导电回路结构改变对塑壳断路器开断性能影响的研究

研究・开发——导电回路结构改变对塑壳断路器开断性能影响的研究　机床电器２０１０．１　研究・开发　导电回路结构改变对塑壳断路器　开断性能影响的研究　刘鸿鹏（中铁电气化局，１０００３６）　摘要：导电回路结构的改变对塑壳断路器开断性能影响明显。本文基于ＮＳ２５０Ａ样机，提出一种平板回路式的静　导电触头，对比分析两种不同导电回路结构的电动斥力与吹弧磁场。研究表明新结构增强了电动斥力、吹弧磁场以　及磁吹力的同时还充分利用灭弧室空间，增大了开距，同时可以增加栅片数目。进而提升电弧电压上升，塑壳断路器　开断性能从而可以得到提升。　关键词：塑壳断路器；开断能力；电动斥力；磁吹力　中图分类号：ＴＭ１５；ＴＭ５６１　文献标识码：Ａ　文章编号：１００４—０４２０（２０１０）０１—０００７—０３　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｒｒｕｐｔｉｏｎ　ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ＭＣＣＢ　ＬＩＵ　Ｈｏｎｇ——ｐｅｎｇ　（Ｃｈｉｎａ　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｅｌｅｃｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ　Ｂｕｒｅａｕ，１　０００３６）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｈａｓ　ａｎ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｒｒｕｐｔｉｏｎ　ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ＭＣＣＢ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ａ　ｐｒｏｄｕｃｔ　ｗｈｉｃｈ　ｔｙｐｅ　ｉｓ　ＮＳ２５０Ａ，ｃｏｍｐａｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｒｅｐｕｌｓｉｏｎ　ｆｏｒｃｅ　ａｎｄ　ｍａｇｎｅｔｉｃ　ａｒｃ　ｄｒｉｖｅｎ　ｆｏｒｃｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｔｗｏ　ｄｉｆ－　ｆｅｒｅｎｔ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ　ｃｉｒｃｕｉｔ，ａ　ｎｅｗ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｓｔａｔｉｏｎ　ｃｏｎｔａｃｔ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔ　ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｓ　ｔｈｅ　ｎｅｗ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｃａｎ　ｕｓｅ　ｔｈｅ　ｃｈａｍｂｅｒ　ｓｐａｃｅ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｏｐｅｎｉｎｇ　ｄｉｓｔａｎｃｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｎｕｍｂｅｒ　ｏｆ　ｓｐｌｉｔｔｅｒ　ｐｌａｔｅｓ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，　ｈｔｅ　ａｒｃ　ｖｏｌｔａｇｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｒｒｕｐｔｉｏｎ　ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ　ｃａｎ　ｂｅ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＭＣＣＢ；ｉｎｔｅｒｒｕｐｔｉｏｎ　ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ；ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｒｅｐｕｌｓｉｏｎ　ｆｏｒｃｅ；ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｄｒｉｖｅｎ　ｆｏｒｃｅ　０前言　提升电弧电压，从而提高ＭＣＣＢ的限流和灭弧性能。　