讨论和分析近期低压电器的若干新技术

摘要：分析和讨论了近期低压电器的若干新技术，如断路器单断点与双断点分断技术及其系列结构方案比较、永磁接触器与智能操作结合更加节能、根据电弧测试与气吹机理设计新型灭弧室、虚拟样机的应用提高了断路器分断能力。这些新技术有助于低压电器的技术创新。

关键词：分断技术；电弧测试；虚拟样机

0 引言

电力事业发展对低压开关电器质和量的要求越来越高，这就促进低压电器向高性能和小型化发展，而技术创新和新技术的应用是支撑这种发展的重要基础。气吹和双断点技术的应用，促进了新一代低压断路器开发；永磁接触器及其智能控制大幅度提高了接触器的性能，实现了节能；新的电弧测试技术有助于改进灭弧室的设计；虚拟样机技术建立了低压电器崭新的研发平台。

1 单断点与双断点分断技术的比较与两种低压断路器系列结构分析

自20世纪90年代中期双断点和气吹技术得到应用和推广后，继施耐德公司NS系列之后，国际上大公司如ABB、GE、LG、金钟-默勒等在新世纪都分别推出了自已的双断点分断新系列塑料外壳式断路器（MouldedCaseCircuitBreaker,MCCB）,其中有ABB的 Tmax,GE的RecordPlus，金钟-默勒的MZN，这些旋转双断点结构都采取每极有单独灭弧小室的结构，以保证灭弧室后端的封闭，并在触头区放置产气材料，以实现气吹。图1为几个公司630A规格新系列产品与传统单断点产品的分断性能对比。

图中，单断点的MCCB₁和MCCB₂是目前国内市场上出售的性能较好的两种产品，由图1可明显看出：双断点的分断性能远高于单断点，它能做到I_cu ＝I_cs ,特别是690V时，单断点分断性能更低。

双断点结构虽有尺寸小、性能高的优点，但结构复杂、工艺要求高，在性能上也有不足之处：首先，由于要保证两个触点处可靠接触，其触头反力较大，加上力臂短，故在分断低预期短路电流时，触头斥开后易产生回落现象。图2为取市场上Eaton公司额定电流相同的双断点与单断点产品各一台，在低预期电流条件下以振荡回路供电进行短路分断试验。由分断波形看出，单断点能正常分断，而双断点则产生动触头跌落现象，导致燃弧时问加长，更甚者使动静触头重新闭合而熔焊，该现象说明双断点结构在低预期短路电流分断时，分断性能反而低于单断点。另一个问题是，两个断口间接触情况和分断过程是否能保持一致。西安交通大学对一无专门灭弧小室的双断点MCCB进行了测试，用二维光纤阵列快速摄像系统测得两个断口电弧运动图像（见图3），由图可明显看出两个断口处电弧进入栅片过程的不一致。

为减弱动触头跌落现象和两个断口接触的不平衡，旋转双断点断路器需设计专门的触头斥开后的卡住机构,并且转轴和动导电杆之间不采用刚性连接，这两方面各公司都有自己的专利。

为适应用户对分断性能要求的差异，各公司MCCB系列产品中都分成经济型、标准型、高分断型和超限流型等类别。对一个系列中各种类型结构的选择，目前有两种方案：施耐德、ABB、GE、LG、金钟-默勒等公司都采用双断点一统到底的方案，当旋转双断点结构用于经济型和标准型时，采用简化结构，降低原材料要求来降低成本；而以三菱、富士和寺崎为代表的日本公司则以单断点为主体结构方案，以三菱WS新系列MCCB为例，250A以上结构（见图4）采用背后区域封闭结构，提高了单断点结构分断性能；250A结构（见图5）采用每相有单独灭弧小室，加上在灭弧室内放置产气材料来加强气吹，这种结构被称为产气材料侵蚀自动气吹技术。该系列中超级限流型则采用在传统单断点断路器上附加限流头，实现分断时多断点分断，达到I_cu＝I_cs＝200kA。表1为两种方案的比较。

