小電流分斷吹弧磁場仿真及試驗研究

徐 凱，李治軍，祝 聰，孔凡良

小電流分斷吹弧磁場仿真及試驗研究

徐 凱1，李治軍1，祝 聰1，孔凡良2

（1. 武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064；2. 武漢長海電氣科技開發有限公司，武漢 430064）

直流斷路器分斷小電流時，在動靜觸頭之間易出現持續燃弧現象。為解決小電流分斷難的問題，通常在電流轉移回路中串入磁吹裝置。本文對某型直流斷路器磁吹裝置進行了優化設計，同時對兩種磁吹裝置下觸頭區域吹弧磁場仿真分析，并對關鍵路徑磁場進行對比。仿真分析及試驗結果都表明，使用優化后磁吹裝置的斷路器具有更好的雙向小電流分斷能力。

直流斷路器 小電流分斷 磁吹裝置 吹弧磁場

0 引言

斷路器是能夠關合、承載和分斷正常、異常回路條件下電流的設備，以保護電氣系統中其他設備。在斷路器分斷小電流過程中，可能會在動靜觸頭之間穩定燃弧，進而導致斷路器分斷失敗。

為解決小電流分斷問題，通常在斷路器中增加吹弧磁場。穩定燃燒的電弧可以視為導體，在電弧垂直方向添加吹弧磁場的作用下，電弧受到電動力作用而加速進入滅弧柵片。電弧在滅弧柵片切割下分為多段短電弧，使得總弧壓升高，加快電弧熄滅。

在直流斷路器磁吹裝置設計過程中，通常由于流過斷路器電流方向保持一定，故吹弧磁場方向也需要保持不變。但在越來越復雜的系統使用環境下，直流斷路器可能流過反向小電流；此時斷路器也必須能可靠分斷反向小電流。

1 吹弧磁場分析方法

斷路器分斷電流過程中，在動靜觸頭之間會產生電弧，電弧會在自身產生的磁場作用下運動。但在分斷小電流時，由于電流很小，故電弧自身產生的磁感應強度很小；電弧受到的電磁力很小，難以驅動電弧運動。此時電弧會停滯并穩定燃弧，造成斷路器分斷失敗。

為解決斷路器分斷小電流困難問題，在斷路器設計時，在電流的轉移回路中串入磁吹裝置。磁吹裝置主要由導磁板、導磁鐵芯、勵磁線圈以及引弧角組成。磁吹裝置要在電弧運動區域中形成磁場，故鐵芯、導磁板等均需為鐵磁材料；磁吹裝置的結構原理圖如圖1所示。

圖1 斷路器磁吹裝置模型

當分斷小電流時，電流經過磁吹裝置進而產生吹弧磁場。同時，電弧在吹弧磁場的作用下，電弧停滯時間減小并快速進入滅弧室內。要分析電弧在吹弧磁場中的受力情況，就要分析電弧運動區域的磁場。

磁吹裝置仿真計算的第一步是進行靜態電流傳導分析，得到電流的密度分布，第二步是以得到的電流密度分布作為磁場計算的激勵源計算觸頭區域的磁場分布。由于斷路器導電回路結構復雜，電流密度并不均勻，勵磁線圈的勵磁電流通過仿真計算得到。電流密度滿足下式所示的邊界條件：

式中：-導體的電導率，電弧的電導率為銀的10-4；-矢量電位；-通過導體和電弧的電流總和。

電流密度與磁通密度之間的關系式如下：

式中：-磁矢位；-磁導率。

為簡化優化計算過程中，直接將線圈與激勵源簡化為激勵線圈的安匝數作為激勵加載在模型上，進而通過有限元分析軟件計算得到電弧運動區域的磁場分布情況。

2 研究對象與仿真結果分析

由于鐵芯的剩磁現象，在斷路器正向分斷小電流后，鐵芯中存在正向的剩磁。故斷路器要能可靠分斷反向小電流，必須先克服鐵芯中的剩磁。因此磁吹裝置在分斷小電流時，在電弧運動區域中形成磁場的磁感應強度越大越好。故需要針對磁吹裝置進行優化。

為研究不同磁吹裝置對電弧轉移過程的影響，對比了兩種不同結構的磁吹裝置：一種π形結構，一種工形結構。兩種結構磁吹裝置結構示意圖如圖2所示。其中觸頭系統位于兩塊導磁板中間，并且動靜觸頭在導磁板中部。

圖2 磁吹裝置結構示意圖

仿真過程將激勵線圈的安匝數設為1100 A，兩種磁吹裝置的磁感應強度矢量分布如圖3所示。

上述三條參考路徑示意圖如圖4所示。路徑1表示電弧產生的起始階段觸頭附近區域；路徑2表示電弧弧跟在動靜引弧角運動路徑區域；路徑3表示電弧產生后在進入滅弧室內腔運動區域。

