分，可得：

∫th0UhIhdt=∫th0EIhdt-∫th0RIhdt+LI2h02（2）

式中：" Ih0——開始產(chǎn)生電弧時(shí)的電流;

th——燃弧時(shí)間，指從電弧在直流斷路器觸頭間產(chǎn)生到完全熄滅的時(shí)間。

由式（2）可知，電感作為儲(chǔ)能元件，其容量值越大，儲(chǔ)存的能量越多，電弧熄滅就越困難。當(dāng)感性回路被切斷時(shí)，在動(dòng)、靜觸頭間隙將起弧，電感中儲(chǔ)存的能量大部分以光能和熱能的形式釋放到弧隙中。當(dāng)負(fù)載為純阻性時(shí)，電弧比較容易熄滅［5］。

當(dāng)回路電流Ih很小時(shí)，斷路器QF觸頭打開產(chǎn)生的電弧能量也很小，直流斷路器內(nèi)部電磁場(chǎng)產(chǎn)生的電動(dòng)力已不能驅(qū)動(dòng)電弧運(yùn)動(dòng)，電弧在觸頭區(qū)域持續(xù)燃燒。當(dāng)觸頭完全打開時(shí)，電弧拉到最長(zhǎng)，此時(shí)電弧電壓維持在較低的水平，電源持續(xù)供給能量，電弧在觸頭間持續(xù)燃燒，具有安全隱患。

針對(duì)塑殼式直流斷路器，滿家健等［6］通過增加磁吹系統(tǒng)、增大觸頭區(qū)域和跑弧區(qū)域的磁場(chǎng)，為電弧提供更大的磁吹力。涂煜等［7］設(shè)計(jì)不同的磁吹裝置結(jié)構(gòu)，使電弧弧根在引弧角處快速移動(dòng)，有助于電弧熄滅。徐凱等［8］綜合考慮磁吹裝置的結(jié)構(gòu)、直流斷路器開斷正反雙向小電流時(shí)鐵心中存在的剩磁，對(duì)直流斷路器磁吹裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了斷路器的開斷能力。上述文獻(xiàn)有1個(gè)共同點(diǎn)：通過外加磁吹裝置，增大直流斷路器的內(nèi)部磁場(chǎng)，從而使電弧熄滅。包玉良等［9］通過對(duì)直流空氣斷路器觸頭邊緣弧根停滯的根本原因進(jìn)行仿真分析，得出隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增大，洛倫茲力增大，電弧運(yùn)動(dòng)速度加快，觸頭邊緣弧根停滯時(shí)間變短。

2" 仿真分析

為解決臨界負(fù)載電流電路不易開斷的問題，本文在小型低壓直流斷路器靜觸頭組件拐角處增加1個(gè)永磁體，以增強(qiáng)臨界負(fù)載電流所處的磁場(chǎng)，避免發(fā)生持續(xù)燃弧的情況。

直流電弧所受洛倫茲力F可用式（3）計(jì)算，安培力FA是洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)，可用式（4）計(jì)算得到。

F=Bqvsinθ（3）

FA=BILh（4）

式中：" B——電弧所處磁場(chǎng);

q——帶電粒子的電荷量;

v——入射的帶電粒子速度;

θ——q與v的夾角;

I——電弧電流;

Lh——電弧長(zhǎng)度。

從洛倫茲力的角度分析電弧的受力情況可知，保持B、v、θ不變時(shí)，I越小，則q越小、洛倫茲力越小，不利于推動(dòng)直流電弧往滅弧室運(yùn)動(dòng)。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，虛擬樣機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)使人們可以在進(jìn)行樣機(jī)試驗(yàn)之前通過仿真軟件進(jìn)行仿真分析。運(yùn)用麥克斯韋方程組對(duì)電弧所處磁場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算，具體方程為

SymbolQC@ × B = -μJ （5）

SymbolQC@ × E = -B t（6）

SymbolQC@ B" = 0（7）

式中：" B ——磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量;

μ——介質(zhì)的磁導(dǎo)率;

J ——電流密度矢量;

E ——電場(chǎng)強(qiáng)度矢量。

本文建立的小型低壓直流斷路器仿真模型包括電磁系統(tǒng)、動(dòng)觸頭、靜觸頭、引弧板以及滅弧柵片等。不同結(jié)構(gòu)形式下的磁場(chǎng)仿真如圖2所示。永磁體的體積越大，產(chǎn)生的磁場(chǎng)越強(qiáng)。由于靜觸頭拐角處的空間有限，最終設(shè)定永磁體的仿真外形為半徑2 mm、高5 mm的半圓柱與長(zhǎng)4 mm、寬3 mm、高5 mm的長(zhǎng)方形的組合。仿真過程中，曾將永磁體放置在跑弧道處，但放置在該位置對(duì)觸頭區(qū)域磁場(chǎng)的增強(qiáng)效果不如放置在靜觸頭拐角處的效果好。施加的激勵(lì)為直流電流，為保證電流路徑的連通，繪制了1根銅導(dǎo)線方便電流流過。

