摘要：分析和討論了近期低壓電器的若干新技術(shù)，如斷路器單斷點(diǎn)與雙斷點(diǎn)分?jǐn)嗉夹g(shù)及其系列結(jié)構(gòu)方案比較、永磁接觸器與智能操作結(jié)合更加節(jié)能、根據(jù)電弧測(cè)試與氣吹機(jī)理設(shè)計(jì)新型滅弧室、虛擬樣機(jī)的應(yīng)用提高了斷路器分?jǐn)嗄芰Α＿@些新技術(shù)有助于低壓電器的技術(shù)創(chuàng)新。

關(guān)鍵詞：分?jǐn)嗉夹g(shù)；電弧測(cè)試；虛擬樣機(jī)

0 引言

電力事業(yè)發(fā)展對(duì)低壓開(kāi)關(guān)電器質(zhì)和量的要求越來(lái)越高，這就促進(jìn)低壓電器向高性能和小型化發(fā)展，而技術(shù)創(chuàng)新和新技術(shù)的應(yīng)用是支撐這種發(fā)展的重要基礎(chǔ)。氣吹和雙斷點(diǎn)技術(shù)的應(yīng)用，促進(jìn)了新一代低壓斷路器開(kāi)發(fā)；永磁接觸器及其智能控制大幅度提高了接觸器的性能，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能；新的電弧測(cè)試技術(shù)有助于改進(jìn)滅弧室的設(shè)計(jì)；虛擬樣機(jī)技術(shù)建立了低壓電器嶄新的研發(fā)平臺(tái)。

1 單斷點(diǎn)與雙斷點(diǎn)分?jǐn)嗉夹g(shù)的比較與兩種低壓斷路器系列結(jié)構(gòu)分析

自20世紀(jì)90年代中期雙斷點(diǎn)和氣吹技術(shù)得到應(yīng)用和推廣后，繼施耐德公司NS系列之后，國(guó)際上大公司如ABB、GE、LG、金鐘-默勒等在新世紀(jì)都分別推出了自已的雙斷點(diǎn)分?jǐn)嘈孪盗兴芰贤鈿な綌嗦菲鳎∕ouldedCaseCircuitBreaker,MCCB）,其中有ABB的Tmax,GE的RecordPlus，金鐘-默勒的MZN，這些旋轉(zhuǎn)雙斷點(diǎn)結(jié)構(gòu)都采取每極有單獨(dú)滅弧小室的結(jié)構(gòu)，以保證滅弧室后端的封閉，并在觸頭區(qū)放置產(chǎn)氣材料，以實(shí)現(xiàn)氣吹。圖1為幾個(gè)公司630A規(guī)格新系列產(chǎn)品與傳統(tǒng)單斷點(diǎn)產(chǎn)品的分?jǐn)嘈阅軐?duì)比。

圖中，單斷點(diǎn)的MCCB₁和MCCB₂是目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上出售的性能較好的兩種產(chǎn)品，由圖1可明顯看出：雙斷點(diǎn)的分?jǐn)嘈阅苓h(yuǎn)高于單斷點(diǎn)，它能做到I_cu ＝I_cs ,特別是690V時(shí)，單斷點(diǎn)分?jǐn)嘈阅芨汀?/p>

