楊義政, 楊文學(xué), 楊 園, 李惠敏

(上海良信電器股份有限公司,上海 200137)

0 引 言

斷路器能接通、承載及分?jǐn)嗾９ぷ麟娏?也能分?jǐn)噙^(guò)載電流及短路電流[1-4]。低壓斷路器的滅弧系統(tǒng)一般都采用柵片切割電弧和冷卻電弧原理,并依靠觸頭導(dǎo)電回路產(chǎn)生的磁場(chǎng)驅(qū)使電弧進(jìn)入滅弧室[5-8]。

為了讓試驗(yàn)樣機(jī)能夠滿足AC 415、690、800 V不同電壓下高的電壽命指標(biāo),同時(shí)也為了提升對(duì)開(kāi)關(guān)電弧和滅弧系統(tǒng)的理論水平,對(duì)電弧停滯現(xiàn)象進(jìn)行了有針對(duì)性的研究。

1 電弧停滯現(xiàn)象機(jī)理

電弧停滯時(shí)間的定義[2]:低壓開(kāi)關(guān)電器在開(kāi)斷過(guò)程中,電弧在觸頭間呈現(xiàn)到電弧開(kāi)始運(yùn)動(dòng),需要一定時(shí)間,這段時(shí)間稱為電弧停滯時(shí)間ti,電弧停滯時(shí)間的定義如圖1所示。從電弧電壓波形來(lái)看,ti是指從觸頭開(kāi)斷瞬間to到電弧電壓波形突然上升的時(shí)刻t1之間的時(shí)間間隔,即ti=t1-to。

電弧停滯時(shí)間對(duì)電壽命性能的影響:斷路器觸頭的電壽命決定于觸頭的電弧侵蝕。這主要是由于開(kāi)斷時(shí)電弧的高溫所造成的,所以當(dāng)觸頭開(kāi)斷時(shí),使電弧斑點(diǎn)迅速移動(dòng)并離開(kāi)觸頭轉(zhuǎn)移到弧角上,即減小電弧停滯時(shí)間,將大大有利于提高觸頭的壽命。若觸頭開(kāi)斷有效值為I的正弦交流電,則電弧停滯時(shí)間ti與觸頭侵蝕量M的關(guān)系可表示為

(1)

式中:k——與材料有關(guān)的常數(shù),取1.14×10-8(銀合金)。

若取to=0,對(duì)于銀合金材料,電弧停滯時(shí)間與觸頭間侵蝕量的關(guān)系如圖2所示,計(jì)算值是由式(1)計(jì)算所得,與試驗(yàn)結(jié)果的變化趨勢(shì)是一致的。

2 觸頭滅弧系統(tǒng)的電場(chǎng)仿真

對(duì)觸頭滅弧系統(tǒng)進(jìn)行電場(chǎng)分析,從電場(chǎng)的角度詳細(xì)分析現(xiàn)有的滅弧系統(tǒng)和觸頭系統(tǒng)設(shè)計(jì),查找出能夠改善的技術(shù)突破點(diǎn),并依據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)驗(yàn)證,希望最終實(shí)現(xiàn)預(yù)期的電壽命指標(biāo)。文獻(xiàn)[3]給出了利用Ansys進(jìn)行電磁學(xué)有限元分析的具體方法,現(xiàn)有的觸頭滅弧系統(tǒng)不配備增磁塊,新設(shè)計(jì)了U型增磁塊的技術(shù)方案,通過(guò)仿真來(lái)對(duì)比兩種不同的技術(shù)方案,在電壽命條件下,電弧在銀點(diǎn)區(qū)域(位置1)、電弧轉(zhuǎn)移到動(dòng)觸頭弧角區(qū)域(位置2)、動(dòng)觸頭打開(kāi)1 mm開(kāi)距、2 mm開(kāi)距、3 mm開(kāi)距不同情況下,電弧受到的磁場(chǎng)力的對(duì)比情況,并根據(jù)仿真結(jié)果,指導(dǎo)后續(xù)的試驗(yàn)驗(yàn)證。觸頭滅弧系統(tǒng)的材料配置如表1所示。10#鋼磁化曲線如表2所示,材料的導(dǎo)電率如表3所示,其中銀合金按照純銀導(dǎo)電率處理。

