摘" 要：

針對小型低壓直流斷路器在開斷臨界負載電流時，由于電弧所受磁吹和氣吹作用較弱，電路開斷困難的問題，在靜觸頭組件拐角處增加1個永磁體。分析小型低壓直流斷路器的熄弧機理，并對增加永磁體前后的小型低壓直流斷路器進行磁場仿真和試驗驗證。結果表明，增加永磁體可以增強電弧所處位置磁場強度，增大電弧受到的洛倫茲力，有助于提高小型低壓直流斷路器開斷臨界負載電流的能力。

關鍵詞：

小型低壓直流斷路器; 永磁體; 磁場強度; 臨界負載電流; 試驗標準

中圖分類號： TM561

文獻標志碼： A

文章編號： 2095-8188（2024）10-0026-05

DOI：

10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.10.004

縱月菊（2000—），女，碩士研究生，研究方向為小型直流斷路器。

李" 靖（1967—），男，教授，研究方向為高低壓電氣基礎理論與應用技術、直流斷路器等。

江" 松（1972—），男，工程師，主要從事低壓斷路器的開發(fā)工作。

Study on Improving Critical Load Current Breaking Ability of Miniature Low Voltage DC Circuit Breaker with Permanent Magnet

ZONG Yueju1，" LI Jing1，" JIANG Song2，" GAN Yunjian2

（1.College of Electrical and Electronic Engineering， Wenzhou University， Wenzhou 325000， China;

2.Zhejiang Chuangqi Electric Co.，Ltd.， Wenzhou 325603， China）

Abstract：

When the small low voltage DC circuit breaker breaks the critical load current，it is difficult to break the circuit because of the weak effect of magnetic blowing and gas blowing on the arc.A permanent magnet is added at the corner of the static contact assembly.Through analyzing the quenching mechanism of miniature low voltage DC circuit breaker，the magnetic field simulation and test verification of miniature low voltage DC circuit breaker before and after adding permanent magnet are carried out.The results show that the addition of permanent magnets can enhance the magnetic field intensity at the position of the arc，increase the Lorentz force of the arc，and help the miniature low voltage DC circuit breaker to improve the ability of breaking the critical load current.

Key words：

miniature low voltage DC circuit breaker; permanent magnet; magnetic field strength; critical load current; test standard

0" 引" 言

我國新型基礎設施建設（簡稱新基建）為直流電力系統(tǒng)的發(fā)展提供了機遇，而直流斷路器作為保護直流系統(tǒng)的關鍵設備，也得到了廣泛應用。在線路發(fā)生過載或短路故障時，直流系統(tǒng)中較低的阻抗使得線路電流快速上升，輕則增加線路損耗，重則損害電力設備、造成嚴重安全事故［1］。

直流電路開斷與交流電路開斷不同。交流電的電流波形為正弦波，1個周期有2個自然過零點，電流過零點時電弧能量弱，電弧容易熄滅。而直流電流沒有自然過零點，斷口間等離子體的消游離條件差，熄滅電弧較為困難［2］。在直流斷路器開斷直流電路的過程中存在臨界負載電流，即在使用條件范圍內燃弧時間明顯延長的分斷電流［3］。因其值遠小于直流斷路器的額定電流，產生的自勵磁場小，電弧會在觸頭區(qū)域停滯并持續(xù)燃燒，導致直流斷路器開斷失敗。因此，優(yōu)化直流斷路器的開斷性能對保護設備和線路的安全可靠運行有著重要的作用。

1" 直流斷路器熄弧機理

直流斷路器在大氣中開斷電路時，如果被開斷的電流為0.25～1.00 A、電路開斷后加在觸頭上的電壓為12～20 V，則在觸頭間隙中通常會產生一團溫度極高、發(fā)出強光且能夠導電的近似圓柱形的氣體，這就是電?。?］。

