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气吹式塑壳断路器开断电弧运动影响的实验研究刘洪武陈德桂李志鹏西安交通大学 电气学院陕西省蹲安市
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摘要设计了用于研究气吹式塑壳断路器开断电弧运动情况影噙强素熬实验模型。剩鬟具有翻聚焦透镜及圈形组态
功能的二维光纤快速测试系统测取了不同情况下开断 预期电流时的电弧电流、电
弧电鹾、灭弧室气压波形以及开断过穰的电弧运动圈景。对比研究了灭弧室上下方 气体阻熙、栅片结构及产气材料等因素对气吹灭弧性能的影响情况。结采表甥尽可
镶鹭溺灭薮室下方滋气墨采鲻短禳片结构稻 与尼龙产气材料均有利于电弧进入
灭弧宠。关键词高压电器塑壳断路器气吹电弧开断性能引言在低压空气开关开断短
路电流的过程中使电弧进入灭弧室并被栅片分害 成串联短弧是有效基金琐目国
家教静郎博士点科研基金项目。提高电弧电压并在电流过零后获得更高介质恢复强
度的基本方法如何使电弧可靠进入灭弧室一直是国内外研究盼重点。世纪年代后期
有国外学者注意到在触头附近安装某些绝缘材料使之在电弧烧灼下生成气仡产物并
作焉于电弧过程能够有效提高开关的限流特性【 】。绝缘材料受热后的气体产物
对电弧的作用机理主要反映在三个方面①气体产物中的氢气具有优良的导热僚能够
有效地冷却电弧②大量气体的产生艘灭弧室疼压强升赢与夕 部形成压差进而形成
强大气流吹拂电弧同样有利于电弧的冷却③气流能够直接驱使电弧进入灭弧室。对予气态产物对电弧的冷却作爆理论界的看法比较一致很多学者对此进行了研究 。但对于气流是否能够直接对电弧的运动产成驱动作用存在较长时间的争论。一些研究者应焉激波理论研究灭弧室气压对电弧的作用过程得出
灭弧室气压对电弧运动产生阻碍作用的结论 】。这一结论基于一维活塞模整与实际的灭弧室结构存在很大
等人通过差异在很多情况下并不能与实验结论吻合。直到年日本的
实验酶方法证明了气流能够 鑫接驱动电弧运动并首次明确提出了气吹
的概念 。 等人研究了在微型断路器中气吹对开断
性能的影响证明了气欧灭弧对提高的开断性能具有积极作用睁钠。此后国外主要的空气断路器生产商相继推出了具有气吹灭弧设计的新产晶气吹成为新一代空气断路器的主要特万方数据第 期刘洪武等至旦里重型墨堕茎望查堑堕矍茎堑皇翌垩
的实验中模型的设垫墅堕堕窒坠婴窒 力和更紧凑的空间结构。在
计相当简单不具有一般空气断路器可动触头、栅片灭弧室等基本结构电弧是靠熔丝产生与实际的断路器开断过程有很大区别。 的实验主要针对微型断路器其结构和开断特性都和塑壳断路器有很大区别。匕述实验研究中还有一个共同的问题是受观察手段的限制不易在尽量保持试品结构完整的条件下直接观察电弧的运动形态。使用高速摄影机拍摄电弧需要整体拆除灭弧室测壁对结构造成破坏使试验结果的可信度降低。 在实验中采用光纤阵列观察电弧运动解决了上述问题但没有很好地解决开断过程中
