低壓直流斷路器引弧板材料對(duì)電弧電動(dòng)力的影響

劉 佳， 遲長(zhǎng)春

(上海電機(jī)學(xué)院 電氣學(xué)院, 上海 201306)

低壓斷路器是斷開(kāi)故障線路、保護(hù)電氣設(shè)備的關(guān)鍵元件。斷路器的電壽命，通俗來(lái)講就是斷路器的使用壽命，指通過(guò)額定電流時(shí)，斷路器的可靠通斷次數(shù)。由于開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，在動(dòng)靜觸頭上會(huì)產(chǎn)生電弧，而電弧會(huì)造成觸頭材料磨損，進(jìn)而使斷路器電壽命降低。目前，斷路器數(shù)量眾多，可靠通斷對(duì)電力設(shè)備能否正常運(yùn)行起到?jīng)Q定作用。從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，也希望延長(zhǎng)電壽命，使其物盡其用[1]。

當(dāng)額定電流通過(guò)低壓斷路器時(shí)，手動(dòng)斷開(kāi)開(kāi)關(guān)，在動(dòng)靜觸頭分離瞬間會(huì)產(chǎn)生電弧。在磁場(chǎng)作用下電弧受電動(dòng)力牽引，最終進(jìn)入滅弧室，電弧熄滅。對(duì)于直流低壓斷路器來(lái)說(shuō)，不像交流系統(tǒng)有過(guò)零點(diǎn)，可以利用過(guò)零點(diǎn)滅弧，而直流系統(tǒng)并無(wú)過(guò)零點(diǎn)，必須采用一定的技術(shù)手段進(jìn)行人工過(guò)零[2-7]。熄滅直流電弧的措施一般是提高電弧的伏安特性，采用外加磁場(chǎng)磁吹滅弧是諸多方法之一[8]。當(dāng)?shù)蛪褐绷鲾嗦菲黝~定電流較小時(shí)，電弧自身產(chǎn)生的磁場(chǎng)小，受到的電動(dòng)力也小，無(wú)法將電弧拉入滅弧室來(lái)提高電弧電壓，采用外加永磁體的方式可以將電弧電動(dòng)力大大提高，進(jìn)而快速滅弧。由于電動(dòng)力受磁場(chǎng)控制，故永磁體的擺放位置以及磁性強(qiáng)弱直接影響了滅弧效果。

本文根據(jù)電弧所受的電動(dòng)力方向，確定了斷路器觸頭斷開(kāi)之后電弧在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的4個(gè)典型位置，進(jìn)而簡(jiǎn)化了電弧運(yùn)動(dòng)過(guò)程，建立了電弧運(yùn)動(dòng)模型，并用數(shù)字仿真軟件對(duì)電弧電動(dòng)力進(jìn)行了仿真計(jì)算。利用Ansys軟件計(jì)算出了引弧板材料為鐵和銅下的電弧電動(dòng)力，同時(shí)仿真出了引弧板材料為鐵和銅的磁場(chǎng)分布，并利用磁理論對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。

1 仿真計(jì)算模型

某型斷路器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 某型直流斷路器結(jié)構(gòu)示意圖

本文采用Maxwell計(jì)算洛侖茲力。由于渦流對(duì)電動(dòng)斥力的影響很小[9]，因此，采用靜磁場(chǎng)來(lái)計(jì)算電流密度和磁通分布。根據(jù)導(dǎo)電回路進(jìn)行三維電流密度分布仿真，對(duì)整個(gè)模型區(qū)域進(jìn)行剖分，計(jì)算其產(chǎn)生的三維磁場(chǎng)；計(jì)算出作用在每一個(gè)單元上的電動(dòng)斥力Fi，即

Fi=JiBi

(1)

式中：Ji為每個(gè)單元的電流密度；Bi為單元磁感應(yīng)強(qiáng)度。

2 電弧電動(dòng)力仿真計(jì)算

仿真電弧可簡(jiǎn)化為圓形柱體，因?yàn)殡娀∮袑?dǎo)電性能，故設(shè)定材料為銅[10]。以電弧在磁場(chǎng)中會(huì)受到洛倫茲力的作用，再以力方向?yàn)橐劳校梢詫⒎彪s的電弧運(yùn)動(dòng)過(guò)程簡(jiǎn)化為4個(gè)典型位置(見(jiàn)圖2)。這4個(gè)位置可以劃分為3個(gè)部分：① 動(dòng)靜觸頭斷開(kāi)之后，電弧在觸頭之間形成通道；② 電弧開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，但并未到達(dá)滅弧室；③ 電弧完全進(jìn)入滅弧室。主回路流通的為額定電流，電弧所處的磁場(chǎng)中磁感線始終由內(nèi)向外，由左手定則可知電動(dòng)力的方向。