雙斷點(diǎn)結(jié)構(gòu)雖有尺寸小、性能高的優(yōu)點(diǎn)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工藝要求高，在性能上也有不足之處：首先，由于要保證兩個(gè)觸點(diǎn)處可靠接觸，其觸頭反力較大，加上力臂短，故在分?jǐn)嗟皖A(yù)期短路電流時(shí)，觸頭斥開(kāi)后易產(chǎn)生回落現(xiàn)象。圖2為取市場(chǎng)上Eaton公司額定電流相同的雙斷點(diǎn)與單斷點(diǎn)產(chǎn)品各一臺(tái)，在低預(yù)期電流條件下以振蕩回路供電進(jìn)行短路分?jǐn)嘣囼?yàn)。由分?jǐn)嗖ㄐ慰闯?，單斷點(diǎn)能正常分?jǐn)啵p斷點(diǎn)則產(chǎn)生動(dòng)觸頭跌落現(xiàn)象，導(dǎo)致燃弧時(shí)問(wèn)加長(zhǎng)，更甚者使動(dòng)靜觸頭重新閉合而熔焊，該現(xiàn)象說(shuō)明雙斷點(diǎn)結(jié)構(gòu)在低預(yù)期短路電流分?jǐn)鄷r(shí)，分?jǐn)嘈阅芊炊陀趩螖帱c(diǎn)。另一個(gè)問(wèn)題是，兩個(gè)斷口間接觸情況和分?jǐn)噙^(guò)程是否能保持一致。西安交通大學(xué)對(duì)一無(wú)專門(mén)滅弧小室的雙斷點(diǎn)MCCB進(jìn)行了測(cè)試，用二維光纖陣列快速攝像系統(tǒng)測(cè)得兩個(gè)斷口電弧運(yùn)動(dòng)圖像（見(jiàn)圖3），由圖可明顯看出兩個(gè)斷口處電弧進(jìn)入柵片過(guò)程的不一致。

為減弱動(dòng)觸頭跌落現(xiàn)象和兩個(gè)斷口接觸的不平衡，旋轉(zhuǎn)雙斷點(diǎn)斷路器需設(shè)計(jì)專門(mén)的觸頭斥開(kāi)后的卡住機(jī)構(gòu),并且轉(zhuǎn)軸和動(dòng)導(dǎo)電桿之間不采用剛性連接，這兩方面各公司都有自己的專利。

為適應(yīng)用戶對(duì)分?jǐn)嘈阅芤蟮牟町悾鞴綧CCB系列產(chǎn)品中都分成經(jīng)濟(jì)型、標(biāo)準(zhǔn)型、高分?jǐn)嘈秃统蘖餍偷阮悇e。對(duì)一個(gè)系列中各種類型結(jié)構(gòu)的選擇，目前有兩種方案：施耐德、ABB、GE、LG、金鐘-默勒等公司都采用雙斷點(diǎn)一統(tǒng)到底的方案，當(dāng)旋轉(zhuǎn)雙斷點(diǎn)結(jié)構(gòu)用于經(jīng)濟(jì)型和標(biāo)準(zhǔn)型時(shí)，采用簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低原材料要求來(lái)降低成本；而以三菱、富士和寺崎為代表的日本公司則以單斷點(diǎn)為主體結(jié)構(gòu)方案，以三菱WS新系列MCCB為例，250A以上結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖4）采用背后區(qū)域封閉結(jié)構(gòu)，提高了單斷點(diǎn)結(jié)構(gòu)分?jǐn)嘈阅埽?50A結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖5）采用每相有單獨(dú)滅弧小室，加上在滅弧室內(nèi)放置產(chǎn)氣材料來(lái)加強(qiáng)氣吹，這種結(jié)構(gòu)被稱為產(chǎn)氣材料侵蝕自動(dòng)氣吹技術(shù)。該系列中超級(jí)限流型則采用在傳統(tǒng)單斷點(diǎn)斷路器上附加限流頭，實(shí)現(xiàn)分?jǐn)鄷r(shí)多斷點(diǎn)分?jǐn)?，達(dá)到I_cu＝I_cs＝200kA。表1為兩種方案的比較。

