沈阳工业大学段薇、李静 等：器壁材料对直流塑壳断路器电弧开断行为的影响

研究背景

直流塑壳断路器以空气为灭弧介质，凭借成本低、性能稳定在中低压电力系统中得到了广泛应用。而作为弱电负性的干燥空气，成分中虽含有强电负性的O2，但在高于3000K温度时，双原子氧解离会导致附着系数急剧降低，不利于电弧熄灭，因此寻找更加适合空气电弧熄灭的辅助手段是当下研究的热点。

论文所解决的问题及意义

塑壳断路器开断时，会在触头间形成电弧。弧根和弧柱的性能受灭弧室结构与触头运动的影响，伴随高温电弧造成的器壁产气与空气介质及触头相互作用，影响了开断过程。其产生的聚合物蒸气的分子结构大，组氛复杂，碰撞反应传递能量高，会改变电弧内部的电离过程，形成的微观粒子在整个灭弧室极板表面复合，释放热量，影响电弧与电极间的能量传递，对电弧运动特性产生极大的影响。

因此，结合传统MHD模型，考虑聚合物产气材料作用下的电极表面微观复合作用，对混合气体电弧运动特性进行耦合磁流体动力学数值模拟，可以从微观角度认识产气材料对灭弧室内置环境及电弧运动特性的改变，为寻找性能优良的产气材料，实现塑壳断路器的快速开断提供理论支撑。

图1 器壁材料与电弧间的多场耦合关系

论文方法及创新点

1、直流空气电弧形态捕捉与特征参数提取

本文搭建直流塑壳断路器开断实验平台，并对直流塑壳断路器进行可视化处理，在保留直流空气电弧真实开断条件的同时，可以清晰地观测到灭弧室内的电弧形态。通过高速摄像机拍摄电弧动态图像，传感器和示波器采集电弧特性曲线，实现电弧形态与电弧特征参数的准确捕捉和精准匹配。

图2 直流塑壳断路器电弧动态演变图像

图3 开断电弧电压

2、基于不同产气材料下的直流空气电弧运动全过程数值模拟

基于电极与电弧间微观能量耦合传递源项的磁流体动力学来建立完整电弧模型，分析产气材料气化产生的不同种类聚合物蒸气对电弧热力学、动力学特性的影响，从而得到对抑制“电弧反冲”和“弧温回升”效果最佳的产气材料。

图4 开断过程的灭弧室内电弧温度场云图

图5 特殊现象局部放大图

图6 PA66的Ball-bar结构

表1  不同灭弧介质下电弧演变情况

3、不同浓度配比绝缘蒸气作用下的直流断路器开断特性

在最佳PA系列聚合物材料的前提下，定量分析不同浓度占比下的产气材料对电弧开断特性的影响，从而选择出产气浓度的最优值辅助灭弧室熄弧。

图7 不同浓度PA66蒸气环境下的弧压弧流变化

结论

1）直流塑壳断路器开断过程中存在“电弧反冲”及“弧温回升”现象，该现象会造成电弧电流升高，延长熄弧时间，加重电弧对金属栅片及触头的烧蚀，不利于直流塑壳断路器的开断，降低直流塑壳断路器的寿命。

2）相较于其他产气材料，PA66烧蚀过程中会产生氰化氢使灭弧室内氢离子浓度更高，电子附着截面增加，电弧与电极间的换热加快，电弧的能量耗散率提高，有效避免“电弧反冲”及“弧温回升”现象的发生。其气化后产生的压强差可使整个熄弧过程弧压曲线波动次数及波动幅度变小，加快熄弧速度。

3）由于物化参数改变与压强差的双重作用，导致电弧的熄弧时间与PA66蒸气浓度大小并不呈现完全的线性关系。工程中根据3%PA66的最优产气目标，对塑壳断路器进行灭弧能力优化设计，为工程实践提供理论依据及有效指导。

电器新技术及应用研究所长年致力于电气工程领域科学研究和科研开发，主要研究方向包括现代电器设计理论及优化设计技术、电器检测理论及智能化控制技术、电器电弧与绝缘微观理论及开断技术、电器产品智能化等，主持完成、承担包括国家自然科学基金、辽宁省重大专项、辽宁“揭榜挂帅”重点项目等国家、省市级科研项目40余项，为电气工程领域高、低压电器领域企业（包括许继电气、北京电科院、东北电科院，云南电科院及北京双杰电气等）解决工程实际问题30余项，近五年科研经费超过1400万元。近年在国内外重要期刊及国际会议公开发表论文500余篇，被SCI、EI及ISTP三大检索收录300余篇。申请并获授权国家发明专利30余项，获省、部科技进步二等奖七项、三等奖四项等。