关键词：分断技术；电弧测试；虚拟样机
0 引言
电力事业发展对低压开关电器质和量的要求越来越高，这就促进低压电器向高性能和小型化发展，而技术创新和新技术的应用是支撑这种发展的重要基础。气吹和双断点技术的应用，促进了新一代低压断路器开发；永磁接触器及其智能控制大幅度提高了接触器的性能，实现了节能；新的电弧测试技术有助于改进灭弧室的设计；虚拟样机技术建立了低压电器崭新的研发平台。
1 单断点与双断点分断技术的比较与两种低压断路器系列结构分析
自20世纪90年代中期双断点和气吹技术得到应用和推广后，继施耐德公司NS系列之后，国际上大公司如ABB、GE、LG、金钟-默勒等在新世纪都分别推出了自已的双断点分断新系列塑料外壳式断路器（MouldedCaseCircuitBreaker,MCCB）,其中有ABB的Tmax,GE的RecordPlus，金钟-默勒的MZN，这些旋转双断点结构都采取每极有单独灭弧小室的结构，以保证灭弧室后端的封闭，并在触头区放置产气材料，以实现气吹。图1为几个公司630A规格新系列产品与传统单断点产品的分断性能对比。
图中，单断点的MCCB1和MCCB2是目前国内市场上出售的性能较好的两种产品，由图1可明显看出：双断点的分断性能远高于单断点，它能做到Icu ＝Ics ,特别是690V时，单断点分断性能更低。
双断点结构虽有尺寸小、性能高的优点，但结构复杂、工艺要求高，在性能上也有不足之处：首先，由于要保证两个触点处可靠接触，其触头反力较大，加上力臂短，故在分断低预期短路电流时，触头斥开后易产生回落现象。图2为取市场上Eaton公司额定电流相同的双断点与单断点产品各一台，在低预期电流条件下以振荡回路供电进行短路分断试验。由分断波形看出，单断点能正常分断，而双断点则产生动触头跌落现象，导致燃弧时问加长，更甚者使动静触头重新闭合而熔焊，该现象说明双断点结构在低预期短路电流分断时，分断性能反而低于单断点。另一个问题是，两个断口间接触情况和分断过程是否能保持一致。西安交通大学对一无专门灭弧小室的双断点MCCB进行了测试，用二维光纤阵列快速摄像系统测得两个断口电弧运动图像（见图3），由图可明显看出两个断口处电弧进入栅片过程的不一致。
为减弱动触头跌落现象和两个断口接触的不平衡，旋转双断点断路器需设计专门的触头斥开后的卡住机构,并且转轴和动导电杆之间不采用刚性连接，这两方面各公司都有自己的专利。
为适应用户对分断性能要求的差异，各公司MCCB系列产品中都分成经济型、标准型、高分断型和超限流型等类别。对一个系列中各种类型结构的选择，目前有两种方案：施耐德、ABB、GE、LG、金钟-默勒等公司都采用双断点一统到底的方案，当旋转双断点结构用于经济型和标准型时，采用简化结构，降低原材料要求来降低成本；而以三菱、富士和寺崎为代表的日本公司则以单断点为主体结构方案，以三菱WS新系列MCCB为例，250A以上结构（见图4）采用背后区域封闭结构，提高了单断点结构分断性能；250A结构（见图5）采用每相有单独灭弧小室，加上在灭弧室内放置产气材料来加强气吹，这种结构被称为产气材料侵蚀自动气吹技术。该系列中超级限流型则采用在传统单断点断路器上附加限流头，实现分断时多断点分断，达到Icu＝Ics＝200kA。表1为两种方案的比较。
2 永磁接触器与智能接触器
由于节能要求，国内外对永磁操作的接触器都给于了相当的重视。目前，国内的很多方案在电磁铁吸合位置依靠永磁来保持，当电源断电时存在失压保护问题。由施耐德公司提出，在国际上近期流行一种三气隙永磁接触器（见图6），它依靠反力弹簧释放，因而没有失压保护问题。图6（b）为其工作原理，其中，气隙1和2是主工作气隙，用于产生吸力，气隙3用于主生释放位置保持力，即反力。由于永磁起释放保持力作用，可使反力弹簧力减小，加上吸合时永磁也参与吸引，因而可节能；其次，这种电磁结构使铁心中永磁和线圈产生的磁通相互抵消，铁心中磁通密度降低，可减小铁心尺寸。
对一线圈电压为24V的三气隙永磁接触器进行动态仿真，图7、8分别为线圈加上额定电压与临界吸上电压14V时的电流和行程曲线。由图可见，在临界吸上电压时，与传统直流操作的接触器相似，铁心的触头会产生强烈振动，因而永磁接触器更适合与智能操作结合起来组成智能永磁接触器。图9为带电流反馈智能永磁接触器框图，交流输入经整流生，采用PWM方式，通过电力电子开关MOSFET给线圈供电，中央控制模块接收线圈电流的反馈信号，实现对MOSFET的控制，不同的线圈电流对应不同的调制占空比，从而在电磁铁吸合中保持线圈中通过的电流不变，这就不会产生一般直流电磁铁在临界吸合电压下衔铁抖动现象。由仿真获得的动态过程电流的行程变化曲线如图10所示。
智能永磁接触器还可通过吸合后改变占空比进一步实现节能，在吸合过程中，保持线圈电流Ix 不变，并使其对应的吸力特性公稍高于反力特性，以降低动铁心的动能；当动铁心吸合后，线圈电流低，并保持在Ib以节能（见图11）。因而，智能永磁接触器由于能实现动铁心的软着陆，大幅度提高了接触器的寿命，并能进一步节能。
3 电弧测量新技术与气吹机理
由于电弧磁流体动力学模型尚不完善，依靠仿真来实现灭弧的优化设计还为时过早，因而新的灭弧室开发主要依靠电弧的现代测试技术，其中最主要是灭弧室内电弧运动的监察，现有的方法是利用快速摄像机和二维光纤摄像系统。最近，法国Montluconand Christian Arnoux电气技术实验室与施耐德公司合作研究一种基于磁场逆问题的磁摄像技术，其原理是把霍尔传感器布置在灭弧室两侧，当电弧在灭弧室内运动时，通过测得的磁场，利用逆问题算出空间的电流密度分布，然后确定电弧在每一瞬间的位置。测量中把电弧看作多条垂堆6面体单元体积的并行堆积，并假定电流在单元体内均匀分布，根据磁传感器测得磁场BA，可用下式计算出每个单元的电流密度i,从而确定电弧位置。
式中：N为传感器个数；g为矩阵中系数。
该实验室用这种方法测量一模型灭弧室中电弧从动触头转移到跑弧道的过程，短路预期电流为12kA,测试针对3种不同的触头材料进行，其中，材料a为Cu,材料为AgWC,材c为AgC。图12（a）为测试装置，平行跑弧道长80mm，宽4mm，电极间隙20mm，霍尔传感器放置于模型两侧，每边20个传感器，两个传感器间距为1mm；图12显示了3种材料在电弧转移前瞬间t1、开始转移瞬间t2 、转移后瞬间t3 的电弧图像，触头材料Cu转移得最快。
作为一种新方法，其优点是不破坏灭弧室外壳，但易受灭弧室内导磁体的影响，当灭弧室内有磁屏蔽时则不能用。3种电弧摄像系统对比如表2所示。
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