直流斷路器開斷電路時的等效電路如圖1所示。其中包括直流電壓源E、回路電阻R、直流斷路器QF和回路電感L。正常工作情況下，回路中將有電流I流過。

在直流斷路器觸頭從閉合到打開的過程中，隨著觸頭分開距離的增大，電弧開始燃燒。此時電路中電弧兩端的電壓為

Uh=E-LdIhdt-IhR（1）

式中：" Uh——電弧電壓，即直流斷路器兩端的電壓;

Ih——電弧電流。

為求解各部分能量的變化，將式（1）兩邊同時乘以Ihdt再進行積分，可得：

∫th0UhIhdt=∫th0EIhdt-∫th0RIhdt+LI2h02（2）

式中：" Ih0——開始產生電弧時的電流;

th——燃弧時間，指從電弧在直流斷路器觸頭間產生到完全熄滅的時間。

由式（2）可知，電感作為儲能元件，其容量值越大，儲存的能量越多，電弧熄滅就越困難。當感性回路被切斷時，在動、靜觸頭間隙將起弧，電感中儲存的能量大部分以光能和熱能的形式釋放到弧隙中。當負載為純阻性時，電弧比較容易熄滅［5］。

當回路電流Ih很小時，斷路器QF觸頭打開產生的電弧能量也很小，直流斷路器內部電磁場產生的電動力已不能驅動電弧運動，電弧在觸頭區(qū)域持續(xù)燃燒。當觸頭完全打開時，電弧拉到最長，此時電弧電壓維持在較低的水平，電源持續(xù)供給能量，電弧在觸頭間持續(xù)燃燒，具有安全隱患。

針對塑殼式直流斷路器，滿家健等［6］通過增加磁吹系統(tǒng)、增大觸頭區(qū)域和跑弧區(qū)域的磁場，為電弧提供更大的磁吹力。涂煜等［7］設計不同的磁吹裝置結構，使電弧弧根在引弧角處快速移動，有助于電弧熄滅。徐凱等［8］綜合考慮磁吹裝置的結構、直流斷路器開斷正反雙向小電流時鐵心中存在的剩磁，對直流斷路器磁吹裝置進行優(yōu)化設計，提高了斷路器的開斷能力。上述文獻有1個共同點：通過外加磁吹裝置，增大直流斷路器的內部磁場，從而使電弧熄滅。包玉良等［9］通過對直流空氣斷路器觸頭邊緣弧根停滯的根本原因進行仿真分析，得出隨著磁感應強度的增大，洛倫茲力增大，電弧運動速度加快，觸頭邊緣弧根停滯時間變短。

2" 仿真分析

為解決臨界負載電流電路不易開斷的問題，本文在小型低壓直流斷路器靜觸頭組件拐角處增加1個永磁體，以增強臨界負載電流所處的磁場，避免發(fā)生持續(xù)燃弧的情況。

直流電弧所受洛倫茲力F可用式（3）計算，安培力FA是洛倫茲力的宏觀表現，可用式（4）計算得到。

F=Bqvsinθ（3）

FA=BILh（4）

式中：" B——電弧所處磁場;

q——帶電粒子的電荷量;

v——入射的帶電粒子速度;

θ——q與v的夾角;

I——電弧電流;

Lh——電弧長度。

從洛倫茲力的角度分析電弧的受力情況可知，保持B、v、θ不變時，I越小，則q越小、洛倫茲力越小，不利于推動直流電弧往滅弧室運動。

隨著科學技術的發(fā)展，虛擬樣機技術的出現使人們可以在進行樣機試驗之前通過仿真軟件進行仿真分析。運用麥克斯韋方程組對電弧所處磁場進行仿真計算，具體方程為

SymbolQC@ × B = -μJ （5）

SymbolQC@ × E = -B t（6）

SymbolQC@ B" = 0（7）

式中：" B ——磁感應強度矢量;

μ——介質的磁導率;

J ——電流密度矢量;

