苏054 浅析断路器灭弧系统气流特性研究

浅析断路器灭弧系统气流特性研究摘要：在现代社会，不管是唑一方面都要电。存电产牛始送利使用的时程中。配电是其中一个十分重要的坏节。低压断路器的主要功能是在正常情况下闭合或断开供应电能的电路，达到供电、停电、转换电路的目的。本文在分析低压断路器的基础上分析灭弧系统的作用与性能，并重点灭弧系统进行分析，为制定灭弧系统技术方案提供有价值参考。灭弧系统是低压断路器研发的技术核心。灭弧室的性能直接关系到低压断路器的分断性能，决定产品能否满足智能化、高可靠新型电网的全电流选择性保护、故障定位等要求。因此，本文重点研究断路器灭弧系统气流特性。关键词：低压；断路器；灭弧系统；气流特性1引言在我国电力行业不断发展的当下，整个电器工业也在不断发展，特别是低压电器方面，借助技术的进步实现了良好的发展。低压断路器中最能够体现基技术价值的指标、短路分断能力与导电灭弧系统。为了进一步提高低压断路器的性能。目前的研究重点放在提高断路器灭室压力、使用产气材料等。2相关技术概述2.1低压断路器在配电系统中，包含了变压器和高、低压电压设备，而低压断路器则属干其中—种十分重要的电器元件。低压断路器可以分为两种：一种是万能式，另一种是塑料外壳式。随着电弧理论研究的逐渐深入以及各种灭弧装置被不断发明出来，低压断路器逐渐展示出良好的性能。2.2低压断路器灭弧系统作用和性能2.2.1作用其主要作用是熄灭触点在切断电路时产生的电弧。但是灭弧的方式不同，这与断路器的型号、结构、电压等技术参数等有关。一般，比较常用的断路器基采用的灭弧系统都是采用灭栅片和窄片的复式结构方式，这种结构方式能够增强灭能力，又能够减小飞弧距离，从而达到提高断流容量的效果。2.2.2性能灭弧系统需要能够可靠地熄灭电，燃需要尽可能短。需要有足够的热容量，在电弧熄灭时需要控制灭弧室温度，防止灭弧室变形或破裂。还需要设计尽可能小的飞距离，必要时可在栅片上增设灭炮棚片。由干灭不装置的结构是由断路器的种类决定的，以框架式低压卡断路器为例，其采用一种灭罩，触点分断时产牛的电，被拉长后即被交叉放置的长短不同的钢质横片吸引，在栅片的强烈冷却作用下和短弧效应作用下迅速熄灭。3低压断路器火弧性研究3.1装置型式1.绝缘栅片式，这种型式一般用于熄灭直流电弧，其工作原理是在外磁场的作用下将电弧拉长，利用长师原理将电弧熄灭。当电压越高，就需要越多的栅片数。在这种情况下就会出现栅片太多电弧无法进入栅片的情况。2.绝缘金属栅片式，这种结构与金属栅片式灭装置类似，其工作原理是利用长弧原理熄灭电弧，借助绝缘栅片中铁磁材料帮助电弧进入栅片，利用直流回路产生的磁场吹弧，一般用于熄灭直流电弧。3.真空室，在高度真空中其展现出良好的绝缘和灭弧性能。这类灭型式的灭弧性能与真空度有关.还与采用的触头材料有关。目前市场中比较常见的触头材料就是使用铜-铋-铈合金，具有抗熔焊能力强、电弧电压低、截断电流小等优点。这种真空灭弧装置结构简单、体积小、不需维护，在低空领域的应用越来越广泛。但是这种灭弧装置也存在一定的缺点，在开断电感性负载电流时，孤隙上会产生很高的过电压，因此需要采取各种手段抑制过电压。另外真空灭弧装置遇到）击.振动等恶劣环境能够保证原有的真空度仍然是一个问题.4.金属栅片式，这类灭弧装置主要适用于交流断路器和直流通用断路器。这种灭弧栅片的布置有平行布置和辐射状布置的方式，其中辐射状布置的栅片式灭一般用于额定工作电压比较高的断路器。这种灭装置对痕灭交流电弧具有制造工艺简单、结构简单、成本较低等优势。其缺点是带来栅片中电阻、磁滞和涡流引起的损耗。5.纵缝式，其原理是利用长弧原理熄灭电弧，适用于熄灭直流电弧。其中使用的室壁材料采用石棉水泥，这种型式结构简单。缺点是为了达到熄灭电弧的目标，需要延长灭弧室的纵向尺寸。6.曲缝式，这种型式是在纵缝式灭室上发展起来的一种变形，当电弧进讲入到灭弧室后被拉的越来越长，与缝壁的接触面积增加，从而提高了电弧熄灭效果。这种型式主要用于直流断路器。