电流、电压和气压波形与电弧运动的同步问题。本文设计了具有塑壳断路器基本结构特征的实验模型并利用西安交通大学电器教研室研制的二维光纤阵列电弧快速拍摄系统对开断过程的电弧运动进行直接观察有效解决了上述问题。实验研究了气吹对电弧运动的影响对比了灭弧室上下方不同开孔情况及使用不同产气材料对开断电弧进入栅片情况的影响关系。实验设备及测量原理简介提供实验电流的设备是单频振荡回路其基本结构如图所示。其工作原理是实验前主合闸开关 断开充电开关 闭合交流电源经过调压器 升压后通过整流桥对电容器组充电充电至所需实验电压后断开 实验准备就绪。实验时接通主合闸开关 由电容器组 、电感、试品 、分流器构成一个典型的单频振荡回路。的固有参数决定了其振荡频率为 在本文提到的实验中均采用 的充电电压相应的预期短路电流有效值为 。用于实验中采集开断过程电弧电流电弧电压和灭弧室气压的传感器型号及参数分别是①电流传感器即图中的分流器。这是一个经过严【《一 贰图单频振
格标定的无感电阻阻值荡回路
为¨ 可直接测量其两端的电压降根据阻值即可换算出相应的电流②电压传感器为
陶瓷滤波器型高压探头。这是一个具有高阻隔离功能的倍电压衰减器将其
输入侧直接与试品两个电极相连即可在输出侧得到经过衰减的电弧电压信号。③气压传感器选用型号为 。该型传感器使用 的直流电源在 的测量范围内具有良好的线性度输出范围是 。电弧运动形态测
时钟显示器量的基本原理是利用二维光纤阵列将燃弧过程中不同位置的光强信号传送至光电转换器件变换为相应的电信号这些信号经过转换后成为数字信息测试系统连续保存这些信息并在实验结束后在电脑屏幕上放慢显示即可直接观察电弧燃烧区域中各测试点的光强变化情况。一般认为光强最大的地方就是电弧中心位置可据此判断电弧的运动形态【】。实验中所有信号的采集、转换、记录和处理均由西安交通大学电器教研室自行研制的二维光纤测试系
统【。伽完成。该系统具有个最高采样频率为 、转换精度为位的光纤信号通道以
及个最高采样频率为 、转换精度为位的模拟通道在实验中可用于电流、电压及
气压变化信息的测量。该系统在每根观察光纤的顶端安装了具有自聚焦功能的纤维分合闸电磁铁
透镜合理地解决了国外同类光纤拍摄系统使用中相邻光纤之间互相干扰的问题大大
提高了观察精度。另外通过合理的硬件电路设计及强大的软件数据处理功能使电弧
运动图景与电压、电流和气压波形能够动态地同步显示为实验数据的处理提供了有
效的可视化手段。实验模型及对比条件实验模型具有与 灭弧室相似的基本结构包
括灭弧室腔体、栅片、动静触头及触头弹簧等图给出了模型的结构示意。触头闭合
状态下依靠触头弹簧保证动静触头间的接触压力。当实验电流通过模型时动触头在
电动斥力作用下克服触头弹簧压力打开动触头运动到最大开距时被止位销锁住不再
rbd-508
返回到闭合位置随着动静触头间的电弧熄灭实验电流被开断。模型与实际产品的区
别在于没有操作机构触头的打开完全依靠电动斥力。但是这一结构在大电流通过触
头触头被电动力快速斥万方数据中国电机工程学报第卷开的情况下与的实际开
断过程非常相似因为在这种情况下断路器的机构来不及在触头打开前动作。开断过
程的主要性能很大程度上取决于机构动作前触头的斥开过程…】。 蝴Ⅱ 呵一。
一奄蚓一一一一 ——归。、 一静触头 一动触头 一软连接 一转轴 一
触头弹簧卜一止位销 一栅片 一光纤观察孔 一气压测量孔 一外壳 一进线端
蚰模型可在装配时更换相
子图模型基本结构
关的零件以改变模型的结构特点及有关参数用以对比不同开断条件对开断性能的影
响。比如可改变不同栅片结构可使用不同开孔情况的上方盖板和下底板改变灭弧室
的气体阻尼特性也可更换产气材料的种类等。图为模型可装配两种不同结构的栅片。
一种是传统的长腿形状如图 栅片的两条腿包住触头有利于加强触头区的吹弧磁
场。这种结构一一方面不方便将产气材料直接安装到最贴近电弧中心的位置另一方
面触头周围空间较大不利于灭弧室气压的上升。第二种结构使用短腿的栅片形状在