仿真過程中，對(duì)永磁體賦予鋁鎳鈷材料，利用左手定則判斷充磁方向，當(dāng)充磁方向沿Z軸正向，產(chǎn)生的洛倫茲力的方向?yàn)橥鶞缁∈曳较?，故?duì)永磁體沿Z軸正向充磁。施加63 A的電流、添加邊界條件、劃分網(wǎng)格、設(shè)置求解要求，并對(duì)銅導(dǎo)線施加洛倫茲力。仿真完成后，對(duì)有無永磁體的斷路器內(nèi)部區(qū)域的磁場(chǎng)進(jìn)行了比較。磁感應(yīng)強(qiáng)度B在XZ平面的分布云圖如圖3所示。

仿真中，將2種斷路器磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大值與最小值設(shè)置一樣。比較可知，增加永磁體后，磁感應(yīng)區(qū)域變大，磁場(chǎng)也增強(qiáng)。比較洛倫茲力的大小，前者為0.96 mN，后者為8.16 mN，是前者的近9倍。

3" 加裝永磁體的臨界負(fù)載電流開斷試驗(yàn)

3.1" 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

遵循GB/T 14048.2—2008《低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第2部分：斷路器》中，并未具體規(guī)定直流斷路器的臨界負(fù)載電流的考核方法。劉清霞等［10］為尋找臨界負(fù)載電流，自制了方案及考核方法：試驗(yàn)電流為5%～200%額定電流（試驗(yàn)電流間隔為5%），每個(gè)電流進(jìn)行10次CO操作，測(cè)試其燃弧時(shí)間，以最長(zhǎng)的燃弧時(shí)間下的電流為臨界負(fù)載電流;在相應(yīng)電流下，進(jìn)行100次的CO操作。CO操作表示1次閉合操作以及緊接著1次自動(dòng)斷開［11］，這種方法能準(zhǔn)確找到臨界負(fù)載電流，但試驗(yàn)次數(shù)多，存在耗費(fèi)人力物力的問題。

目前，檢測(cè)小型低壓直流斷路器能否成功開斷臨界電流主要遵循3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，即GB/T 14048.2—2020《低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第2部分：斷路器》、GB/T 10963.2—2020《電氣附件 家用及類似場(chǎng)所用過電流保護(hù)斷路器 第2部分：用于交流和直流的斷路器》和GB/T 10963.3—2016《家用及類似場(chǎng)所用過電流保護(hù)斷路器 第3部分：用于直流的斷路器》。GB/T 14048.2—2020中的臨界直流負(fù)載電流試驗(yàn)，試驗(yàn)電流為4 A、8 A、16 A、32 A和63 A，正反CO操作各5次［11］。GB/T 10963.2—2020和GB/T 10963.3—2016中的試驗(yàn)為在150 A及以下的小直流電流試驗(yàn)，試驗(yàn)電流為1 A、2 A、4 A、8 A、16 A、32 A、63 A和150 A，需進(jìn)行3次CO操作;不同試驗(yàn)電流之間的時(shí)間間隔至少應(yīng)為2 min，觀察其能否成功開斷電流［12-13］。無論哪個(gè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)，其目的都是識(shí)別臨界負(fù)載電流電弧，防止其產(chǎn)生更大的危害。

3.2" 試驗(yàn)分析

本文以GB/T 14048.2—2020為例，小型低壓直流斷路器加裝永磁體前后開斷臨界負(fù)載電流能力試驗(yàn)電路如圖4所示。圖4中，S為電源，Ur1、Ur2為電壓傳感器，V為電壓測(cè)量器，Z為負(fù)載電路，D為被測(cè)直流斷路器，B為整定用臨時(shí)連接線，I1為電流傳感器，T為接地點(diǎn)，回路有且僅有1點(diǎn)接地。

電路由電源、負(fù)載電路、被試電器和保護(hù)電路組成，試驗(yàn)在自由空氣中進(jìn)行。試驗(yàn)選取1P、63 A、220 V未加裝和加裝永磁體的小型低壓直流斷路器各3只，在GB/T 14048.2—2020的要求下進(jìn)行。時(shí)間常數(shù)為4 ms，試驗(yàn)中電壓允差為±5%，時(shí)間常數(shù)允差為±10%。