圖2 4個(gè)典型位置電弧平面圖

2.1 永磁體在引弧板下方時(shí)仿真電動(dòng)力

2.1.1 引弧板材料為鐵 圖3是永磁體在引弧板下方時(shí)，引弧板材料為鐵，仿真建模中將引弧板材料選為steel1010。圖3中數(shù)據(jù)表示不同磁性永磁體的電弧電動(dòng)力仿真數(shù)據(jù)。模型中的永磁體剩磁和矯頑力數(shù)值不盡相同。第1種永磁體的剩磁和矯頑力最大，剩磁1.22 T，矯頑力899 kA/m；第2種永磁體次之，剩磁0.77 T，矯頑力590 kA/m；第3種永磁體最小，剩磁0.7 T，矯頑力140 kA/m。觀察圖3中數(shù)據(jù)可大致得如下結(jié)論。

圖3 3種永磁體的電弧電動(dòng)力對(duì)比折線圖

在引弧板下添加永磁體之后，所有的電弧電動(dòng)力大大增強(qiáng)；對(duì)于無(wú)永磁體時(shí)的第4種電弧與其他三者數(shù)據(jù)相比要小。

無(wú)論永磁體磁性如何增強(qiáng)，圖3中的第4種電弧的電動(dòng)力大小均無(wú)變化，可知永磁體的磁性強(qiáng)弱對(duì)第4種電弧影響不大。

由于矯頑力越大，磁場(chǎng)強(qiáng)度越大，故電弧所受的電動(dòng)力越大。對(duì)比圖3中折線可得，第1種永磁體下的第1、第2和第3種電弧的電動(dòng)力均大于第2、3種永磁體下的電弧電動(dòng)力。

在引弧板材料為鐵的情況下，永磁體磁性增強(qiáng)使前3種電弧的電動(dòng)力均逐步上升，并成遞增趨勢(shì)。縱向來(lái)看a點(diǎn)由1.7 mN升至3.01 mN，b點(diǎn)由2.85 mN升至6.44 mN，c點(diǎn)由3.28 mN升至8.81 mN，d點(diǎn)始終在13.6 mN左右，即提高了滅弧過(guò)程中各個(gè)位置的電弧電動(dòng)力，從折線圖形橫向觀察可以看出，大致呈現(xiàn)一次函數(shù)的數(shù)值特性。

2.1.2 引弧板材料為銅 如圖4所示，永磁體在引弧板下方時(shí)，引弧板材料為銅，仿真建模中將引弧板材料選為copper。圖4中數(shù)據(jù)表示不同磁性永磁體的電弧電動(dòng)力仿真數(shù)據(jù)。模型中的永磁體剩磁和矯頑力數(shù)值同樣不盡相同，仍與上述引弧板為鐵時(shí)的情況完全一致，設(shè)置為第1種永磁體的剩磁和矯頑力最大，剩磁1.22 T，矯頑力899 kA/m；第2種永磁體次之，剩磁0.77 T，矯頑力590 kA/m；第3種永磁體最小，剩磁0.7 T，矯頑力140 kA/m。

圖4 3種永磁體的電弧電動(dòng)力對(duì)比折線圖

觀察圖4中數(shù)據(jù)可大致得如下結(jié)論：

在引弧板的材料改變?yōu)殂~后，永磁體磁性增強(qiáng)，圖4中的第4種電弧的電動(dòng)力大小均無(wú)變化，可知不僅永磁體的磁性強(qiáng)弱對(duì)第4種電弧影響不大，引弧板的材料對(duì)其也無(wú)影響。在引弧板下添加永磁體之后，所有的電弧電動(dòng)力大大增強(qiáng)；由于無(wú)永磁體時(shí)的第4種電弧與其他三者數(shù)據(jù)相比很小，可知有無(wú)永磁體對(duì)第4種電弧有一定影響。

由于矯頑力越大，磁場(chǎng)強(qiáng)度越大，故電弧所受的電動(dòng)力越大。對(duì)比圖4中折線可得，第1種永磁體下的第1、第2和第3種電弧的電動(dòng)力均大于第2、3種永磁體下的電弧電動(dòng)力。

在引弧板材料為銅的情況下，永磁體磁性增強(qiáng)使前3種電弧的電動(dòng)力均逐步上升，并成遞增趨勢(shì)。縱向來(lái)看a點(diǎn)由2.83 mN升至5.90 mN，b點(diǎn)由10.89 mN升至26.31 mN，c點(diǎn)由12.10 mN升至27.43 mN，d點(diǎn)始終在13.60 mN左右，即提高了滅弧過(guò)程中各個(gè)位置的電弧電動(dòng)力，從折線圖型橫向觀察可以看出，b點(diǎn)到c點(diǎn)的上升率相比于a點(diǎn)到b點(diǎn)上升率減弱了。

