讨论和分析近期低压电器的若干新技术

      气吹技术目前已广泛应用于低压断路器的灭弧，但多位学者通过测量都发现，灭弧室内电弧下方压力低于前方压力，这种压力分布，按电弧将向下方运动而不是向前运动。近年来，西安交通大学和德国布朗斯瓦许大学通过气体动力学和磁流体动力分析和仿真，出了一个观点，得即气吹作用是由于电弧生成的激波反射造成的。西安交通大学采用流体动力学中守恒方程与链式电弧模型相结合的数学模型，仿真了一简单模型灭弧室内压力传播和分布过程（见13），灭弧室长0.27m,截面积2.0×10-3 m2 ,左端封闭，在右端x＝b＝0.27m处有大小为2.0×10-4 m2 的出气口。电弧初始位置为x＝a＝0.12m。灭弧室受恒定磁场B＝0.001T作用，方向指向纸外。取分断电流为20kA，仿真结果如图14所示。燃弧后t＝0.75ms,可见生成的左行和右行激波；当t=0.75ms，左行激波己接近灭弧室底部；当t=0.80ms,左行激波通过底部产生压力波反射，而右行激波到达右瑞，由于右端有出气口，反射出压力波和膨胀波，膨胀波使灭弧室右端处压力降低；当t＝1.20ms,两端反射波在灭弧室中部形成高压区，这一与出气口处压力梯度是造成气吹的来源，这说明气吹作用是由于电弧生成的激波反射造成的。


      图15为德国布朗斯瓦许大学利用电弧磁流体动力学模型在一个简单灭弧室进行电弧运动仿真获得的电弧运动图像、激波反射和压力分布。当t=10μs,电弧点燃，点燃后产生激波向上下端移动，到达底部；t=15μs时产生压力波反射；在t=25μs时推动电弧，该过程反复使电弧向前运动，向上运动的激波在t=35μs达到栅片下端；而在t=45底部第1个反射波达到该处，激波速度达400～600m/s。第1个向上激波在t=78μs到达顶端后产生膨胀波（90μs，100μs）,向下反射，使内部压力下降（140μs,200μs）。在时间段300μs内电弧向上运动，在380μs时负气压充满了灭弧室，造成了电弧反向运动，当380μs时压力分布又反了过来，使电弧继续向前运动，550μs时电弧抵达栅片下端，然后沿着栅片拉长和弯曲，并受到栅片的冷却，在激波作用下，在分断过程中灭弧室压力分布不断变化，并影响电弧的运动。根据上述的气吹形成机理可解释新型灭弧室设计为什么要封闭后端，因为这有利于压力波在底部反射。

4  虚拟样机技术的应用与推广

      虚拟样机技术改变了传统以经验和模仿为主的设计开发模式，是一种开关电器新的研发平台，它不但可用于研制有自主知识产权的新产品，还可用于改进老产品，例如某低压电器生产厂依靠厂校合作，通过仿真把800A MCCB静导电回路由原平板进线静导杆改成平行U形进线扁平静导杆（见图16），这种改进保持了原触头开距不变，强了吹弧磁场，增改进的效果显著，使分断能力由65kA增大至85kA（见图17）。新能源的开发，力发电的推广应用，风加上低压电器的小型化和高性能，使额定电压为690V的开关电器受到重视，该电压等级的低压电器工作的电压峰值可高至1073V。另一方面，电器小型化涉及电器的发热问题，而发热又直接影响到电器的绝缘，因而新型电器的设计必须同时考虑绝缘和发热的问题。长期以来只有高压电器才需要进行电场仿真和优化设计，但在新的形势下，低压电器的绝缘计算也变得重要起来。最近Rock-well公司的FREI等人用一种把三维场简化为二维场的简化计算方法，进行了MCCB电场仿真与优化设计。图18为MCCB塑料底座上电极（双金属片和静触头导体等）的布置，图19为原设计仿真计算所得二维电场分布，图20为优化设计后的二维电场分布，比两者可看出，对原设计最高点的电场达2.43kV/mm,而优化设计后最高点的电场已降至1.24kV/mm其他各处电场也有明显降低。
 

参考文献

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[4]李志鹏.低压断路器灭弧室中的气体动力学问题研究[D].西安：西安交通大学，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
讨论和分析近期低压电器的若干新技术

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