2 永磁接觸器與智能接觸器

由于節(jié)能要求，國(guó)內(nèi)外對(duì)永磁操作的接觸器都給于了相當(dāng)?shù)闹匾?。目前，?guó)內(nèi)的很多方案在電磁鐵吸合位置依靠永磁來(lái)保持，當(dāng)電源斷電時(shí)存在失壓保護(hù)問(wèn)題。由施耐德公司提出，在國(guó)際上近期流行一種三氣隙永磁接觸器（見(jiàn)圖6），它依靠反力彈簧釋放，因而沒(méi)有失壓保護(hù)問(wèn)題。圖6（b）為其工作原理，其中，氣隙1和2是主工作氣隙，用于產(chǎn)生吸力，氣隙3用于主生釋放位置保持力，即反力。由于永磁起釋放保持力作用，可使反力彈簧力減小，加上吸合時(shí)永磁也參與吸引，因而可節(jié)能；其次，這種電磁結(jié)構(gòu)使鐵心中永磁和線圈產(chǎn)生的磁通相互抵消，鐵心中磁通密度降低，可減小鐵心尺寸。

對(duì)一線圈電壓為24V的三氣隙永磁接觸器進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，圖7、8分別為線圈加上額定電壓與臨界吸上電壓14V時(shí)的電流和行程曲線。由圖可見(jiàn)，在臨界吸上電壓時(shí)，與傳統(tǒng)直流操作的接觸器相似，鐵心的觸頭會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)，因而永磁接觸器更適合與智能操作結(jié)合起來(lái)組成智能永磁接觸器。圖9為帶電流反饋智能永磁接觸器框圖，交流輸入經(jīng)整流生，采用PWM方式，通過(guò)電力電子開(kāi)關(guān)MOSFET給線圈供電，中央控制模塊接收線圈電流的反饋信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)MOSFET的控制，不同的線圈電流對(duì)應(yīng)不同的調(diào)制占空比，從而在電磁鐵吸合中保持線圈中通過(guò)的電流不變，這就不會(huì)產(chǎn)生一般直流電磁鐵在臨界吸合電壓下銜鐵抖動(dòng)現(xiàn)象。由仿真獲得的動(dòng)態(tài)過(guò)程電流的行程變化曲線如圖10所示。

智能永磁接觸器還可通過(guò)吸合后改變占空比進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)節(jié)能，在吸合過(guò)程中，保持線圈電流I_x不變，并使其對(duì)應(yīng)的吸力特性公稍高于反力特性，以降低動(dòng)鐵心的動(dòng)能；當(dāng)動(dòng)鐵心吸合后，線圈電流低，并保持在Ib以節(jié)能（見(jiàn)圖11）。因而，智能永磁接觸器由于能實(shí)現(xiàn)動(dòng)鐵心的軟著陸，大幅度提高了接觸器的壽命，并能進(jìn)一步節(jié)能。

3 電弧測(cè)量新技術(shù)與氣吹機(jī)理

由于電弧磁流體動(dòng)力學(xué)模型尚不完善，依靠仿真來(lái)實(shí)現(xiàn)滅弧的優(yōu)化設(shè)計(jì)還為時(shí)過(guò)早，因而新的滅弧室開(kāi)發(fā)主要依靠電弧的現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)，其中最主要是滅弧室內(nèi)電弧運(yùn)動(dòng)的監(jiān)察，現(xiàn)有的方法是利用快速攝像機(jī)和二維光纖攝像系統(tǒng)。最近，法國(guó)Montluconand Christian Arnoux電氣技術(shù)實(shí)驗(yàn)室與施耐德公司合作研究一種基于磁場(chǎng)逆問(wèn)題的磁攝像技術(shù)，其原理是把霍爾傳感器布置在滅弧室兩側(cè)，當(dāng)電弧在滅弧室內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)測(cè)得的磁場(chǎng)，利用逆問(wèn)題算出空間的電流密度分布，然后確定電弧在每一瞬間的位置。測(cè)量中把電弧看作多條垂堆6面體單元體積的并行堆積，并假定電流在單元體內(nèi)均勻分布，根據(jù)磁傳感器測(cè)得磁場(chǎng)BA，可用下式計(jì)算出每個(gè)單元的電流密度i,從而確定電弧位置。

