摘要：分析和討論了近期低壓電器的若干新技術(shù)，如斷路器單斷點與雙斷點分?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)電弧測試與氣吹機理設(shè)計新型滅弧室、虛擬樣機的應(yīng)用提高了斷路器分?jǐn)嗄芰?。這些新技術(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)；電弧測試；虛擬樣機

0 引言

電力事業(yè)發(fā)展對低壓開關(guān)電器質(zhì)和量的要求越來越高，這就促進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)。氣吹和雙斷點技術(shù)的應(yīng)用，促進了新一代低壓斷路器開發(fā)；永磁接觸器及其智能控制大幅度提高了接觸器的性能，實現(xiàn)了節(jié)能；新的電弧測試技術(shù)有助于改進滅弧室的設(shè)計；虛擬樣機技術(shù)建立了低壓電器嶄新的研發(fā)平臺。

1 單斷點與雙斷點分?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)雙斷點結(jié)構(gòu)都采取每極有單獨滅弧小室的結(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，以實現(xiàn)氣吹。圖1為幾個公司630A規(guī)格新系列產(chǎn)品與傳統(tǒng)單斷點產(chǎn)品的分?jǐn)嘈阅軐Ρ取?/p>

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

雙斷點結(jié)構(gòu)雖有尺寸小、性能高的優(yōu)點，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，由于要保證兩個觸點處可靠接觸，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，觸頭斥開后易產(chǎn)生回落現(xiàn)象。圖2為取市場上Eaton公司額定電流相同的雙斷點與單斷點產(chǎn)品各一臺，在低預(yù)期電流條件下以振蕩回路供電進行短路分?jǐn)嘣囼?。由分?jǐn)嗖ㄐ慰闯?，單斷點能正常分?jǐn)?，而雙斷點則產(chǎn)生動觸頭跌落現(xiàn)象，導(dǎo)致燃弧時問加長，更甚者使動靜觸頭重新閉合而熔焊，該現(xiàn)象說明雙斷點結(jié)構(gòu)在低預(yù)期短路電流分?jǐn)鄷r，分?jǐn)嘈阅芊炊陀趩螖帱c。另一個問題是，兩個斷口間接觸情況和分?jǐn)噙^程是否能保持一致。西安交通大學(xué)對一無專門滅弧小室的雙斷點MCCB進行了測試，用二維光纖陣列快速攝像系統(tǒng)測得兩個斷口電弧運動圖像（見圖3），由圖可明顯看出兩個斷口處電弧進入柵片過程的不一致。

為減弱動觸頭跌落現(xiàn)象和兩個斷口接觸的不平衡，旋轉(zhuǎn)雙斷點斷路器需設(shè)計專門的觸頭斥開后的卡住機構(gòu),并且轉(zhuǎn)軸和動導(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)用戶對分?jǐn)嘈阅芤蟮牟町?，各公司MCCB系列產(chǎn)品中都分成經(jīng)濟型、標(biāo)準(zhǔn)型、高分?jǐn)嘈秃统蘖餍偷阮悇e。對一個系列中各種類型結(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一統(tǒng)到底的方案，當(dāng)旋轉(zhuǎn)雙斷點結(jié)構(gòu)用于經(jīng)濟型和標(biāo)準(zhǔn)型時，采用簡化結(jié)構(gòu)，降低原材料要求來降低成本；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)（見圖4）采用背后區(qū)域封閉結(jié)構(gòu)，提高了單斷點結(jié)構(gòu)分?jǐn)嘈阅埽?50A結(jié)構(gòu)（見圖5）采用每相有單獨滅弧小室，加上在滅弧室內(nèi)放置產(chǎn)氣材料來加強氣吹，這種結(jié)構(gòu)被稱為產(chǎn)氣材料侵蝕自動氣吹技術(shù)。該系列中超級限流型則采用在傳統(tǒng)單斷點斷路器上附加限流頭，實現(xiàn)分?jǐn)鄷r多斷點分?jǐn)啵_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，國內(nèi)外對永磁操作的接觸器都給于了相當(dāng)?shù)闹匾?。目前，國?nèi)的很多方案在電磁鐵吸合位置依靠永磁來保持，當(dāng)電源斷電時存在失壓保護問題。由施耐德公司提出，在國際上近期流行一種三氣隙永磁接觸器（見圖6），它依靠反力彈簧釋放，因而沒有失壓保護問題。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。

對一線圈電壓為24V的三氣隙永磁接觸器進行動態(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時的電流和行程曲線。由圖可見，在臨界吸上電壓時，與傳統(tǒng)直流操作的接觸器相似，鐵心的觸頭會產(chǎn)生強烈振動，因而永磁接觸器更適合與智能操作結(jié)合起來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，通過電力電子開關(guān)MOSFET給線圈供電，中央控制模塊接收線圈電流的反饋信號，實現(xiàn)對MOSFET的控制，不同的線圈電流對應(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的電流不變，這就不會產(chǎn)生一般直流電磁鐵在臨界吸合電壓下銜鐵抖動現(xiàn)象。由仿真獲得的動態(tài)過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吸合后改變占空比進一步實現(xiàn)節(jié)能，在吸合過程中，保持線圈電流I_x不變，并使其對應(yīng)的吸力特性公稍高于反力特性，以降低動鐵心的動能；當(dāng)動鐵心吸合后，線圈電流低，并保持在Ib以節(jié)能（見圖11）。因而，智能永磁接觸器由于能實現(xiàn)動鐵心的軟著陸，大幅度提高了接觸器的壽命，并能進一步節(jié)能。

