微型直流斷路器中電弧電動力仿真分析

陳晉生,遲長春,劉 佳

(上海電機學院 電氣學院,上海201306)

斷路器從電壓等級可以分為高壓斷路器和低壓斷路器;從功能上可以分為框架、漏電保護、限流以及直流快速斷路器。微型直流斷路器屬于低壓斷路器,廣泛應用在工業(yè)、商業(yè)以及民用住宅。隨著5G技術(shù)不斷發(fā)展,微型直流斷路器作為5G 基站的專用電器發(fā)揮著重要作用。由此對微型直流斷路器電壽命的關(guān)注度也越來越高。

微型直流斷路器在工業(yè)中主要用在直流電源中(如不間斷電源和應急電源)。為了進一步推進環(huán)保,我國許多城市的輕軌、新能源汽車以及充電樁都采用直流供電。只要有直流供電就離不開微型直流斷路器,它是保障直流供電系統(tǒng)正常運行的重要器件。

我國制造的微型直流斷路器存在一些不足,如塑性、分斷電路可靠性以及外殼硬度等。本文針對提高微型直流斷路器滅弧可靠性[1],提出改變微型直流斷路器內(nèi)部永磁體磁性強弱與位置的方法來提高電弧電動力,使電弧更容易運動到滅弧室中,從而縮短滅弧時間,提高微型直流斷路器滅弧可靠性。

1 電弧的產(chǎn)生及其危害

電弧的外觀如圖1所示,國內(nèi)外許多學者研究表明電弧的產(chǎn)生是一個極其復雜的問題,簡單概括就是當電路中的電流達到一定等級,回路由于一些自然災害或人為因素導致線路斷開,斷開線路兩端存在電壓則就會形成電弧。電弧的產(chǎn)生是因為控制電器動觸頭和靜觸頭斷開的時候,在動靜觸頭之間會存在一個可以使空氣中的電子產(chǎn)生很高動能的電壓,并且隨著動能在電器與其他粒子發(fā)生碰撞,產(chǎn)生各自的鏈式反應,如此循環(huán)往復最終形成電弧。電弧的出現(xiàn)使得原本斷開的電路繼續(xù)保持著連接。這就會導致許多問題,如因為長時間的燃弧現(xiàn)象,當電路中電流較大時會導致整個回路中的用電設(shè)備受到損害,更嚴重的情況可能會造成人員傷亡;在某些特殊的行業(yè),企業(yè)周圍的空氣中會含有一定量的易燃易爆氣體,有可能發(fā)生爆燃從而釀成大的事故;在電力行業(yè)中,短路電流雖小,但如果存在接地故障,在接地點就可能產(chǎn)生電弧;安裝不符合要求或維護不及時以及動物咬抓等造成絕緣損壞等都有可能造成電弧事故。所以對電弧的危害絕不可以輕視。

圖1 電弧

2 電弧的研究理論

交流電弧的熄滅原理[2-5]是利用電流自然過零點,在過零點的瞬間切斷電路就不會產(chǎn)生電弧,達到保護線路的目的。圖2所示為電流過零點后電弧中的瞬態(tài)恢復電壓(Transient Recovery Voltage,TRV)和介質(zhì)強度恢復特性。當TRV 超過介質(zhì)強度恢復電壓時,電弧就會發(fā)生重燃現(xiàn)象,燃弧電壓為TRV和介質(zhì)強度恢復電壓的交點,也叫復燃點。因此,只要保證TRV 始終低于介質(zhì)強度恢復電壓就可以很好地保證電弧不會發(fā)生重燃現(xiàn)象,大大提高電路的安全性。

圖2 介質(zhì)和瞬態(tài)電壓的恢復過程

直流電弧完全不同,因為直流電沒有自然過零點的時刻,所以要想可靠地切斷直流線路就比較復雜。為了更好地描述出直流電弧的電壓電流關(guān)系,需要將經(jīng)驗公式和實驗數(shù)據(jù)相結(jié)合,從而為能夠安全有效熄滅直流電弧提供理論數(shù)據(jù)。圖3所示為簡化后的直流電路,CB為開關(guān),L為電感,R為線路中電阻總和。

圖3 直流電路

當微型直流斷路器切斷其所在回路時,在它的動靜觸頭上會產(chǎn)生電弧,線路的電壓方程式為

在實際使用微型直流斷路器時,要保證其能夠可靠保護電路,并且提高其使用壽命,要盡量保證在微型直流斷路器動靜觸頭之間沒有發(fā)生熔焊現(xiàn)象。但是在直流供電系統(tǒng)中時無法同時滿足兩個要求,可靠熄滅電弧的同時會使得動靜觸頭表面發(fā)生燒蝕,大大降低了其使用壽命。從微型直流斷路器的動觸頭與靜觸頭分開到電弧熄滅,這段過程是燃弧時間,將式(1)進行變換,對等式兩邊同時進行時間積分,令積分時間區(qū)間為(0,t),有