2 永磁接触器与智能接触器

由于节能要求，国内外对永磁操作的接触器都给于了相当的重视。目前，国内的很多方案在电磁铁吸合位置依靠永磁来保持，当电源断电时存在失压保护问题。由施耐德公司提出，在国际上近期流行一种三气隙永磁接触器（见图6），它依靠反力弹簧释放，因而没有失压保护问题。图6（b）为其工作原理，其中，气隙1和2是主工作气隙，用于产生吸力，气隙3用于主生释放位置保持力，即反力。由于永磁起释放保持力作用，可使反力弹簧力减小，加上吸合时永磁也参与吸引，因而可节能；其次，这种电磁结构使铁心中永磁和线圈产生的磁通相互抵消，铁心中磁通密度降低，可减小铁心尺寸。

对一线圈电压为24V的三气隙永磁接触器进行动态仿真，图7、8分别为线圈加上额定电压与临界吸上电压14V时的电流和行程曲线。由图可见，在临界吸上电压时，与传统直流操作的接触器相似，铁心的触头会产生强烈振动，因而永磁接触器更适合与智能操作结合起来组成智能永磁接触器。图9为带电流反馈智能永磁接触器框图，交流输入经整流生，采用PWM方式，通过电力电子开关MOSFET给线圈供电，中央控制模块接收线圈电流的反馈信号，实现对 MOSFET的控制，不同的线圈电流对应不同的调制占空比，从而在电磁铁吸合中保持线圈中通过的电流不变，这就不会产生一般直流电磁铁在临界吸合电压下衔铁抖动现象。由仿真获得的动态过程电流的行程变化曲线如图10所示。 智能永磁接触器还可通过吸合后改变占空比进一步实现节能，在吸合过程中，保持线圈电流I_x 不变，并使其对应的吸力特性公稍高于反力特性，以降低动铁心的动能；当动铁心吸合后，线圈电流低，并保持在Ib以节能（见图11）。因而，智能永磁接触器由于能实现动铁心的软着陆，大幅度提高了接触器的寿命，并能进一步节能。

3 电弧测量新技术与气吹机理

由于电弧磁流体动力学模型尚不完善，依靠仿真来实现灭弧的优化设计还为时过早，因而新的灭弧室开发主要依靠电弧的现代测试技术，其中最主要是灭弧室内电弧运动的监察，现有的方法是利用快速摄像机和二维光纤摄像系统。最近，法国Montluconand Christian Arnoux电气技术实验室与施耐德公司合作研究一种基于磁场逆问题的磁摄像技术，其原理是把霍尔传感器布置在灭弧室两侧，当电弧在灭弧室内运动时，通过测得的磁场，利用逆问题算出空间的电流密度分布，然后确定电弧在每一瞬间的位置。测量中把电弧看作多条垂堆6面体单元体积的并行堆积，并假定电流在单元体内均匀分布，根据磁传感器测得磁场 BA，可用下式计算出每个单元的电流密度i,从而确定电弧位置。

式中：N为传感器个数；g为矩阵中系数。

该实验室用这种方法测量一模型灭弧室中电弧从动触头转移到跑弧道的过程，短路预期电流为12kA,测试针对3种不同的触头材料进行，其中，材料a为Cu,材料为AgWC,材c为AgC。图12（a）为测试装置，平行跑弧道长80mm，宽4mm，电极间隙20mm，霍尔传感器放置于模型两侧，每边20个传感器，两个传感器间距为1mm；图12显示了3种材料在电弧转移前瞬间t₁、开始转移瞬间t₂ 、转移后瞬间t₃ 的电弧图像，触头材料Cu转移得最快。

