無極性直流微型斷路器電壽命評估研究

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. 西安工程大學電子信息學院，西安 710600；2. 西北工業大學自動化學院，西安 710114；3. 西安工程大學工程訓練中心，西安 710600）

低壓斷路器是低壓交直流配電系統控制和保護的主要器件，電氣壽命是衡量其性能的指標之一。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，其滅弧及壽命評估不易。本文研究無極性直流微型斷路器電壽命評估，闡述了無極性直流微型斷路器結構，搭建試驗平臺進行電弧特性分析和電壽命試驗，并建立電壽命預測模型。試驗結果表明，電弧對觸頭的穩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測斷路器電壽命。

無極性；直流微型斷路器；燃弧時間；燃弧能量

0 引言

近年來，隨著城市牽引車輛、光伏發電、風力發電、電動汽車等分布式電源的發展，直流微型斷路器在這種分布式低壓配電網中的保護和控制作用愈加重要[1-2]。與交流斷路器不同，直流斷路器在開關過程中沒有電流過零特性，因而滅弧能力較差，對低壓直流配電系統及其元件損害較大，需要附加磁吹的直流滅弧功能。傳統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。對直流微型斷路器進行電弧特性研究和電壽命評估是應用無極性直流微型斷路器的必要前提。

在分斷電弧過程中產生的飛弧對斷路器及系統的危害嚴重[3]。文獻[4]分別在動觸頭與靜觸頭合閘點一側安裝永磁鐵、兩側安裝永磁鐵以N-S極性放置兩種方案。單磁鐵時，磁通沿徑向擴散，有效磁通密度因與到接觸點的距離二次方成反比而減小，串聯布置雙磁體可增加接觸點的磁通密度從而加快電弧的熄滅。文獻[5]分析了強弱性永磁鐵在不同位置對電弧電動力的影響，通過仿真試驗證明強磁性永磁鐵在拐角鐵片處的電動力最強，表明在該處進行滅弧效果最佳。文獻[6]在橫向磁場作用下，電弧被驅逐到電極邊緣，獲得了更好的滅弧效果。文獻[7]采用兩種不同形狀的釹鐵硼做研究，滅弧時間都得到了改善。文獻[8]分別采用“T”形和矩形導磁板結構的外加磁吹裝置進行仿真研究，研究表明“T”形導磁板具有較好的開斷能力。顯然，外加磁吹裝置不是優選方案，文獻[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度減小，有利于電弧熄滅的結論。

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

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

然而，在直流斷路器的電弧分析與壽命預測研究中，大多是針對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構設計，并對該類斷路器進行電弧特性分析和壽命預測建模。首先，對無極性直流微型斷路器結構進行闡述；其次，搭建電弧特性試驗平臺和電壽命預測試驗平臺；最后，對32A的無極性直流微型斷路器進行電弧特性分析和電壽命試驗，并對其電壽命進行建模。

1 結構設計

無極性直流微型斷路器結構及磁鐵觸頭相對位置示意圖分別如圖1、圖2所示。

1—進線接線座 2—軟連接線 3—動觸頭 4—靜觸頭 5—脫口機構 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—動跑弧道 14—永磁鐵 15—熱雙金屬片

圖2 N-N極性磁鐵觸頭相對位置示意圖

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，當電弧經過隔弧壁時產生高導熱性氣體，氣體在周圍產生的氣流將高溫迅速冷卻下來，同時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同極性安放在動靜觸頭合閘位置兩側。增磁鐵片放于隔弧壁下方，起到增強磁場的作用，以增強引弧。

當斷路器開斷電流時，無論電流方向如何，電弧在動靜觸頭之間產生，由于相對設置的永磁體在動靜觸頭之間區域產生的磁場相互抵消，電弧主要在自身電流及動靜觸頭導電結構產生的磁場下向弧角方向運動；待電弧運動至弧角上之后，由于隔弧壁側面導磁體的設置會加強永磁體下方區域磁場對電弧的作用，靠近兩側隔弧壁區域的磁力線方向相反，無論電流正向還是反向流動，均會促使電弧靠近，將電弧推向滅弧室方向的一側隔弧壁，從而實現對直流電流的引弧和分斷。

2 滅弧原理

直流不同于交流的區別就是直流電流是一個恒定值，沒有自然過零點，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遞減的趨勢，所以電弧的直徑會隨著電流的升高而遞增進而使電弧溫度增加，導致電阻值減小。圖3為簡化直流電路，為電源的電動勢，為電感，為電路電阻，CB為斷路器，h為斷路器兩端電壓，h為電路電流瞬時值。

圖3 簡化直流電路

當切斷線路時，在動靜觸頭上產生電弧，線路電壓方程為

式中，h為電路電流瞬時值h對應的有效值。

由于電弧的熱慣性和線路中儲能元件的存在，電弧熄滅的時間會延長。從動觸頭與靜觸頭分開到電弧熄滅所經歷的時間代表燃弧時間，故將式（1）進行變換，并對等式兩邊進行時間積分，令積分時間區間為（0,），令=0，得

式中，h0為初始時刻回路電流有效值。

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系。線路中電感系數越大，電感儲存的能量就越多，電弧的能量也就越大，即滅弧難度增加，故電感的儲能特性增加了滅弧時間。