從式(2)可以看出,在保持直流電源和電阻一定時,電弧產(chǎn)生的能力與電感直接有關(guān),即隨著電感系數(shù)的增大,電感中所存儲的能量越大,導致電弧的能量也越大。因此,電感的儲能特性會大大增加滅弧難度。當在直流滅弧系統(tǒng)中外加電阻,使得RI+U＞E時,無法達到維持電弧的電壓,電弧將被熄滅。但是通過外加電阻是目前無法實現(xiàn)的技術(shù)。本文采取提高電弧電動力,即磁吹力通過外加永磁體使電弧能夠更快速地被吹到滅弧室中,從而提高其滅弧可靠性。

3 不同方案下電弧電動力仿真

3.1 電弧仿真模型建立

微型直流斷路器結(jié)構(gòu)如圖4所示。本文通過Ansoft Maxwell電磁仿真軟件計算電弧電動力,同時只考慮磁場對電弧電動力的影響[6-9],暫時忽略了溫度、氣流等因素對電弧的影響,微型直流斷路器仿真模型周圍添加了平行磁場來模擬自然邊界條件。在仿真模型中為了最大程度地使仿真數(shù)據(jù)接近實際數(shù)值,將電弧材料選取為銅,形狀設(shè)置為圓柱體。電弧在微型直流斷路器中從產(chǎn)生到熄滅可以分為兩個過程：一個是電弧在動靜觸頭之間產(chǎn)生到進入到滅弧室之前,另一個是電弧進入滅弧室之后。將電弧運動軌跡分割成4個部分,第1部分是微型直流斷路器動靜觸頭之間電弧形成的部分,在后續(xù)的計算中為了與其他位置的電弧區(qū)分,此位置電弧命名為區(qū)域1電弧。在這個范圍中,電弧的移動忽略不計,可以把受到的電弧電動力等效為始終受到向下的作用力,其他方向的力可以忽略不計;電弧撞到引弧板后進入?yún)^(qū)域2中命名為區(qū)域2電弧,在這個過程中電弧不是保持豎直的,而是與水平方向成一定角度,沿著受到合力的方向,合力方向會隨著電弧的運動不斷發(fā)生改變;當達到區(qū)域3后合力的方向完全指向區(qū)域3這個范圍內(nèi)的電弧命名為區(qū)域3電弧;進入滅弧室后的電弧命名為區(qū)域4電弧[10](見圖5)。

圖4 微型直流斷路器結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 永磁體放置在引弧板下方時電弧電動力仿真

建立微型直流斷路器電弧模型之后,就可以導入到Ansoft Maxwell電磁仿真軟件,進行參數(shù)設(shè)定,開始仿真計算。微型直流斷路器原始樣機采用的是鐵材料引弧板,弱磁性永磁體安裝在引弧板下面。通過改變永磁體的磁性仿真微型直流斷路器電弧受到的電動力進行仿真計算[11],將所有仿真結(jié)果進行研究分析,得出初步結(jié)論。

圖5 電弧運動范圍劃分

表1給出了不同磁性永磁體電弧仿真電動力數(shù)據(jù)。仿真得出的數(shù)據(jù)是忽略其主要運動軌跡方向以外的力。從表中可以看出,無永磁體時電弧電動力明顯小于有永磁體時受到的電弧電動力;隨著永磁體磁性不斷加強,區(qū)域1～3的電弧電動力逐漸增大。但是,無論永磁體磁性強弱如何變化,對區(qū)域4的電弧受到的電動力幾乎沒有影響。

表1 不同磁性永磁體電弧電動力仿真數(shù)據(jù)

3.3 永磁體放置在拐角鐵片處時電弧電動力仿真

將永磁體放置在拐角鐵片處(圖4中9所在位置)。在實際建模過程中結(jié)合3D建模軟件可以快速建立模型,導入仿真軟件[12-14],設(shè)定材料屬性參數(shù)和網(wǎng)格剖分進行仿真計算。仿真數(shù)據(jù)如表2所示。

從表2中可以看出,不同磁性永磁體放到拐角鐵片處后對區(qū)域1～3的電弧電動力有顯著增強效果,但對區(qū)域4的電弧電動力增強效果不如對前3個區(qū)域效果明顯。將表1和表2整理后得出圖6。從圖6可以明顯看出,當強磁性永磁體在拐角鐵片處時對電弧電動力的增強效果最佳,可以更好地提高電弧進入滅弧柵[15]的速度,進而縮短滅弧時間,提高微型直流斷路器工作的可靠性。

表2 不同磁性永磁體電弧電動力仿真數(shù)據(jù)

圖6 電動力對比圖

4 結(jié)語

通過對微型直流斷路器中產(chǎn)生的電弧進行3D建模。為了盡可能接近實際情況,將電弧設(shè)置為銅材料的圓柱形導體,根據(jù)電弧在微型直流斷路器中的運動軌跡將其分為4個區(qū)域,并定義每個區(qū)域電弧運動的典型位置。改變永磁體的位置和磁性強弱,仿真計算對電弧電動力的影響。從仿真結(jié)果可以看出,在同一位置的情況下,采用強永磁體可以明顯增加電弧電動力;在同一磁性的永磁體情況下,將其放在拐角鐵片處能夠明顯增加電弧電動力。另外,當采用弱磁性永磁體放置在拐角鐵片處時對電弧電動力的影響優(yōu)于采用強磁性永磁體放置在引弧板下方,此舉對降低微型直流斷路器成本有一定意義。