圖3 磁感應強度分布

為了獲得電弧運動軌跡上的磁感應強度變化情況，在兩種磁吹裝置結構內選取了三條參考路徑：

1）導磁板中部下側內邊緣中點連線。

2）靜引弧角端部與動引弧角部中點連線。

3）路徑1與路徑2中點連線。

上述三條參考路徑示意圖如圖4所示，路徑1表示電弧產生的起始階段觸頭附近區域，路徑2表示電弧弧根在動靜引弧角運動路徑區域；路徑3表示電弧產生后在進入滅弧室內腔運動區域。

圖4 三條參考路徑位置示意圖

對π形結構與工形結構磁吹裝置的磁場分布進行仿真計算。并對分別提取3條參考路徑上磁感應強度結果進行對比，對比結果如圖5～圖7所示。

圖5 路徑一上磁感應強度對比

由圖5可知，在參考路徑一上，兩種磁吹裝置最小的磁感應強度出現在路徑中部。其中π形結構磁感應強度的最小值為2.14 mT；而工形結構最小值為8.16 mT，約為π形結構的4倍；π形結構磁感應強度最大值為7.61 mT；而工形結構最大值為30.16 mT，也近似為π形結構的4倍。說明工形結構磁吹裝置在觸頭區域產生的磁感應強度更大，在分斷小電流過程中能使得電弧更加快速的運動。同時由圖7，圖6可知，在滅弧室內腔、動靜引弧角處，工形結構下的磁感應強度明顯大于π形結構。

圖6 路徑二上磁感應強度對比

由上述分析可知，相比于π形結構磁吹裝置，工形結構磁吹裝置在電弧運動區域內產生的磁場更強；電弧在強磁場內收到的電磁力更大，有利于電弧的轉移。

同時工形結構磁吹在同樣的激勵下，產生的磁場更強，更能克服鐵芯在小電流分斷完成后的剩磁，有利于斷路器的反向小電流分斷。

3 小電流分斷試驗

為驗證仿真結果，比較不同結構的磁吹裝置對正反小電流分斷結果的影響。在直流2000 V試驗電壓下進行正反小電流分斷試驗；試驗電流為5 A，電流時間常數5 ms。

試驗過程中，通過測量斷路器進出線兩端的電壓信號可以得到電弧電壓變化曲線；通過測量回路電流可以得到電弧電流變化曲線。通過上述兩條曲線及電源電壓變化曲線可以知道正反小電流是否分斷成功，以及燃弧時間。同時在完成正向小電流分斷后，立即進行反向小電流分斷。

π形結構與工形結構正反小電流分斷試驗波形如圖8、圖9所示。

圖8 π形結構正反分斷波形

由圖8可知，π形結構磁吹裝置在分斷正向小電流時，成功地分斷了正向5A小電流，分斷燃弧時間318.4ms；而在分斷反向5A小電流時，系統出現了穩定燃弧，最后是由試驗系統分斷。說明π形結構磁吹裝置可以成功分斷正向小電流，但不能分斷反向小電流。

由圖9可知，工形結構磁吹裝置在分斷正向小電流時，成功地分斷了正向5A小電流，分斷燃弧時間為256.4ms；在分斷反向小電流時，也成功地分斷了正向5A小電流，分斷燃弧時間為燃弧時間423ms。說明工形結構磁吹裝置可以成功分斷正向小電流，也可以成功分斷反向小電流。而反向分斷燃弧時間比正向燃弧時間長，是由于在斷路器正向分斷小電流后，鐵芯中存在正向的剩磁。在分斷反向小電流時，必須先克服鐵芯中的剩磁。

根據試驗與仿真結構可以得出，工形結構磁吹裝置能夠顯著改變觸頭系統、滅弧室內腔以及引弧角等區域的磁場分布，從而提高斷路器的小電流分斷能力。

圖9 工形結構正反分斷波形

4 總結

在直流斷路器設計過程中，需要考慮小電流分斷難的問題；同時在某些特定系統內還需要考慮正反雙向小電流分斷問題。采用工形結構磁吹裝置能夠顯著改變觸頭系統、滅弧室內腔以及引弧角等區域的磁場分布，提供較強的吹弧磁場，從而提高斷路器的正反向小電流分斷能力。

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Simulation of arc blast magnetic field and breaking test for low current breaking

Xu Kai1, Li Zhijun1, Zhu Cong1, Kong Fanliang2

（1. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China; 2. Wuhan Changhai Electrical Technology Development Co., Ltd., Wuhan 430064, China）

TM561

A

1003-4862(2022)08-0027-04

2021-11-9

徐凱（1991-），男，工程師。研究方向：開關電氣。E-mail: diyigewangyi@126.com