对于提高断路器的分断Ｉ生能具有重要意义　］。很多学　低压塑壳断路器（ＭＣＣＢ）广泛应用于配电系统。　者对于增强灭弧室磁场及气吹作用等对断路器开断性　其重要性能特点是在开断故障电路时能够限制短路电　能影响方面进行了研究工作　，但是对导电回路改变　流的峰值，使短路电流对用电设备和开关本身的破坏　以及开断性能影响的研究涉及的比较少。　程度减小¨ｊ。当短路电流到来时，断路器的脱扣器将　本文主要研究工作是对比分析传统Ｕ型导电回　会瞬时脱扣使操作机构运动，动、静触头在操作机构的　路与提出的平板型进线回路结构的电动斥力、吹弧磁　带动和电动斥力的作用下分离。电弧将在动、静触头　场及磁吹力。研究结果表明，新型结构在不改变断路　间产生，并在磁场的作用下向灭弧系统（栅片）的方向　器外形尺寸的情况下可以加大触头开距，增加栅片数　移动。电弧进入栅片被分割成若干串联短弧，电弧电　目，进而有利于提高断路器的开断性。　压升高，电流峰值下降，电弧在栅片中冷却、熄灭。因　而，对于塑壳断路器，要提高电弧电压和限流性能，一　１　模型建立　方面在电弧能顺利地进入栅片的条件下，尽可能地增　为了减小静导电杆占用的空间，并保留电流在动　加栅片数目；而另一方面通过拉长电弧和充分冷却弧　静触头间流动时方向相反的特征，提出一种新的静导　柱，尽可能提高弧柱压降　。　电杆结构，如图１所示，将静导电杆压低，并设置一个　增大动、静触头开距能有效的增加弧柱的长度，同　上翘１０。的台阶来容纳静触头，从而使得同样空间下，　时增加栅片的数目分割更多的串联短弧，都能有效的　灭弧室能够设置更多的栅片，并能提高动静触头之间　——１——　机床电器２０１０．１　研究・开发——导电回路结构改变对塑壳断路器开断性能影响的研究　的开距，使电弧被拉得更长。　电流密度－，满足式（４）所示的关系式和式（５）所　示的边界条件。其中　为导体的电导率，本文导电杆　和触头均采用铜材料；Ｔ为矢量电位，ｔ，为流过导体的　电流。　在得到了电流密度．，的分布之后，在整个场域中，　根据磁通密度　和　之问的关系式（６），即可得到Ｂ　（ａ）传统结构　（ｂ）新结构　图１　两种静导电回路结构对比　的分布。　（　ｌ－－ｒ０　Ａ）＝Ｊ　图２给出两种静导电回路结构的灭弧室的１／２模　型，新结构对比原结构增加２块栅片，动导电杆的最大　打开角度从４１．５增至６１．５。，增大了触头开距。　２－－＇　【Ｂ：ｒ０　（６）　式中：Ａ为矢量磁位，　为磁导率。　基于以上的电流ｔ，一磁场和日一电动斥力，之间　的关系，采用三维有限元分析，可以得到作用在动导电　杆上和触头上的回路电动斥力　。　当动触头打开电弧产生后，动静触头的分离导致　Ｈｏｌｍ力则消失，电动斥力只需考虑回路洛伦兹力。根　（ａ）传统结构　（ｂ）新结构　据以上计算方法以１４倍额定电流为例对比分析两种　静触头回路系统在电流密度分布，结果如图３所示。　图２两种结构触头闭合时的灭弧系统１／２模型对比　新结构静触导电回路底部为长３０　ｍｍ，宽２６　ｍｍ，　厚度为４　ｍｍ且中间被挖空的长方体，挖空部分有一　个宽８　ｍｍ上翘１０。的长方体，上面有静触头，动静触　头的接触面积保持原来不变。由图２可以看到，新结　构栅片数量可以增至ｌ２片，比原来多２片。　（ａ）传统结构　（ｂ）新结构　２　电动斥力计算及吹弧磁场分析　回路洛仑兹力Ｒ又称回路电动斥力，在三维有限　图３　两种结构载流导体电流１４１ｎ时电流密度分布情况　根据公式６可以得到１４倍额定电流的两种灭弧　室内的磁通分布如图４所示，为了更清楚的对比触头　区域磁场，结果中没有显示周围空气中的磁通分布。　元方法中对于任何一个单元ｉ来说，其对于转轴０的　转矩　ｉ为ｄ　和力密度　的矢量积，那么在整个动导　电杆区域对　ｉ进行体积分运算，则可得到作用在其上　相对于转轴０的力矩。从而作用在其上的等效电动　力也可以得到，如式（２）所示。而力密度Ｆｉ可通过式　（３）计算，其中ｔ，ｉ和曰ｉ分别为单元ｉ上的电流密度和　磁通密度　。　匮窿］　（ａ）传统结构　（ｂ）新结构　』Ｍ　×ＦｉｄＶ　【Ｆ　＝Ｍ／ｌ　Ｌｚ　，¨　图４两种结构在电流为１４Ｉ．时的磁通分布（未显示空气）　由以上计算得到的电流密度和磁通分布的结果结　Ｊ．ｒｏ　（吉　）＝０　【Ｉ，：ｒ０ｆ　合公式３计算两种结构不同电流下的电动斥力。图５　ｒ４　给出不同电流下动触头所受的总的电动斥力数据的对　比曲线。　