E ——電場強度矢量。

本文建立的小型低壓直流斷路器仿真模型包括電磁系統(tǒng)、動觸頭、靜觸頭、引弧板以及滅弧柵片等。不同結構形式下的磁場仿真如圖2所示。永磁體的體積越大，產生的磁場越強。由于靜觸頭拐角處的空間有限，最終設定永磁體的仿真外形為半徑2 mm、高5 mm的半圓柱與長4 mm、寬3 mm、高5 mm的長方形的組合。仿真過程中，曾將永磁體放置在跑弧道處，但放置在該位置對觸頭區(qū)域磁場的增強效果不如放置在靜觸頭拐角處的效果好。施加的激勵為直流電流，為保證電流路徑的連通，繪制了1根銅導線方便電流流過。

仿真過程中，對永磁體賦予鋁鎳鈷材料，利用左手定則判斷充磁方向，當充磁方向沿Z軸正向，產生的洛倫茲力的方向為往滅弧室方向，故對永磁體沿Z軸正向充磁。施加63 A的電流、添加邊界條件、劃分網格、設置求解要求，并對銅導線施加洛倫茲力。仿真完成后，對有無永磁體的斷路器內部區(qū)域的磁場進行了比較。磁感應強度B在XZ平面的分布云圖如圖3所示。

仿真中，將2種斷路器磁感應強度的最大值與最小值設置一樣。比較可知，增加永磁體后，磁感應區(qū)域變大，磁場也增強。比較洛倫茲力的大小，前者為0.96 mN，后者為8.16 mN，是前者的近9倍。

3" 加裝永磁體的臨界負載電流開斷試驗

3.1" 試驗標準

遵循GB/T 14048.2—2008《低壓開關設備和控制設備 第2部分：斷路器》中，并未具體規(guī)定直流斷路器的臨界負載電流的考核方法。劉清霞等［10］為尋找臨界負載電流，自制了方案及考核方法：試驗電流為5%～200%額定電流（試驗電流間隔為5%），每個電流進行10次CO操作，測試其燃弧時間，以最長的燃弧時間下的電流為臨界負載電流;在相應電流下，進行100次的CO操作。CO操作表示1次閉合操作以及緊接著1次自動斷開［11］，這種方法能準確找到臨界負載電流，但試驗次數多，存在耗費人力物力的問題。

目前，檢測小型低壓直流斷路器能否成功開斷臨界電流主要遵循3個標準，即GB/T 14048.2—2020《低壓開關設備和控制設備 第2部分：斷路器》、GB/T 10963.2—2020《電氣附件 家用及類似場所用過電流保護斷路器 第2部分：用于交流和直流的斷路器》和GB/T 10963.3—2016《家用及類似場所用過電流保護斷路器 第3部分：用于直流的斷路器》。GB/T 14048.2—2020中的臨界直流負載電流試驗，試驗電流為4 A、8 A、16 A、32 A和63 A，正反CO操作各5次［11］。GB/T 10963.2—2020和GB/T 10963.3—2016中的試驗為在150 A及以下的小直流電流試驗，試驗電流為1 A、2 A、4 A、8 A、16 A、32 A、63 A和150 A，需進行3次CO操作;不同試驗電流之間的時間間隔至少應為2 min，觀察其能否成功開斷電流［12-13］。無論哪個國家標準的試驗，其目的都是識別臨界負載電流電弧，防止其產生更大的危害。

3.2" 試驗分析

本文以GB/T 14048.2—2020為例，小型低壓直流斷路器加裝永磁體前后開斷臨界負載電流能力試驗電路如圖4所示。圖4中，S為電源，Ur1、Ur2為電壓傳感器，V為電壓測量器，Z為負載電路，D為被測直流斷路器，B為整定用臨時連接線，I1為電流傳感器，T為接地點，回路有且僅有1點接地。

電路由電源、負載電路、被試電器和保護電路組成，試驗在自由空氣中進行。試驗選取1P、63 A、220 V未加裝和加裝永磁體的小型低壓直流斷路器各3只，在GB/T 14048.2—2020的要求下進行。時間常數為4 ms，試驗中電壓允差為±5%，時間常數允差為±10%。