試驗(yàn)中，分別測(cè)量小型低壓直流斷路器進(jìn)出線端的電壓、回路電流波形。被試電器在閉合或打開狀態(tài)但產(chǎn)生的電弧已熄滅時(shí)，測(cè)量的電壓為電源電壓，測(cè)量的電流為回路電流;被試電器在打開狀態(tài)但產(chǎn)生的電弧未熄滅時(shí)，測(cè)量的電壓為電弧電壓，測(cè)量的電流為電弧電流。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，未加裝永磁體的小型低壓直流斷路器在16 A試驗(yàn)電流下出現(xiàn)了持續(xù)燃弧現(xiàn)象，該斷路器無法依靠自身介質(zhì)熄滅電弧，最終通過關(guān)閉電源熄滅電弧。

對(duì)加裝永磁體的小型低壓直流斷路器進(jìn)行臨界負(fù)載電流實(shí)驗(yàn)，小型直流斷路器加裝永磁體后8 A第2次CO測(cè)試和63 A第5次CO測(cè)試波形分別如圖5、圖6所示。通過分析試驗(yàn)得到的波形，發(fā)現(xiàn)最長(zhǎng)燃弧時(shí)間出現(xiàn)在試驗(yàn)電流為8 A、第2次CO操作時(shí)，為37.61 ms;最短燃弧時(shí)間出現(xiàn)在試驗(yàn)電流為63 A、第5次CO操作時(shí)，為11.81 ms。在試驗(yàn)過程中未出現(xiàn)持續(xù)燃弧現(xiàn)象，增加永磁體的小型低壓直流斷路器均能開斷測(cè)試電流。燃弧時(shí)間表如表1所示。

4" 結(jié)" 語

本文先從理論方面分析了小型低壓直流斷路器在開斷臨界負(fù)載電流時(shí)電弧難以熄滅的原因，然后在小型低壓直流斷路器靜觸頭組件拐角處增加1個(gè)永磁體，通過磁場(chǎng)仿真和試驗(yàn)相結(jié)合的方法，驗(yàn)證了增加永磁體可以避免小型低壓直流斷路器開斷臨界負(fù)載電流時(shí)發(fā)生持續(xù)燃弧的情況。

總結(jié)前期所做試驗(yàn)結(jié)果可得，小型低壓直流斷路器的臨界負(fù)載電流一般在6～16 A，希望在將來的直流斷路器標(biāo)準(zhǔn)中，增加臨界負(fù)載電流的試驗(yàn)電流的數(shù)量，找到更加準(zhǔn)確的臨界負(fù)載電流值。直流斷路器內(nèi)部的損傷隨著試驗(yàn)次數(shù)的增加而增加，試驗(yàn)電流數(shù)量的增加，對(duì)其質(zhì)量提出了更高的要求。

【參 考 文 獻(xiàn)】

［1］" 成達(dá)，張蓬鶴，熊素琴，等.新型低壓小型直流斷路器研究綜述［J］.電器與能效管理技術(shù)，2022（11）：1-8.

［2］" 王文強(qiáng)，高原彬，康志林.低壓斷路器臨界直流負(fù)載電流試驗(yàn)探討［J］.機(jī)械研究與應(yīng)用，2021，34（4）：115-117.

［3］" 國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第1部分：總則：GB/T 14048.1—2023［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2023.

［4］" 郭鳳儀，李靖.電器學(xué)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

［5］" 孔祥斌，矯財(cái)東，趙亮，等.直流斷路器在不同時(shí)間常數(shù)下臨界負(fù)載電流的測(cè)試及分析［J］.電器與能效管理技術(shù)，2018（22）：77-81.

［6］" 滿家健，孫昊，寧嘉琦，等.直流空氣斷路器小電流開斷試驗(yàn)研究［J］.電器與能效管理技術(shù)，2015（8）：8-11.

［7］" 涂煜，康鋒，馬子文.直流斷路器吹弧磁場(chǎng)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.

［8］" 徐凱，李治軍，祝聰，等.小電流分?jǐn)啻祷〈艌?chǎng)仿真及試驗(yàn)研究［J］.船電技術(shù)，2022，42（8）：27-30.

［9］" 包玉良，李靜，段薇，等.直流開斷中觸頭邊緣弧根停滯現(xiàn)象及影響因素研究［J］.電器與能效管理技術(shù)，2024（4）：30-37.

［10］" 劉清霞，王國(guó)忠，吳衛(wèi)東.直流斷路器臨界負(fù)載電流測(cè)試分析［J］.電器與能效管理技術(shù)，2016（22）：55-56，60.

［11］" 國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第2部分：斷路器：GB/T 14048.2—2020［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2020.

［12］" 國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).電氣附件 家用及類似場(chǎng)所用過電流保護(hù)斷路器 第2部分：用于交流和直流的斷路器：GB/T 10963.2—2020［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2020.

［13］" 國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).家用及類似場(chǎng)所用過電流保護(hù)斷路器 第3部分：用于直流的斷路器：GB/T 10963.3—2016［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2016.

收稿日期： 20240805