由于电弧进入到缝壁的阻力比较大，因此一般都是与强磁吹装置配合，主要用干直流断路器。7.螺旋式，这种型式利用长弧与短弧相结合的灭弧原理，其中使用的绝缘隔片采用耐弧水泥，上设小弧角，将电弧变成螺旋状，从而有效拉长了灭弧长度。这种灭弧装饰适用于直流快速断路器，但是需要增加磁吹装置。3.2技术方案综合分析各种灭弧装置的结构形式以及灭弧原理和各自特点，考虑采用金属栅片式灭装置，并针对断路器的各个结构形式进行具体分析。1.灭弧装置结构，关于触头材料的选择，考虑到断路器的主触头需要具备长期导电能力与一定机械强度，要求需要具备抗熔焊性能和耐电弧灼烧性能，可以采用单档触头设计方式，但是又考虑到断路器的短路分断能力，因此可以采用动触头导电回路多支路并联设计方式，之所以考虑使用这种方式的原因在于能够减小动触头的电动斥力，又能够增加对触头的散热。考虑到灭弧介质压力对灭弧系统的影响，因此可以考虑使用基本封闭型，仅在灭室上方留出通气口，这种方式能够促使申尽快熄灭，从而起到分断电路的目的。2.考虑到灭弧装置，分析交流电弧的特点以及断路器的分断能力，拟设计成采用金属栅片式灭弧装置的结构型式，整个灭弧装置由引弧片、灭弧栅片、灭焰栅片、灭弧室外壳组成。先计算电弧进入栅片之前的电弧电压，再计算电弧进入到栅片之后变成串联的短弧的电压。3.关于引弧角，设置引弧角的目的是为了利用导电回路磁场产生的电动力拉长电弧并将其进入灭弧室，通过在断路器的动静触头上设置引角，引角与静触头连接，保证电弧能够尽快离开触头，避免触头过分烧损，还能够加强对孤柱的冷却。在引角上中间位置开3mm的槽，不仅能够加强电弧的冷却效果，还能够加强电流过零后的近阴极效应，从而加强初始介质的恢复强度。本次研究通过在分析低压断路器的作用与性能的基础上加强了对灭弧系统的研究。本次研究不足之处在干未对低压段利器系统何适应更加复杂的外界环境条件进行进一步研究，另外还需要进一步加强理论与实践的结合，将理论研究与试验结合，旨在为相关行业装备提供参考。充分发挥出低压断路器的价值。4断路器灭弧系统气流特性分析灭弧室设计是低压断路器研发的技术核心。灭弧室的性能直接关系到低压断路器的分断性能，决定产品能否满足智能化、高可靠新型电网的全电流选择性保护、故障定位等要求。为此，国内外学者与研究机构一直致力于该领域的技术研究，并获得了大量应用成果，如通过双断点灭弧技术，提高电弧电压和机构动作速度;通过产气材料的合理设置，提高电弧电压和介质恢复强度等，有效提升产品分断性能。现阶段的低压断路器灭弧室设计和分析技术研究主要通过试验方法和仿真分析方法进行。试验方法主要采用高速摄影、光纤阵列等研究电弧的运动特性;仿真分析方法主要通过电弧模型的建立对电弧进行研究。产品设计中往往采用解耦的办法对机械运动、磁吹布置、气体流道等分别进行设计。本文通过灭弧室的气流场假定，建立流体分析模型，并利用仿真软件进行模拟评估，实现某小型断路器灭弧室的结构改进。4.1气流场假定低压断路器电弧在故障电流时，动、静触头打开，触头间隙间介质产生的一团温度极高、发出强光和能够导电的气体，其计算分析涉及电磁场、气流场和温度场等。灭弧室设计时，主要对其电磁环境和气流环境分别进行设计。对MCB灭弧室设计，特别是高分断性能的MCB产品，由于其空腔小、密闭性好、电弧能量大、气流环境影响大，所以设计时需重点关注。本文在忽略电弧和电极间的相互作用以及电磁场影响的基础上对电弧进行了简化，对灭弧室气流通畅性进行了仿真，作如下假定∶1.电弧假定为高温空气，其热导率、黏度系数、密度、比热等物理参数为温度和压力的函数；2.忽略电弧与电极之间的相互作用，不考虑电磁场对电弧的作用，仅考虑温度场和气流场的影响；3.不考虑器壁的烧蚀以及电极的金属蒸气对气体属性的影响；4.不考虑电弧热量的传导和辐射，只考虑对流传热。4.2气流场分析4.2.1计算模型及边界条件某灭弧室气流腔体简化模型如图1所示。三维模型计算区域大小为56mm×7.4mm×30.5mm。栅片区域计算网格大小为0.2mm，其他部分计算网格大小为0.3mm。