在位置1的仿真中,將電弧模擬成三段,其中J1代表電弧靠近靜觸頭區(qū)域段,H1代表動(dòng)靜觸頭中間區(qū)域段,D1代表電弧靠近動(dòng)觸頭區(qū)域段。電弧位置1動(dòng)觸頭開(kāi)距分別為1、2、3 mm的磁吹力比對(duì)如圖3～圖5所示。位置1(即剛起弧的銀點(diǎn)區(qū)域)磁吹力仿真如表4所示,磁吹力由于坐標(biāo)系X軸設(shè)置關(guān)系,正面的磁吹力力值顯示為負(fù)數(shù);其中,在D1電弧段開(kāi)距2 mm條件下磁吹力提升比例達(dá)到85.19%,配備導(dǎo)磁塊與不配備導(dǎo)磁塊相比,磁吹力得到了大幅提升。

表1 觸頭滅弧系統(tǒng)的材料配置

表2 10#鋼磁化曲線

表3 材料的導(dǎo)電率

表4 位置1(即剛起弧的銀點(diǎn)區(qū)域)磁吹力仿真

在位置2的仿真中,將電弧模擬成九段,其中J1代表電弧靠近靜觸頭區(qū)域第一段,H3代表動(dòng)靜觸頭中間區(qū)域第三段,D2代表電弧最靠近動(dòng)觸頭區(qū)域段,其他電弧段以此類推。電弧位置2動(dòng)觸頭開(kāi)距分別為1、2、3 mm的磁吹力比對(duì)如圖6～圖8所示。位置2(即電弧離開(kāi)銀點(diǎn)轉(zhuǎn)移到動(dòng)觸頭弧角區(qū)域)磁吹力仿真如表5所示,磁吹力由于坐標(biāo)系X軸設(shè)置關(guān)系,正面的磁吹力力值顯示為負(fù)數(shù);由表5可知,當(dāng)電弧離開(kāi)了銀點(diǎn)區(qū)域轉(zhuǎn)移到動(dòng)觸頭弧角區(qū)域時(shí),U型增磁塊對(duì)電弧磁吹力的影響已經(jīng)很小。

無(wú)增磁塊技術(shù)方案如圖9所示。U型增磁塊技術(shù)方案如圖10所示。

比較以上磁吹力數(shù)據(jù)和可視化圖形,可以看出:

表5 位置2(即電弧離開(kāi)銀點(diǎn)轉(zhuǎn)移到動(dòng)觸頭弧角區(qū)域)磁吹力仿真

(1) 在電弧剛起弧階段,此時(shí)電弧處于銀點(diǎn)區(qū)域,電弧會(huì)對(duì)銀點(diǎn)產(chǎn)生強(qiáng)烈的損耗作用,配備了U型增磁塊的技術(shù)方案,在D1電弧段開(kāi)距2 mm條件下磁吹力提升比例達(dá)到85.19%,配備增磁塊與不配備增磁塊相比,磁吹力得到了大幅提升,能夠有效的讓電弧更快地離開(kāi)銀點(diǎn),降低電弧停滯時(shí)間。

(2) 隨著電弧從銀點(diǎn)區(qū)域轉(zhuǎn)移到動(dòng)觸頭弧角區(qū)域,配備了U型增磁塊的技術(shù)方案與原始技術(shù)方案比較,磁吹力無(wú)明顯變化。

對(duì)于以上分析結(jié)果,U型增磁塊技術(shù)方案相較于原方案電弧從銀點(diǎn)轉(zhuǎn)移至動(dòng)觸頭弧角更快,利于保護(hù)銀點(diǎn),有利于降低電弧停滯時(shí)間,減少電壽命過(guò)程中銀點(diǎn)損耗。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 高速相機(jī)拍攝電弧運(yùn)動(dòng)