式中：N為傳感器個(gè)數(shù)；g為矩陣中系數(shù)。

該實(shí)驗(yàn)室用這種方法測(cè)量一模型滅弧室中電弧從動(dòng)觸頭轉(zhuǎn)移到跑弧道的過(guò)程，短路預(yù)期電流為12kA,測(cè)試針對(duì)3種不同的觸頭材料進(jìn)行，其中，材料a為Cu,材料為AgWC,材c為AgC。圖12（a）為測(cè)試裝置，平行跑弧道長(zhǎng)80mm，寬4mm，電極間隙20mm，霍爾傳感器放置于模型兩側(cè)，每邊20個(gè)傳感器，兩個(gè)傳感器間距為1mm；圖12顯示了3種材料在電弧轉(zhuǎn)移前瞬間t₁、開(kāi)始轉(zhuǎn)移瞬間t₂ 、轉(zhuǎn)移后瞬間t₃ 的電弧圖像，觸頭材料Cu轉(zhuǎn)移得最快。

作為一種新方法，其優(yōu)點(diǎn)是不破壞滅弧室外殼，但易受滅弧室內(nèi)導(dǎo)磁體的影響，當(dāng)滅弧室內(nèi)有磁屏蔽時(shí)則不能用。3種電弧攝像系統(tǒng)對(duì)比如表2所示。

氣吹技術(shù)目前已廣泛應(yīng)用于低壓斷路器的滅弧，但多位學(xué)者通過(guò)測(cè)量都發(fā)現(xiàn)，滅弧室內(nèi)電弧下方壓力低于前方壓力，這種壓力分布，按電弧將向下方運(yùn)動(dòng)而不是向前運(yùn)動(dòng)。近年來(lái)，西安交通大學(xué)和德國(guó)布朗斯瓦許大學(xué)通過(guò)氣體動(dòng)力學(xué)和磁流體動(dòng)力分析和仿真，出了一個(gè)觀點(diǎn)，得即氣吹作用是由于電弧生成的激波反射造成的。西安交通大學(xué)采用流體動(dòng)力學(xué)中守恒方程與鏈?zhǔn)诫娀∧Ｐ拖嘟Y(jié)合的數(shù)學(xué)模型，仿真了一簡(jiǎn)單模型滅弧室內(nèi)壓力傳播和分布過(guò)程（見(jiàn)13），滅弧室長(zhǎng)0.27m,截面積2.0×10^-3m²,左端封閉，在右端x＝b＝0.27m處有大小為2.0×10^-4m²的出氣口。電弧初始位置為x＝a＝0.12m。滅弧室受恒定磁場(chǎng)B＝0.001T作用，方向指向紙外。取分?jǐn)嚯娏鳛?0kA，仿真結(jié)果如圖14所示。燃弧后t＝0.75ms,可見(jiàn)生成的左行和右行激波；當(dāng)t=0.75ms，左行激波己接近滅弧室底部；當(dāng)t=0.80ms,左行激波通過(guò)底部產(chǎn)生壓力波反射，而右行激波到達(dá)右瑞，由于右端有出氣口，反射出壓力波和膨脹波，膨脹波使滅弧室右端處壓力降低；當(dāng)t＝1.20ms,兩端反射波在滅弧室中部形成高壓區(qū)，這一與出氣口處壓力梯度是造成氣吹的來(lái)源，這說(shuō)明氣吹作用是由于電弧生成的激波反射造成的。