作为一种新方法，其优点是不破坏灭弧室外壳，但易受灭弧室内导磁体的影响，当灭弧室内有磁屏蔽时则不能用。3种电弧摄像系统对比如表2所示。

气吹技术目前已广泛应用于低压断路器的灭弧，但多位学者通过测量都发现，灭弧室内电弧下方压力低于前方压力，这种压力分布，按电弧将向下方运动而不是向前运动。近年来，西安交通大学和德国布朗斯瓦许大学通过气体动力学和磁流体动力分析和仿真，出了一个观点，得即气吹作用是由于电弧生成的激波反射造成的。西安交通大学采用流体动力学中守恒方程与链式电弧模型相结合的数学模型，仿真了一简单模型灭弧室内压力传播和分布过程（见13），灭弧室长 0.27m,截面积2.0�10^-3 m² ,左端封闭，在右端x＝b＝0.27m处有大小为2.0�10^-4 m² 的出气口。电弧初始位置为x＝a＝0.12m。灭弧室受恒定磁场B＝0.001T作用，方向指向纸外。取分断电流为20kA，仿真结果如图14所示。燃弧后 t＝0.75ms,可见生成的左行和右行激波；当t=0.75ms，左行激波己接近灭弧室底部；当t=0.80ms,左行激波通过底部产生压力波反射，而右行激波到达右瑞，由于右端有出气口，反射出压力波和膨胀波，膨胀波使灭弧室右端处压力降低；当t＝1.20ms,两端反射波在灭弧室中部形成高压区，这一与出气口处压力梯度是造成气吹的来源，这说明气吹作用是由于电弧生成的激波反射造成的。

图15为德国布朗斯瓦许大学利用电弧磁流体动力学模型在一个简单灭弧室进行电弧运动仿真获得的电弧运动图像、激波反射和压力分布。当 t=10μs,电弧点燃，点燃后产生激波向上下端移动，到达底部；t=15μs时产生压力波反射；在t=25μs时推动电弧，该过程反复使电弧向前运动，向上运动的激波在t=35μs达到栅片下端；而在t=45底部第1个反射波达到该处，激波速度达400～600m/s。第1个向上激波在t=78μs到达顶端后产生膨胀波（90μs，100μs）,向下反射，使内部压力下降（140μs,200μs）。在时间段300μs内电弧向上运动，在380μs时负气压充满了灭弧室，造成了电弧反向运动，当380μs时压力分布又反了过来，使电弧继续向前运动，550μs时电弧抵达栅片下端，然后沿着栅片拉长和弯曲，并受到栅片的冷却，在激波作用下，在分断过程中灭弧室压力分布不断变化，并影响电弧的运动。根据上述的气吹形成机理可解释新型灭弧室设计为什么要封闭后端，因为这有利于压力波在底部反射。 4 虚拟样机技术的应用与推广

虚拟样机技术改变了传统以经验和模仿为主的设计开发模式，是一种开关电器新的研发平台，它不但可用于研制有自主知识产权的新产品，还可用于改进老产品，例如某低压电器生产厂依靠厂校合作，通过仿真把800A MCCB静导电回路由原平板进线静导杆改成平行U形进线扁平静导杆（见图16），这种改进保持了原触头开距不变，强了吹弧磁场，增改进的效果显著，使分断能力由65kA增大至85kA（见图17）。新能源的开发，力发电的推广应用，风加上低压电器的小型化和高性能，使额定电压为690V的开关电器受到重视，该电压等级的低压电器工作的电压峰值可高至1073V。另一方面，电器小型化涉及电器的发热问题，而发热又直接影响到电器的绝缘，因而新型电器的设计必须同时考虑绝缘和发热的问题。长期以来只有高压电器才需要进行电场仿真和优化设计，但在新的形势下，低压电器的绝缘计算也变得重要起来。最近Rock-well公司的FREI等人用一种把三维场简化为二维场的简化计算方法，进行了MCCB 电场仿真与优化设计。图18为MCCB塑料底座上电极（双金属片和静触头导体等）的布置，图19为原设计仿真计算所得二维电场分布，图20为优化设计后的二维电场分布，比两者可看出，对原设计最高点的电场达2.43kV/mm,而优化设计后最高点的电场已降至1.24kV/mm其他各处电场也有明显降低。

参考文献

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