3 試驗平臺搭建

試驗系統主要完成對無極性直流微型斷路器分斷過程中電弧電壓和電流數據的采集，因分斷時間極短，需要提高采樣速率來保證采集數據的準確性，試驗系統原理如圖4所示。

圖4 直流微型斷路器試驗系統原理

數據采集系統由兩塊數據采集卡和兩個霍爾電壓傳感器構成，一個霍爾電壓傳感器用于測量觸頭間的電壓，另一個霍爾電壓傳感器用于測量阻性負載兩端的電壓，其等同于測量回路電流信號。微型斷路器合分閘操作機構由PLC、直流電機、接近開關和機械機構組成。滅弧室位置處外殼進行開口處理，并加裝有機玻璃，便于拍攝，同時保證不改變試驗樣品的滅弧室氣流場分布，降低試驗誤差。電弧分斷研究試驗及電壽命試驗平臺如圖5所示。

1—阻性負載 2—PLC操作結構 3—直流電源 4—工控機 5—攝像機 6—斷路器

4 試驗及結果分析

4.1 試驗條件

以額定電流32A進行電弧拍攝及數據采集，試驗條件見表1。

表1 試驗條件

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、電流波形及電弧轉移圖。

圖6 電弧電壓、電弧電流波形

圖7 電弧轉移圖

在電弧分斷過程中，根據電弧所處的不同位置可分為以下4個階段：起弧階段、穩定燃燒階段、轉移階段、熄弧階段。起弧階段如圖7（a）所示，在4.863ms，電弧在動靜觸頭間產生，起弧電壓為14.2V。穩定燃弧階段如圖7（b）所示，在4.963ms，電壓緩慢上升，此時電弧在動靜觸頭間穩定燃燒，隨著動靜觸頭的距離增大，電壓區間為14.2～40.3V。轉移階段如圖7（c）所示，在6ms，電弧開始向跑弧道轉移，隨著動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，此時電弧從動靜觸頭間向跑弧道轉移，在滅弧室形成電弧通道，造成短暫重擊穿，導致電弧電壓下降，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。

通過對電弧運動過程的分析得出，穩定燃燒階段是電弧對觸頭燒蝕最為嚴重的階段，也是造成斷路器電壽命減少的主要原因。

4.3 電壽命試驗分析

在電壽命試驗中，對斷路器電流正反向分別進行5 000次開斷合閘數據提取及處理后，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、動觸頭燒蝕量隨著開斷次數的增加而減少，超程從1.91mm下降到1.32mm，靜觸頭厚度從0.52mm下降到0，動觸頭厚度從4.62mm下降到4.3mm，與電流方向無關。接觸電阻在不同電流方向下產生不同的變化趨勢。通過分析得出靜觸頭燒蝕量最能反映斷路器的開斷次數。

通過對采集的電弧電壓數據進行分析，提取電弧在動靜觸頭間的燃弧時間，并計算出燃弧能量積累量。電弧在動靜觸頭間的燃弧時間分布如圖10所示。

圖10 燃弧時間分布

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

式中：t1為起弧時刻；t2為電弧轉移時刻；u(t)為t時刻的電弧電壓瞬時值；i(t)為t時刻的電弧電流瞬時值。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的增加而增加，并近似成線性關系。

4.4 電壽命預測模型構建

根據上述分析得到，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。將靜觸頭燒蝕量與燃弧能量積累量建立一定關系，進一步對其進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系曲線

通過建立靜觸頭燒蝕量與燃弧能量積累量的關系，得出靜觸頭燒蝕量與燃弧能量積累量基本成線性關系。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的閾值評估其電壽命，可以將難以在線監測的觸頭燒蝕量轉換為較易在線監測的燃弧能量積累量，并在8A、16A、63A等不同電流等級下驗證了模型的準確性，有效實現了無極性直流微型斷路器電壽命在線評估。

5 結論

本文對無極性直流微型斷路器進行了電弧特性試驗和電壽命試驗，通過試驗結果分析得到以下結論：

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

2）在開斷過程中，電弧在動靜觸頭上的燃弧時間與開斷次數沒有必然聯系，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的增加成線性關系，表征明顯。

4）靜觸頭燒蝕量與燃弧能量積累量存在線性關系，建立的線性數學模型適用于預測不同電流等級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, 胡浪濤, 等. 低壓直流斷路器時間常數探討[J]. 電氣技術, 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措施[J]. 電氣技術, 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力仿真分析[J]. 上海電機學院學報, 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研究[J]. 電器與能效管理技術, 2015(6): 6-9.

[9] 李靜, 杜志鵬, 曹云東, 等. 縱向磁場對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]. 中國電機工程學報, 2017, 37(22): 6730-6739, 6786.

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

[14] 李華, 孫東旺, 賀鵬舉, 等. 基于超程時間回歸模型的繼電器壽命預測方法[J]. 電工技術學報, 2013, 28(2): 414-417, 423.

[15] 李奎, 李曉倍, 鄭淑梅, 等. 基于BP神經網絡的交流接觸器剩余電壽命預測[J]. 電工技術學報, 2017, 32(15): 120-127.

[16] 李奎, 高志成, 武一, 等. 基于統計回歸和非線性Wiener過程的交流接觸器剩余壽命預測[J]. 電工技術學報, 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，主要研究方向為直流微型斷路器電壽命評估。

西安市科技協會青年托舉計劃（095920201324）