计算结果表明两种导电回路动触头受到的电动斥　力随电流的增加逐渐增加，新结构的电动斥力增加幅　研究・开发——导电回路结构改变对塑壳断路器开断性能影响的研究　机床电器２０１０．１　度大于传统结构，这表明再产生短路电流时新结构更　８～ｌ０号特征点的平均Ｂ值为０．３９４　Ｔ，新结构８～ｌ０　有利于加速动触头的斥开。　器０　ｚ　７０　蘧翟　０　电流／Ａ　图５两种导电回路动触头所受电动斥力的对比曲线　当短路电流产生后，瞬时脱扣器脱扣，动静触头在　机构作用下分离。电弧会在触头间隙间被逐渐拉长，　并朝向栅片区域运动。电弧之所以会朝栅片移动，其　中的一个重要原因是电弧本身承载电流，且处于磁场　之中，所以会受到磁吹力的驱动而运动。吹弧力的大　小对塑壳断路器的开断性能有重大影响。图６给出两　种导电回路结构在动触头运动到最大开距时，１４倍额　定电流导电回路和栅片组中的吹弧磁场的分布。　（ａ）传统结构　（ｂ）新结构　图６两种结构在电流为１４／．时吹弧磁场分布情况（未显示空气）　为了进一步分析导电回路变化对电弧弧柱受到的　吹弧磁场的影响，以电弧弧柱中心线为路径分为９等　份，取１０个特征点来对比分析导电回路变化对各特征　点磁感应强度的影响。路径和特征点设置如图７所　示。计算结果如图８所示。　‘　Ｏ．５Ｏ　，０．４５　越０．４０　耀０．２５　０．２Ｏ　弧柱中　Ｃ线路径匕ｌ０个点编号　图７选取的电弧中心线上的　图８电弧中心线上的磁　１０个点的路径示意图　感应强度对比曲线　计算结果表明传统结构中１—７号特征点的平均　值为０．４１８　Ｔ，新结构中１～７号特征点的平均　值　为０．３６１　Ｔ，较传统结构减小了１３．６％；但传统结构　号特征点的平均Ｂ值为０．４２４　Ｔ，较传统结构增加了　７．６％。而８～１０号特征点位于动触头附近区域，该区　域的磁场增强有利于驱使动触头电弧弧根的转移并增　加动触头区域栅片的利用率，这对提高断路器的开断　能力是有利的。由公式３可以算得两种导电回路结构　电弧弧柱在１０　ｋＡ的短路电流下所受的磁吹力传统结　构为１２２．７０　Ｎ，新结构的磁吹力为１３３．６１９　Ｎ，新结构　的磁吹力明显得到加强。　３　总结　塑壳断路器的栅片数目和动触头开距对其开断性　能有重要影响，增加栅片数目，增大触头开距，能提高　电弧电压，从而增强断路器的限流性能和开断性能。　本文提出的导电回路结构将Ｕ型的静导电回路，改为　带有上翘台阶的平板回路式的静导电杆，增大灭弧室　的空间，从而增大了开距，增加了栅片的数目。新的静　导电回路保留了电流在动静触头间流动时方向相反的　特征，同时栅片数增多，开距增大，进而提高电弧电压，　从而塑壳断路器开断性能可以得到提升。　参考文献：　［１］方鸿发．低压电器（修订本）［Ｍ］．西安：西安交通大学　出版社。１９８９．７２—８０．　［２］　陈德桂．低压断路器的开关电弧与限流技术［Ｍ］．北　京：机械工业出版社，２００７．　［３］张冠生，丁明道．常用低压电器及其应用［Ｍ］．北京：机　械工业出版社，１９９９．　［４］刘洪武，陈德桂，李志鹏．不同因素对气吹式塑壳断路　器开断电弧运动影响的实验研究［Ｊ］．中国电机工程学　报，２００４，２４（１１）：１５４—１５９．　ｒ　５］　ＡＮＳＹＳ　Ｒｅｌｅａｓｅ　１　１．０　Ｄｏｃｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ．Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｆｉｅｌｄ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　Ｇｕｉｌｄ［Ｍ］．ＡＮＳＹＳ　Ｃｏｍｐａｎｙ，２００６．　［６］　纽春萍，陈德桂，林娜．基于三维有限元分析交流接触　器电磁铁的优化设计［Ｊ］．低压电器，２００４，（４）：１０—　１３．　［７］颜威利，李永朝，邱祖述．交流接触器电磁系统的有限　元动态分析［Ｊ］．河北工业大学学报，１９９２，（１）：１—６．　［８］Ｋａｗａｓｅ　Ｙ，Ｔａｔｓｕｏｋａ　ｓ，Ｙａｍａｇｕｃｈｉ　Ｔ，ｅｔ　ａ１．３～Ｄ　ｉｆｎｉｔｅ　ｅｌｅ—　ｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ＡＣ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇ—　ｎｅｔｉｃ　ｃｏｎｔａｔｏｒｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ．ｏｎ　Ｍａｇｂａｔｉｃｓ，１９９４，３０　（５）：３２４４—３２４７．　收稿日期：２００９—１０—２７　—９一