結(jié)合仿真結(jié)果,設(shè)計(jì)了4種對(duì)比技術(shù)方案,其中序號(hào)1為使用U型增磁塊和不配備增磁塊的技術(shù)方案對(duì)比,目的是對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證;序號(hào)2為常規(guī)的產(chǎn)品與拆除1相動(dòng)觸頭后的產(chǎn)品,目的是驗(yàn)證降低動(dòng)觸頭轉(zhuǎn)動(dòng)慣量從而加快動(dòng)觸頭打開(kāi)速度的效果;序號(hào)3為常規(guī)2.0 mm 15片柵片和2.5 mm 13片柵片的對(duì)比技術(shù)方案,比對(duì)相同滅弧室空間不同厚度柵片配置的效果;序號(hào)4對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),消除觸頭停滯,并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證;使用高速相機(jī)拍攝電弧運(yùn)動(dòng)軌跡,記錄不同對(duì)比技術(shù)方案的電弧停滯時(shí)間如表6所示。

表6 記錄不同對(duì)比技術(shù)方案的電弧停滯時(shí)間

高速相機(jī)拍攝的電弧運(yùn)動(dòng)軌跡如圖11所示?？芍?U型增磁塊對(duì)能小幅度降低電弧停滯時(shí)間;加快動(dòng)觸頭動(dòng)作速度,能小幅度降低電弧停滯時(shí)間;增厚滅弧柵片,能小幅度降低電弧停滯時(shí)間;消除觸頭停滯,能最大幅度降低電弧停滯時(shí)間。

3.2 電壽命試驗(yàn)驗(yàn)證

經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算和高速相機(jī)拍攝電弧運(yùn)動(dòng)軌跡后,改進(jìn)了技術(shù)方案,根據(jù)仿真結(jié)果優(yōu)化了滅弧室和動(dòng)觸頭設(shè)計(jì),優(yōu)化了產(chǎn)品機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu),消除了動(dòng)觸頭打開(kāi)過(guò)程的停滯問(wèn)題,配置了U型增磁塊,并進(jìn)行了電壽命試驗(yàn),產(chǎn)品的電壽命性能得到了大幅度的提升。電壽命性能對(duì)比如表7所示。通過(guò)對(duì)電壽命波形圖分析得知,原始方案燃弧時(shí)間達(dá)到22.1 ms,電弧停滯時(shí)間達(dá)到11 ms。原始方案電壽命試驗(yàn)波形圖如圖12所示。改進(jìn)方案燃弧時(shí)間縮短到6.34 ms,電弧停滯時(shí)間縮短到3 ms。改進(jìn)方案電壽命試驗(yàn)波形圖如圖13所示。通過(guò)縮短電弧停滯時(shí)間和燃弧時(shí)間,大大減少銀點(diǎn)損耗,提升電壽命性能。

表7 電壽命性能對(duì)比

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)觸頭區(qū)域的磁場(chǎng)、觸頭的開(kāi)斷速度、滅弧室的結(jié)構(gòu)、觸頭運(yùn)動(dòng)停頓這4個(gè)因素進(jìn)行性能比對(duì)分析,發(fā)現(xiàn)配置有U型增磁塊能夠降低電弧停滯時(shí)間,觸頭開(kāi)斷速度越快,電弧停滯時(shí)間越短,較厚的滅弧柵片能夠降低電弧停滯時(shí)間,觸頭停頓對(duì)電弧停滯時(shí)間影響極大。結(jié)果表明,電弧停滯時(shí)間越短,斷路器電壽命性能越高。

通過(guò)對(duì)電弧停滯機(jī)理的分析闡述,使用磁場(chǎng)仿真手段分析不同技術(shù)方案的磁場(chǎng)分布差異對(duì)電弧運(yùn)動(dòng)的影響,借助高速相機(jī)拍攝電弧運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了理論與實(shí)際相結(jié)合的驗(yàn)證方法,為分析提升交流斷路器電壽命提供了更加科學(xué)的方法。