图1灭弧室气流腔体简化模型边界条件∶1.仿真定性分析灭弧室结构对电弧运动的影响，在入口通入的一小段高温气体认为是电弧。依据高速摄影观测到的光强和中弧转移时间，在入口通入5000K的高温气体5μs，其后均为300K，入口压强2atm；2.出口温度恒定为300K，压强为外部气压，即1atm；3.除了进出口外，其余边界均为绝热边界。4.2.2U形跑弧电极烧蚀现象在产品分断试验中，U形跑弧电极常出现的烧蚀情况如图2所示。U形跑弧电极附近速度矢量图如图3所示。可以看出，气流在未进入灭弧栅片时，在栅片前方的空间形成涡流，阻止电弧顺利进入灭弧栅片。该现象在过U形上跑弧电极最低点后尤为明显，导致上弧根移动速度低于下弧根移动速度，甚至造成上弧根在通过U形跑道最低点时停滞不前，电弧被拉长，对拐弯处烧蚀严重。图2U形跑弧电极常出现的烧蚀情况示意图图3U形跑弧电极附近速度矢量图4.2.3气流回流现象多次分断试验后壳体的烧蚀情况如图4所示，可见下面几片栅片接触的壳体烧蚀比较严重，表明产生的高温气体主要通过下面的栅片流出。灭弧室气流场瞬态计算结果如图5所示。可见，高温气体从入口进入灭弧室，沿着下跑弧电极向栅片流动;进入栅片后，下面栅片间的流量明显大于上面的栅片，因此起到灭弧作用的主要是下面的栅片。该结果与试验情况吻合。图4壳体灼烧示意图图5灭弧室内温度场示意图某一时刻灭弧栅片附近的流速矢量图如图6所示。从图6可以看出，该时刻从下面栅片流出的气体向上流动进入上面的灭弧栅片，进一步降低了上面栅片的利用率，对灭弧极为不利。这是由于流速过大后，出口较小，无法及时将气体排出造成的。试验中，随着分断电流的加大，产生高温气体量增加，该现象越明显。图6灭弧栅片附近速度矢量图4.2.4气流场设计改进为了对灭弧室进行结构改进，在上面的灭弧栅片与下面的灭弧栅片间添加隔板，防止从下灭弧栅片间流出的气体进入上灭弧栅片;再在灭弧室上方增加一个上出口，使灭弧室上方的气体流动更加畅通。按照该方案建立的仿真模型如图7所示。图7结构改进后的模型结构改进后的灭弧室内温度场计算结果如图8所示。可以看出，在增加上出口后，上面通道气体的流量明显增加，提高了栅片的利用率。增加出口就是增大了出口面积，使气体流动更加通畅。在上、下灭弧栅片间增加了隔板，有效地阻隔了下灭弧栅片的气体向上方流窜。计算结果表明，该改进有助于电弧进入灭弧室以及灭弧栅片的充分利用。采用改进方案后，该断路器分断效果明显。图8结构改进后的灭弧室内温度场5结语断路器产品的灭弧室结构设计对有效灭弧至关重要。针对某小型断路器产品灭弧室设计。建立简化三维气流仿真模型，并进行气流场动态仿真。结合试验观测，定性分析了电流分断过程中弧根停滞与气体回流等现象。在此基础上，对小型断路器灭弧室出气口进行了仿真分析与设计改进，有效改善了灭弧室气流特性，提升了小型断路器分断性能。综上所述，本文建立了低压断路器灭弧室的气流场仿真模型，对断路器产品灭弧室内气流场进行了定性的动态仿真。结合试验情况，分析了U形跑弧电极烧蚀和灭弧室气流特性两个现象的成因，并对灭弧室具体结构进行设计改进，有效改善了该产品的灭弧效果，提升其分断性能。参考文献[1]李兴文,贾申利,张博雅.气体开关电弧物性参数计算及特性仿真研究与应用[J].高电压技术,2020,46(03):757-771.[2]邱伟.MCB分断电弧测试技术及等离子体仿真[D].温州大学,2019.[3]王兴利,高翔,陈丰飞,高柏勇.低压断路器飞弧危害及其改进措施[J].电气技术,2018,19(05):105-108.[4]张坤.动载荷下断路器动静触头电接触的可靠性理论与实验研究[D].上海工程技术大学,2017.[5]武军亮.基于灭弧系统改进设计的塑壳断路器分断能力提升研究[D].苏州大学,2017.[6]武军亮,王明娣.基于MCCB灭弧栅片变化对电弧电压的仿真与试验研究[J].机械工程师,2017(06):28-30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