3 電弧測量新技術(shù)與氣吹機理

由于電弧磁流體動力學(xué)模型尚不完善，依靠仿真來實現(xiàn)滅弧的優(yōu)化設(shè)計還為時過早，因而新的滅弧室開發(fā)主要依靠電弧的現(xiàn)代測試技術(shù)，其中最主要是滅弧室內(nèi)電弧運動的監(jiān)察，現(xiàn)有的方法是利用快速攝像機和二維光纖攝像系統(tǒng)。最近，法國Montluconand Christian Arnoux電氣技術(shù)實驗室與施耐德公司合作研究一種基于磁場逆問題的磁攝像技術(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)運動時，通過測得的磁場，利用逆問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)磁傳感器測得磁場BA，可用下式計算出每個單元的電流密度i,從而確定電弧位置。

式中：N為傳感器個數(shù)；g為矩陣中系數(shù)。

該實驗室用這種方法測量一模型滅弧室中電弧從動觸頭轉(zhuǎn)移到跑弧道的過程，短路預(yù)期電流為12kA,測試針對3種不同的觸頭材料進行，其中，材料a為Cu,材料為AgWC,材c為AgC。圖12（a）為測試裝置，平行跑弧道長80mm，寬4mm，電極間隙20mm，霍爾傳感器放置于模型兩側(cè)，每邊20個傳感器，兩個傳感器間距為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)有磁屏蔽時則不能用。3種電弧攝像系統(tǒng)對比如表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)者通過測量都發(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，按電弧將向下方運動而不是向前運動。近年來，西安交通大學(xué)和德國布朗斯瓦許大學(xué)通過氣體動力學(xué)和磁流體動力分析和仿真，出了一個觀點，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，仿真了一簡單模型滅弧室內(nèi)壓力傳播和分布過程（見13），滅弧室長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,左行激波通過底部產(chǎn)生壓力波反射，而右行激波到達右瑞，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源，這說明氣吹作用是由于電弧生成的激波反射造成的。

圖15為德國布朗斯瓦許大學(xué)利用電弧磁流體動力學(xué)模型在一個簡單滅弧室進行電弧運動仿真獲得的電弧運動圖像、激波反射和壓力分布。當(dāng)t=10μs,電弧點燃，點燃后產(chǎn)生激波向上下端移動，到達底部；t=15μs時產(chǎn)生壓力波反射；在t=25μs時推動電弧，該過程反復(fù)使電弧向前運動，向上運動的激波在t=35μs達到柵片下端；而在t=45底部第1個反射波達到該處，激波速度達400～600m/s。第1個向上激波在t=78μs到達頂端后產(chǎn)生膨脹波（90μs，100μs）,向下反射，使內(nèi)部壓力下降（140μs,200μs）。在時間段300μs內(nèi)電弧向上運動，在380μs時負氣壓充滿了滅弧室，造成了電弧反向運動，當(dāng)380μs時壓力分布又反了過來，使電弧繼續(xù)向前運動，550μs時電弧抵達柵片下端，然后沿著柵片拉長和彎曲，并受到柵片的冷卻，在激波作用下，在分?jǐn)噙^程中滅弧室壓力分布不斷變化，并影響電弧的運動。根據(jù)上述的氣吹形成機理可解釋新型滅弧室設(shè)計為什么要封閉后端，因為這有利于壓力波在底部反射。

4 虛擬樣機技術(shù)的應(yīng)用與推廣

虛擬樣機技術(shù)改變了傳統(tǒng)以經(jīng)驗和模仿為主的設(shè)計開發(fā)模式，是一種開關(guān)電器新的研發(fā)平臺，它不但可用于研制有自主知識產(chǎn)權(quán)的新產(chǎn)品，還可用于改進老產(chǎn)品，例如某低壓電器生產(chǎn)廠依靠廠校合作，通過仿真把800A MCCB靜導(dǎo)電回路由原平板進線靜導(dǎo)桿改成平行U形進線扁平靜導(dǎo)桿（見圖16），這種改進保持了原觸頭開距不變，強了吹弧磁場，增改進的效果顯著，使分?jǐn)嗄芰τ?5kA增大至85kA（見圖17）。新能源的開發(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的開關(guān)電器受到重視，該電壓等級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)計必須同時考慮絕緣和發(fā)熱的問題。長期以來只有高壓電器才需要進行電場仿真和優(yōu)化設(shè)計，但在新的形勢下，低壓電器的絕緣計算也變得重要起來。最近Rock-well公司的FREI等人用一種把三維場簡化為二維場的簡化計算方法，進行了MCCB電場仿真與優(yōu)化設(shè)計。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)計仿真計算所得二維電場分布，圖20為優(yōu)化設(shè)計后的二維電場分布，比兩者可看出，對原設(shè)計最高點的電場達2.43kV/mm,而優(yōu)化設(shè)計后最高點的電場已降至1.24kV/mm其他各處電場也有明顯降低。

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討論和分析近期低壓電器的若干新技術(shù)