2.2 分析模型的磁場(chǎng)分布

斷路器中的磁場(chǎng)包括兩部分：① 由磁鐵產(chǎn)生的外加磁場(chǎng)(見(jiàn)圖5)。② 電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)(見(jiàn)圖6)。圖5是在引弧板下加了永磁體之后的磁場(chǎng)分布圖，加上外界磁場(chǎng)激勵(lì)，電弧周圍的磁場(chǎng)由有到無(wú)，由弱到強(qiáng)，有了滅弧作用。通過(guò)在電弧周圍讀取電磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，可知當(dāng)引弧板材料為銅時(shí)，電弧周圍的磁場(chǎng)比引弧板為鐵時(shí)的磁場(chǎng)要強(qiáng)。從數(shù)據(jù)上來(lái)看，引弧板材料為銅時(shí)斷路器磁場(chǎng)強(qiáng)度大約在0.4～0.6 T，引弧板材料為鐵時(shí)斷路器磁場(chǎng)強(qiáng)度大約在0.1～0.15 T，可知用銅材料會(huì)將磁場(chǎng)強(qiáng)度增強(qiáng)5倍左右。圖6為無(wú)永磁體時(shí)的斷路器磁場(chǎng)分布圖，在沒(méi)有外加磁場(chǎng)激勵(lì)的情況下，磁場(chǎng)是由電流產(chǎn)生，磁場(chǎng)回路只是在鐵芯、磁軛中流動(dòng)。由圖6可見(jiàn)，磁場(chǎng)并沒(méi)有在電弧周圍，拉弧效果微弱，或者說(shuō)并無(wú)滅弧效果。

圖5 引弧板材料為鐵時(shí)斷路器磁感線分布數(shù)據(jù)圖

圖6 無(wú)永磁體時(shí)的斷路器磁場(chǎng)分布圖

為了容易理解，以超導(dǎo)體為例，超導(dǎo)體是完全抗磁體(需要在液氮營(yíng)造的超低溫環(huán)境下才有如此的性質(zhì))，外加磁場(chǎng)無(wú)法進(jìn)入或大范圍地存在于超導(dǎo)體內(nèi)部[11-13]。圖7為抗磁體磁感線分布示意圖。

圖7 抗磁體磁感線分布示意圖

鐵為順磁體，外加磁場(chǎng)可以進(jìn)入其內(nèi)部，如圖7(a)所示；相反銅為抗磁體，抗磁電流磁場(chǎng)，如圖7(b)所示；抗磁效果雖不比超導(dǎo)體，但是同樣可以將磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)一部分“排斥”體外，如圖7(c)所示，這樣的結(jié)果就是使銅表面的磁場(chǎng)強(qiáng)度要大于鐵物質(zhì)表面的磁場(chǎng)強(qiáng)度[16]。這樣引弧板材料為銅時(shí)，電弧周圍的磁場(chǎng)比引弧板為鐵時(shí)的磁場(chǎng)要強(qiáng)，即電弧電動(dòng)力也會(huì)增大。

3 結(jié) 論

本文基于Ansys軟件對(duì)某低壓直流斷路器的簡(jiǎn)化電弧運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了電動(dòng)力仿真計(jì)算，考慮了永磁體的磁性以及引弧板材料對(duì)電弧電動(dòng)力的影響并進(jìn)行了理論分析，得出如下結(jié)論。

(1) 在引弧板下添加永磁體之后，所有的電弧電動(dòng)力大大增強(qiáng)；由于無(wú)永磁體時(shí)的第4種電弧與其他三者數(shù)據(jù)相比很小，可知有無(wú)永磁體對(duì)第4種電弧有一定影響。

(2) 無(wú)論永磁體磁性如何增強(qiáng)，第4種電弧的電動(dòng)力大小均無(wú)變化，在引弧板的材料改變?yōu)殂~后，第4種電弧的電動(dòng)力大小也無(wú)變化，可知不僅永磁體的磁性強(qiáng)弱對(duì)第4種電弧影響不大，引弧板的材料對(duì)其也無(wú)影響。

(3) 第1種永磁體下的第1、第2和第3種電弧的電動(dòng)力均大于第2、3種永磁體下的電弧電動(dòng)力，即磁性越強(qiáng)，電弧電動(dòng)力越大。

(4) 將引弧板材料改為銅之后，電弧電動(dòng)力比引弧板材料為鐵時(shí)增強(qiáng)了1倍左右，拉弧效果大大提高，從磁場(chǎng)分布圖以及磁理論上也分析了增長(zhǎng)的原因。