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斷技術(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計新型滅弧室、虛擬樣機的應用提高了斷路器分斷能力。這些新技術(shù)有助于低壓電器的技術(shù)創(chuàng)新。

關(guān)鍵詞：分斷技術(shù)；電弧測試；虛擬樣機

     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)的應用是支撐這種發(fā)展的重要基礎。氣吹和雙斷點技術(shù)的應用，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計；虛擬樣機技術(shù)建立了低壓電器嶄新的研發(fā)平臺。

      單斷點與雙斷點分斷技術(shù)的比較與兩種低壓斷路器系列結(jié)構(gòu)分析

      自20世紀90年代中期雙斷點和氣吹技術(shù)得到應用和推廣后，繼施耐德公司NS系列之后，國際上大公司如ABB、GE、LG、金鐘-默勒等在新世紀都分別推出了自已的雙斷點分斷新系列塑料外殼式斷路器（MouldedCaseCircuitBreaker,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)品的分斷性能對比。
 
      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：雙斷點的分斷性能遠高于單斷點，它能做到Icu ＝Ics ,特別是690V時，單斷點分斷性能更低。

      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，故在分斷低預期短路電流時，觸頭斥開后易產(chǎn)生回落現(xiàn)象。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，在低預期電流條件下以振蕩回路供電進行短路分斷試驗。由分斷波形看出，單斷點能正常分斷，而雙斷點則產(chǎn)生動觸頭跌落現(xiàn)象，導致燃弧時問加長，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)在低預期短路電流分斷時，分斷性能反而低于單斷點。另一個問題是，兩個斷口間接觸情況和分斷過程是否能保持一致。西安交通大學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，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)雙斷點斷路器需設計專門的觸頭斥開后的卡住機構(gòu),并且轉(zhuǎn)軸和動導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。

      為適應用戶對分斷性能要求的差異，各公司MCCB系列產(chǎn)品中都分成經(jīng)濟型、標準型、高分斷型和超限流型等類別。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，當旋轉(zhuǎn)雙斷點結(jié)構(gòu)用于經(jīng)濟型和標準型時，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)分斷性能；250A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)分斷時多斷點分斷，達到Icu＝Ics＝200kA。

      對一線圈電壓為24V的三氣隙永磁接觸器進行動態(tài)仿真，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Ix 不變，并使其對應的吸力特性公稍高于反力特性，以降低動鐵心的動能；當動鐵心吸合后，線圈電流低，并保持在Ib以節(jié)能因而，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。
      虛擬樣機技術(shù)的應用與推廣

      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靜導電回路由原平板進線靜導桿改成平行U形進線扁平靜導桿（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，使分斷能力由65kA增大至85kA（見圖17）。新能源的開發(fā)，力發(fā)電的推廣應用，風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)化設計。圖18為MCCB塑料底座上電極（雙金屬片和靜觸頭導體等）的布置，圖19為原設計仿真計算所得二維電場分布，圖20為優(yōu)化設計后的二維電場分布，比兩者可看出，對原設計最高點的電場達2.43kV/mm,而優(yōu)化設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。