触头灭弧系统的研发

触头灭弧系统的研发

郑改红

郑改红

（江苏辉能电气有限公司212132）

摘要：随着市场经济的发展，社会对电能的依赖性越来越强，一旦出现电力故障，对人们的工作和生活会造成严重的影响，不利于社会经济的发展。通过研发触头灭弧系统，可将其应用在输配电系统中，当系统中出现故障隐患时，可自动断开或闭合供电电路，以实现转换、供电、停电等功能。对此，本文针对触头灭弧的作用进行了分析，并提出了有效的研发策略，以期为相关人员提供有益的参考。

关键词：断路器；灭弧系统；研发策略

断路器是电力系统中重要的开关设备，在电路中接通、分断和承载正常回路条件下的电流，并能在规定的时间内承载和开断异常回路条件下的电流。其使用量大面广，且与供电可靠性密切相关，对电网安全运行有着重大的影响。断路器之所以能安全的开断电路，是因为具有灭弧装置--灭弧室。灭弧室的设计考虑因素比较多，主要有动静触头形状、断路器的内部空间、栅片的排布、灭弧室出气口的大小、气吹及磁吹等等。随着断路器的不断研发，虽然也有了好多理论、仿真及经验设计值，可是对于一代全新的断路器来说所有的理论、仿真及经验都需要用实验来验证并测试。

1.触头灭弧系统研发方案

在实际研发时，对实物和波形进行分析具有十分重要的意义，有利于了解不同波形反应到断路器上是受哪些部件影响的就更为关键了，不然，做完实验即结束就没有任何实际意义。现就一较理想的示波图对触头分断、灭弧过程做下详细说明。

下图是限流型塑壳断路器的分断试验示波图。所谓限流型断路器是指当短路电流还未到达单个周波的最大值之前断路器就能够执行分断操作，实质就是利用短路故障电流本身的作用，使动静触头利用电动斥力快速分开，触头间形成迅速增长的电弧电压，从而来限制短路电流。通常限流断路器采用灭弧栅片的合理排布来获得高的电弧电压。熄弧过程可分四个阶段来分析。

限流分断时的电流、电压波形

（1）从短路电流出现瞬间t0＝0到触头始动时刻t1，这段时间为限流机构的动作时间，它决定于限流机构的动作速度。这时触头尚未分开，因而触头两端电弧电压Uarc＝0；

（2）t1到t2段时间。触头在t1时刻开始打开，触头上出现电弧，但电弧电压变化不大，这是由于电弧停滞导致，电弧在触头上保持不动，这段时间称为电弧停滞时间tS＝t2－t1，该时间由触头材料与触头打开速度来决定；触头打开速度与断路器的限流能力有关，限流能力又受触头结构、磁吹与气吹等的影响。

（3）在t2瞬间，电弧拉长到一定长度，这时电弧在自励磁场产生的电动力作用下，离开触头并通过弧角进入灭弧栅片。这时电弧电压很快地增长，其增长速度决定于电弧运动速度和进入灭弧栅片的时间；

（4）当电弧进入灭弧栅片后，电弧电压达到最大峰值Umarc，此时电弧电压已大于电源电压瞬时值，电流被强制减小，到t4瞬间电流降低到零，电弧熄灭。

若用限流断路器分断一负载为R、L的单相回路，则可用下述微分方程来描述电流、

电压关系。

（1）

（2）

电流在t3瞬间达到峰值ILP，di/dt＝0，电弧电压等于Umsin（t＋）一Ri，随之电弧电压继续上升，并一直大于电源电压，此时di/dt为负。电流逐渐减小直至为零。图中以虚线表示的ip＝f（t）为预期短路电流波形，其幅值为Ip。很明显，由于限流作用的存在，实际分断电流的辐值ILp较Ip要小得多，因而允通能量也减小了。由上图可见，决定电弧电压的参数有4个，它们是限流机构动作时间t1，电弧停滞时间ts，电弧电压上升率和电弧电压幅值Uarcp。显然，若能减小t1和ts，增大和Uarcp，则能增强低压断路器的限流作用。

根据以上结论每次震荡回路的波形可有针对性的去优化触头灭弧系统，提高断路器的分断能力，进而提高整个供电系统的安全可靠性。在实际设计方案的优化中可以通过减小t1和ts，增大和Uarc上的措施来提高灭弧室能力，具体方案如下：

1、减小t1：通过加快机构脱扣时的力传递速度来实现，现有HNM3系列塑壳断路器机构的二级脱扣采用转动件敲击锁扣的方式，有利于缩短机构的固有动作时间。

2、减小tS：取决于选择高耐弧性和抗融焊的触头材料，并提高触头打开速度。根据HNM3的摸底试验的触头烧损情况分析，银钨和银碳化钨石墨的触头配对还是合适的。触头打开速度与动静触头间的电动斥力与触头弹簧力的匹配有关，需通过试验确定。当然在动静触头两侧放置导磁片在增强电动斥力和加强吹弧磁场的同时，也有利于减小电弧在触头上的停滞时间ts。同时设置合理的引弧片形状使弧根能尽快转移并进入灭弧室，也是为了降低弧根在静触头附近的滞留时间ts；

3、增大和Uarc：HNM3系列断路器针对这点有以下措施：a、采用在触头附近（包括灭弧室的前端）配置产气材料的方法来提高电弧电压上升率和Uarc的保持时间。产气材料在电极间产生电弧后，由于电弧高温而产生大量蒸气使电弧弧根受到限制，并对电极发射出来的金属蒸气喷流的运动方向加以引导，同时电弧弧柱受到冷却，弧柱截面积减小。在这些因素的作用下，电弧电压被迅速抬高，从而使电弧很快熄灭。b、减小转轴的中间通道，在动静触头上放置高温产气材料，在保护触头弹簧免受电弧烧损的同时防止电弧后窜。c、在保证间隙的前提下，增加下面几片灭弧片的厚度或最下面二片相叠，有利于吸收热量冷却电弧，使电弧的的电导率下降，而电弧的的电导率与弧柱压降成反比，电导率下降就能提高电弧电压。d、在灭弧室的出口处设置一定的阻力，当内部压力足够大时，出气口的通道变宽，有利于跑气，当内部压力不大时，出气口的通道较小，有利于电弧电压的维持。

综上所述，触头灭弧系统的改进是要综合考虑的，不是单纯靠理论或者经验就可以完全设计完成的，在理论、仿真及经验的前提下怎么排列组合去有效的验证、优化是所有研发人员在开模之前必须经历的阶段，该环节直接影响到开发成本、周期及断路器的性能。

参考文献：

[1]童争光，陈德桂.塑壳断路器不同结构触头灭弧系统吹弧磁场的分析[J].低压电器，2013（17）：1-4.

[2]蒋顾平，顾翔，唐丰田.触头灭弧系统增容提高塑壳断路器短路分断能力的研究[J].电器与能效管理技术，2018（08）：16-20+33.

[3]贺雅洁，黄世泽，郭其一.触头灭弧系统短路分断调试方法的技术研究[J].电工电气，2012（10）：52-55.