試驗中，分別測量小型低壓直流斷路器進出線端的電壓、回路電流波形。被試電器在閉合或打開狀態(tài)但產生的電弧已熄滅時，測量的電壓為電源電壓，測量的電流為回路電流;被試電器在打開狀態(tài)但產生的電弧未熄滅時，測量的電壓為電弧電壓，測量的電流為電弧電流。試驗發(fā)現，未加裝永磁體的小型低壓直流斷路器在16 A試驗電流下出現了持續(xù)燃弧現象，該斷路器無法依靠自身介質熄滅電弧，最終通過關閉電源熄滅電弧。

對加裝永磁體的小型低壓直流斷路器進行臨界負載電流實驗，小型直流斷路器加裝永磁體后8 A第2次CO測試和63 A第5次CO測試波形分別如圖5、圖6所示。通過分析試驗得到的波形，發(fā)現最長燃弧時間出現在試驗電流為8 A、第2次CO操作時，為37.61 ms;最短燃弧時間出現在試驗電流為63 A、第5次CO操作時，為11.81 ms。在試驗過程中未出現持續(xù)燃弧現象，增加永磁體的小型低壓直流斷路器均能開斷測試電流。燃弧時間表如表1所示。

4" 結" 語

本文先從理論方面分析了小型低壓直流斷路器在開斷臨界負載電流時電弧難以熄滅的原因，然后在小型低壓直流斷路器靜觸頭組件拐角處增加1個永磁體，通過磁場仿真和試驗相結合的方法，驗證了增加永磁體可以避免小型低壓直流斷路器開斷臨界負載電流時發(fā)生持續(xù)燃弧的情況。

總結前期所做試驗結果可得，小型低壓直流斷路器的臨界負載電流一般在6～16 A，希望在將來的直流斷路器標準中，增加臨界負載電流的試驗電流的數量，找到更加準確的臨界負載電流值。直流斷路器內部的損傷隨著試驗次數的增加而增加，試驗電流數量的增加，對其質量提出了更高的要求。

【參 考 文 獻】

［1］" 成達，張蓬鶴，熊素琴，等.新型低壓小型直流斷路器研究綜述［J］.電器與能效管理技術，2022（11）：1-8.

［2］" 王文強，高原彬，康志林.低壓斷路器臨界直流負載電流試驗探討［J］.機械研究與應用，2021，34（4）：115-117.

［3］" 國家市場監(jiān)督管理總局，國家標準化管理委員會.低壓開關設備和控制設備 第1部分：總則：GB/T 14048.1—2023［S］.北京：中國標準出版社，2023.

［4］" 郭鳳儀，李靖.電器學［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2013.

［5］" 孔祥斌，矯財東，趙亮，等.直流斷路器在不同時間常數下臨界負載電流的測試及分析［J］.電器與能效管理技術，2018（22）：77-81.

［6］" 滿家健，孫昊，寧嘉琦，等.直流空氣斷路器小電流開斷試驗研究［J］.電器與能效管理技術，2015（8）：8-11.

［7］" 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.

［8］" 徐凱，李治軍，祝聰，等.小電流分斷吹弧磁場仿真及試驗研究［J］.船電技術，2022，42（8）：27-30.

［9］" 包玉良，李靜，段薇，等.直流開斷中觸頭邊緣弧根停滯現象及影響因素研究［J］.電器與能效管理技術，2024（4）：30-37.

［10］" 劉清霞，王國忠，吳衛(wèi)東.直流斷路器臨界負載電流測試分析［J］.電器與能效管理技術，2016（22）：55-56，60.

［11］" 國家市場監(jiān)督管理總局，國家標準化管理委員會.低壓開關設備和控制設備 第2部分：斷路器：GB/T 14048.2—2020［S］.北京：中國標準出版社，2020.

［12］" 國家市場監(jiān)督管理總局，國家標準化管理委員會.電氣附件 家用及類似場所用過電流保護斷路器 第2部分：用于交流和直流的斷路器：GB/T 10963.2—2020［S］.北京：中國標準出版社，2020.

［13］" 國家市場監(jiān)督管理總局，國家標準化管理委員會.家用及類似場所用過電流保護斷路器 第3部分：用于直流的斷路器：GB/T 10963.3—2016［S］.北京：中國標準出版社，2016.

收稿日期： 20240805