摘要：分析和討論了近期低壓電器的若干新技術，如斷路器單斷點與雙斷點分斷技術及其系列結構方案比較、永磁接觸器與智能操作結合更加節能、根據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。這些新技術有助于低壓電器的技術創新。

關鍵詞：分斷技術；電弧測試；虛擬樣機

0 引言

電力事業發展對低壓開關電器質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展，而技術創新和新技術的應用是支撐這種發展的重要基礎。氣吹和雙斷點技術的應用，促進了新一代低壓斷路器開發；永磁接觸器及其智能控制大幅度提高了接觸器的性能，實現了節能；新的電弧測試技術有助于改進滅弧室的設計；虛擬樣機技術建立了低壓電器嶄新的研發平臺。

1 單斷點與雙斷點分斷技術的比較與兩種低壓斷路器系列結構分析

自20世紀90年代中期雙斷點和氣吹技術得到應用和推廣后，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，這些旋轉雙斷點結構都采取每極有單獨滅弧小室的結構，以保證滅弧室后端的封閉，并在觸頭區放置產氣材料，以實現氣吹。圖1為幾個公司630A規格新系列產品與傳統單斷點產品的分斷性能對比。

圖中，單斷點的MCCB₁和MCCB₂是目前國內市場上出售的性能較好的兩種產品，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I_cu ＝I_cs ,特別是690V時，單斷點分斷性能更低。

雙斷點結構雖有尺寸小、性能高的優點，但結構復雜、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，觸頭斥開后易產生回落現象。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，而雙斷點則產生動觸頭跌落現象，導致燃弧時問加長，更甚者使動靜觸頭重新閉合而熔焊，該現象說明雙斷點結構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象和兩個斷口接觸的不平衡，旋轉雙斷點斷路器需設計專門的觸頭斥開后的卡住機構,并且轉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系列產品中都分成經濟型、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構的選擇，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到底的方案，當旋轉雙斷點結構用于經濟型和標準型時，采用簡化結構，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構方案，以三菱WS新系列MCCB為例，250A以上結構（見圖4）采用背后區域封閉結構，提高了單斷點結構分斷性能；250A結構（見圖5）采用每相有單獨滅弧小室，加上在滅弧室內放置產氣材料來加強氣吹，這種結構被稱為產氣材料侵蝕自動氣吹技術。該系列中超級限流型則采用在傳統單斷點斷路器上附加限流頭，實現分斷時多斷點分斷，達到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

由于節能要求，國內外對永磁操作的接觸器都給于了相當的重視。目前，國內的很多方案在電磁鐵吸合位置依靠永磁來保持，當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，因而可節能；其次，這種電磁結構使鐵心中永磁和線圈產生的磁通相互抵消，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，與傳統直流操作的接觸器相似，鐵心的觸頭會產生強烈振動，因而永磁接觸器更適合與智能操作結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，交流輸入經整流生，采用PWM方式，通過電力電子開關MOSFET給線圈供電，中央控制模塊接收線圈電流的反饋信號，實現對MOSFET的控制，不同的線圈電流對應不同的調制占空比，從而在電磁鐵吸合中保持線圈中通過的電流不變，這就不會產生一般直流電磁鐵在臨界吸合電壓下銜鐵抖動現象。由仿真獲得的動態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節能，在吸合過程中，保持線圈電流I_x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以節能（見圖11）。因而，智能永磁接觸器由于能實現動鐵心的軟著陸，大幅度提高了接觸器的壽命，并能進一步節能。

3 電弧測量新技術與氣吹機理

由于電弧磁流體動力學模型尚不完善，依靠仿真來實現滅弧的優化設計還為時過早，因而新的滅弧室開發主要依靠電弧的現代測試技術，其中最主要是滅弧室內電弧運動的監察，現有的方法是利用快速攝像機和二維光纖攝像系統。最近，法國Montluconand Christian Arnoux電氣技術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，其原理是把霍爾傳感器布置在滅弧室兩側，當電弧在滅弧室內運動時，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均勻分布，根據磁傳感器測得磁場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；g為矩陣中系數。

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移到跑弧道的過程，短路預期電流為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，每邊20個傳感器，兩個傳感器間距為1mm；圖12顯示了3種材料在電弧轉移前瞬間t₁、開始轉移瞬間t₂ 、轉移后瞬間t₃ 的電弧圖像，觸頭材料Cu轉移得最快。

作為一種新方法，其優點是不破壞滅弧室外殼，但易受滅弧室內導磁體的影響，當滅弧室內有磁屏蔽時則不能用。3種電弧攝像系統對比如表2所示。

氣吹技術目前已廣泛應用于低壓斷路器的滅弧，但多位學者通過測量都發現，滅弧室內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，西安交通大學和德國布朗斯瓦許大學通過氣體動力學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。西安交通大學采用流體動力學中守恒方程與鏈式電弧模型相結合的數學模型，仿真了一簡單模型滅弧室內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。取分斷電流為20kA，仿真結果如圖14所示。燃弧后t＝0.75ms,可見生成的左行和右行激波；當t=0.75ms，左行激波己接近滅弧室底部；當t=0.80ms,左行激波通過底部產生壓力波反射，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t＝1.20ms,兩端反射波在滅弧室中部形成高壓區，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利用電弧磁流體動力學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t=10μs,電弧點燃，點燃后產生激波向上下端移動，到達底部；t=15μs時產生壓力波反射；在t=25μs時推動電弧，該過程反復使電弧向前運動，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到達頂端后產生膨脹波（90μs，100μs）,向下反射，使內部壓力下降（140μs,200μs）。在時間段300μs內電弧向上運動，在380μs時負氣壓充滿了滅弧室，造成了電弧反向運動，當380μs時壓力分布又反了過來，使電弧繼續向前運動，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，在分斷過程中滅弧室壓力分布不斷變化，并影響電弧的運動。根據上述的氣吹形成機理可解釋新型滅弧室設計為什么要封閉后端，因為這有利于壓力波在底部反射。

4 虛擬樣機技術的應用與推廣

虛擬樣機技術改變了傳統以經驗和模仿為主的設計開發模式，是一種開關電器新的研發平臺，它不但可用于研制有自主知識產權的新產品，還可用于改進老產品，例如某低壓電器生產廠依靠廠校合作，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，力發電的推廣應用，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熱問題，而發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。

參考文獻

[1]HAUER W,ZELLER P,ZHOU Xin.Benchmark tests kf single-breaker and double-break design principles[C]//53th IEEE Honlm Conference on Electrical Contacts,2007:48-55.

[2]LIU Yingyi,CHEN Degui,JI Liang,et al.Analysis of dynamic characteristics for a permanent contactor with current-feedback system[C]//24th International Conference on Electrical Contacts,2008:413-418.

[3]MUTZKE A,RUTUER T,LINDMAYER M,et al.Arc behavior in low-voltage arc chambers[C]//24th International Conference on Electrical Contacts,2008:19-24.

[4]李志鵬.低壓斷路器滅弧室中的氣體動力學問題研究[D].西安：西安交通大學，2006.

[5]FREI P U,WEICHERT H O.Simulation of electrical field and breakdown phenomena in low voltage cricuit breaker[C]//23th International Conference on Electrical Contacts,2006:577-582

討論和分析近期低壓電器的若干新技術