原先栅片腿的位置安装产气材料直接受电弧热量作用而大量产气同时也使触头周围
空间更为紧凑有利于灭弧室气压的升高。为弥补减短栅片腿对吹弧磁场的削弱在产
干衣柜短
气材料外侧衬垫铁片如图 。 长栅片结构
栅片结构 图两种不同栅片结构及光纤观察孔位置的比较
邺第一组对比
实验在其他条件相同的情况下使用长栅片结构改变灭弧室上下方密封情况比较灭弧
室上下方不同气体阻尼情况对开断性能的影响。为方便表示将对上下方阻尼情况的
表示开孔状况
描述定义为 的形式 表示上方 表示下方
用 表示密封
表示完全敞开 表示开个气孔表示开个气孔。例
如 就表示上方完全敞开下方封闭。上下板的开孔位置如图所示气孔直径均为
下板上的小孔为止位销安装孔止位销从中穿过基本不影响密封。在这组实验中
共种情况。— 悍陪悖 盖板开孔 盖
共对比了
板开孔 』二靠板开孔 羲板开孔图上下盖板开孔情况
璐第二组对比实验在其他条件相同的情况下
使用短栅片结构分别使用 尼龙作为产气材料进行开断实验比较三种材料的
开断性能。为了检验该结构下使用产气材料与否对开断性能的影响还用完全不产气
的陶瓷材料安装于产气材料位置进行开断实验。上述两组实验的条件汇总如表 所
示。表实验条件密封情况栅片形式产气材料实验结果为便于比较电弧进入栅片的情
况定义某一列光纤信号的亮度为在一次开断过程中该列各光纤传感器采集到的电弧
光亮度对时间积分的总和罗 ‘ 这里的为亮度与万方数据第期刘洪武等不同
因素对气吹式塑壳断路器开断电弧运动影响的实验研究位转换精度相对应数值为从
到的整数。与实验模型光纤观察孔位置相对应可认为从上往下第一列和第二列光
纤的亮度最能反映电弧进入栅片的情况该两列的亮度越大表明电弧进入栅片的部分
越多其中第一列的亮度比第二列的亮度厶更能表明电弧进入栅片的深度光纤观察孔
位置 分布及第一列第二列的定义见图。图给出了第一组实验灭弧室上下方不同开
孔情况下电弧进入灭弧室亮度积分、电弧电压峰值、灭弧室内外气压差对比的直方
统计图。图给出了第二组实验采用不同产气材料的情况下电弧进入灭弧室亮度积分、
电弧电压峰值、灭弧室内外气压差对比的直方统计图。图给出了短栅片结构下产气
材料为 时的开断电流、电弧电压、灭弧室气压波形及个时刻的电弧亮度分布图
景。并用一根运动的垂直线给出了和电弧运动相对应的时间值。栅片间圆孔表示光
纤安装位置其颜表示当前时间的电弧光强度颜越深表示亮度越高。不同实验条
件下电弧电压峰值和灭弧室气压峰值的实验结果汇总于表所示。表实验结果
莫氏变径套
对比条件 。Ⅳ 棚出 是否开断
是 是 是 是 是 是 是尼龙是陶瓷否分析与讨论图给
出了第一组对比实验的结果图 中 ‘出表示上述定义中第一列和第二列光』—一
纤传感器得到的电弧光强积分和比较图 中第一列的值上方封闭而下方开孔即
和 的情况的值较上方开孔的为低并且下方开个孔的 较开个孔 更差。说
明下方开孔气流的作用不利于电弧进入栅片。下方封闭上方开孔时 电弧进入
第一列的情况最好即最大 次之 最低。这说明下方封闭而上方开孔气流的作
用总的趋势有利于把电弧驱向栅片深处。但在 和 之问出现了上方开孔多反
而不利于电弧进入的情况需要进…一步研究其原因。图 表示不同开孔情况测量获
得的电弧电压峰值可见在灭弧室上方开孔所得到电弧电压峰值总是高于灭弧室下方
开孔的情况这可以用上方开孔有利于驱动电弧进入栅片来解释。上方开孔下方封闭
情况 的‰最高 次之 最低。这与图 中电弧进入栅片的情况是一致的