圖15為德國(guó)布朗斯瓦許大學(xué)利用電弧磁流體動(dòng)力學(xué)模型在一個(gè)簡(jiǎn)單滅弧室進(jìn)行電弧運(yùn)動(dòng)仿真獲得的電弧運(yùn)動(dòng)圖像、激波反射和壓力分布。當(dāng)t=10μs,電弧點(diǎn)燃，點(diǎn)燃后產(chǎn)生激波向上下端移動(dòng)，到達(dá)底部；t=15μs時(shí)產(chǎn)生壓力波反射；在t=25μs時(shí)推動(dòng)電弧，該過(guò)程反復(fù)使電弧向前運(yùn)動(dòng)，向上運(yùn)動(dòng)的激波在t=35μs達(dá)到柵片下端；而在t=45底部第1個(gè)反射波達(dá)到該處，激波速度達(dá)400～600m/s。第1個(gè)向上激波在t=78μs到達(dá)頂端后產(chǎn)生膨脹波（90μs，100μs）,向下反射，使內(nèi)部壓力下降（140μs,200μs）。在時(shí)間段300μs內(nèi)電弧向上運(yùn)動(dòng)，在380μs時(shí)負(fù)氣壓充滿了滅弧室，造成了電弧反向運(yùn)動(dòng)，當(dāng)380μs時(shí)壓力分布又反了過(guò)來(lái)，使電弧繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，550μs時(shí)電弧抵達(dá)柵片下端，然后沿著柵片拉長(zhǎng)和彎曲，并受到柵片的冷卻，在激波作用下，在分?jǐn)噙^(guò)程中滅弧室壓力分布不斷變化，并影響電弧的運(yùn)動(dòng)。根據(jù)上述的氣吹形成機(jī)理可解釋新型滅弧室設(shè)計(jì)為什么要封閉后端，因?yàn)檫@有利于壓力波在底部反射。

4 虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用與推廣

虛擬樣機(jī)技術(shù)改變了傳統(tǒng)以經(jīng)驗(yàn)和模仿為主的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)模式，是一種開(kāi)關(guān)電器新的研發(fā)平臺(tái)，它不但可用于研制有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新產(chǎn)品，還可用于改進(jìn)老產(chǎn)品，例如某低壓電器生產(chǎn)廠依靠廠校合作，通過(guò)仿真把800A MCCB靜導(dǎo)電回路由原平板進(jìn)線靜導(dǎo)桿改成平行U形進(jìn)線扁平靜導(dǎo)桿（見(jiàn)圖16），這種改進(jìn)保持了原觸頭開(kāi)距不變，強(qiáng)了吹弧磁場(chǎng)，增改進(jìn)的效果顯著，使分?jǐn)嗄芰τ?5kA增大至85kA（見(jiàn)圖17）。新能源的開(kāi)發(fā)，力發(fā)電的推廣應(yīng)用，風(fēng)加上低壓電器的小型化和高性能，使額定電壓為690V的開(kāi)關(guān)電器受到重視，該電壓等級(jí)的低壓電器工作的電壓峰值可高至1073V。另一方面，電器小型化涉及電器的發(fā)熱問(wèn)題，而發(fā)熱又直接影響到電器的絕緣，因而新型電器的設(shè)計(jì)必須同時(shí)考慮絕緣和發(fā)熱的問(wèn)題。長(zhǎng)期以來(lái)只有高壓電器才需要進(jìn)行電場(chǎng)仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)，但在新的形勢(shì)下，低壓電器的絕緣計(jì)算也變得重要起來(lái)。最近Rock-well公司的FREI等人用一種把三維場(chǎng)簡(jiǎn)化為二維場(chǎng)的簡(jiǎn)化計(jì)算方法，進(jìn)行了MCCB電場(chǎng)仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)。圖18為MCCB塑料底座上電極（雙金屬片和靜觸頭導(dǎo)體等）的布置，圖19為原設(shè)計(jì)仿真計(jì)算所得二維電場(chǎng)分布，圖20為優(yōu)化設(shè)計(jì)后的二維電場(chǎng)分布，比兩者可看出，對(duì)原設(shè)計(jì)最高點(diǎn)的電場(chǎng)達(dá)2.43kV/mm,而優(yōu)化設(shè)計(jì)后最高點(diǎn)的電場(chǎng)已降至1.24kV/mm其他各處電場(chǎng)也有明顯降低。

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