时‰低于 时的反常现象需要进一步的研究。图 表示不同开孔情况下灭弧
室内外气压差 。可以看到无论在灭弧室上方还是下方开孔愈多灭弧室压力愈小。
这可用下述数学模型来解释 。设在出时间内电弧提供给灭弧室的能量为 气
体通过出气口消耗能量为 则根据能量平衡方程导致灭弧室温度和压力上升的能量
为 扎。丁 电弧消耗的能量为 。“ 出气口消耗的能量为
七七一 础成 图不同气体阻尼情况对开断??陛能的影响 蛳
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粕 万方数据一生里皇塑三堡堂塑笙丝鲞图不同产气材料对开
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断性能影响
图开断过程波形及电弧运动图景
根据气体
状态方程 根丁将式带入式可得警赤即 一击丢毗 。尺 、七一 。““’其中
为灭弧室内气体定容比热 为灭弧室气体质量 和扮别为灭弧室内气体的压力和密度岛和弛分别为出气口的气体密度和速度忌为气体绝热指数为出气口面积疋为电弧能量转换成压力上升部分的比例系数 撕为电弧能量硝气体摩擦和收缩系数 为气体常数。由式可以看出灭弧室压力的变化率 随着电弧供给的能力“ 的增加而增大而随着出气口面积的增加而减小。这也说明随着的增大灭弧室内压力的变化率减小达到的峰值尸。也变低。图给出了第二组对比实验的结果相同条件下进行开断获得较高电弧电压和灭弧室压力的材料依次是 尼龙 和陶瓷使用陶瓷材料时开断失败。光纤阵列观察到的电弧进入灭弧室的情况也基本吻合这一规律说明在相同结构条件下灭弧室气压电弧电压与电弧进入栅片的情况是正相关的。需要指出的是在使用 作为产气材料时光纤阵列观察到的电弧光亮度积分远小于其他材料。实验后发现 材料的气化产物中大量含有可导电的炭粉颗粒附着于灭弧室内壁使灭弧室绝缘电阻下降至 左右。由此推测在开断过程中弥漫于灭弧室的大量炭粉干扰了光纤阵列对电弧光强的检测造成上述结果。实验结果显示产气材料的使用能够有效提高开断性能 与尼龙都是适合的产气材料 由于气化产物中存在大量不利于复合过程的微粒因此不适合作为气吹材料。图给出了短栅片结构下产气材料为 时的开断电流、电弧电压、灭弧室气压波形及个时刻的电弧亮度分布图景。图中运动的垂直线给出了和电弧运动相对应的时间值。从图中可以看到电弧产生后随着触头打开而被拉长在电万方数据第期刘洪
武等不同因素对气吹式塑壳断路器开断电弧运动影响的实验研究流达到最大值时候电弧的亮度和到达的区域都最大。之后随着电流的减小电弧亮度逐渐减小最终随着电流过零而熄灭。在此过程中静触头附近区域的亮度始终在所有位置中处于最高这是由于该区域为电弧开始产生的区域所以燃弧时间最长空间电离程度最高。结论在塑壳断路器的开断过程中电弧能否进入栅片并在栅片内稳定燃烧对于开断性能具有决定性挠跋臁Ｒ酝 褂每焖偕阆窕 缘缁」 膛纳隳岩栽诓谎现仄苹笛 返那榭鱿陆 斜疚睦 霉庀苏罅胁馐韵低扯钥 瞎 痰牡缁≡硕 兄苯庸鄄煸诓黄苹笛 方峁沟那榭鱿氯〉弥惫鄣男
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开断性能是气吹断路器理想的栅片设计方式。传统的低压塑壳断路器灭弧室下方是敞开的本文的研究表明通过使其尽可能封闭有利于驱使电弧进入灭弧室从而提高其性能。需要指出的是使用下.
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