淺析小型斷路器分斷能力的改進

（浙江正泰電器股份有限公司，浙江 溫州 325600）

摘要：小型斷路器廣泛地運用于終端供電線路中，其中一個關鍵的技術指標是分斷能力，分斷能力的高低決定了電器保護的有效性。文章介紹了分斷過程中電弧產生的機理、合理設計出氣孔以及滅弧柵結構等方面的內容，從而達到提高小型斷路器的分斷能力的目的。

關鍵詞：小型斷路器；電弧；分斷能力；出氣孔；滅弧柵

中圖分類號：TM564 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2012）25-0031-03

在目前狀況下，小型斷路器正朝著分斷能力高、體積小和模數化的趨勢發展。國內小型斷路器產品的分斷能力大部分處于4.5～6kA，而且分斷能力可靠性不高，制約了小型斷路器的發展。如何在維持現有生產工藝與技術不變的情況下，通過對小型斷路器的相關結構進行優化改進來提高其分斷能力及可靠性成為關注的焦點。因此，我們可以以電弧的產生機理來考慮如何通過工藝改進達到提高分斷性能的目的。

1 電弧的產生機理

小型斷路器在閉合和斷開電路時都可能產生電弧，但是為了實際應用的需要，我們大多數情況下僅僅關注和研究小型斷路器在斷開電路時產生電弧的機理。

小型斷路器在分斷過程中，動靜觸頭的接觸面積逐漸減少，其接觸電阻和電流密度增大導致溫度升高，動靜觸頭在高溫加熱下被熔融而形成液態金屬橋。隨著動靜觸頭的分離，液態金屬橋的溫度繼續升高，直到被拉斷并氣化形成金屬蒸氣，此時釋放到動靜觸頭間的金屬蒸氣創造了熱電離的條件，在動靜觸頭間的電子與離子碰撞會產生電離，而且原子與原子的碰撞以及熱輻射都會產生電離。當所加電源高于起弧電壓時就會使熔融的液態金屬橋產生電弧。

迅速的熄滅電弧是提高小型斷路器分斷性能的重要技術指標，現從以下幾方面來對小型斷路器的分斷性能進行探討。

2 合理設計出氣孔的尺寸

20世紀以來，人們經歷了由磁吹滅弧到氣吹滅弧的認識，更加深入地研究了增大電弧運動驅動力的途徑。通過設計合理的出氣孔大小來保證滅弧柵內外壓力差，也可以達到驅動電弧運動和冷卻電弧，并且減小電弧的停滯時間，從而達到有效分斷電弧的作用。

利用高溫時氣吹滅弧理論，對于燃燒的熾熱電弧，根據能量平衡原理，電弧燃燒過程中，設在dt時間內，滅弧室內溫度和壓力上升所需的能量為：

d（mcVT+pV）=dE－dQ （1）

式中：m為滅弧室氣體質量；cV為氣體定容比熱容；T為滅弧室內溫度；p為滅弧室內的壓力；V為滅弧室體積；Q為出氣孔消耗的能量；E為電弧提供給滅弧室的能量。

其中，氣體通過出氣孔消耗的能量為：

dQ=K/（K－1）（p/ρ）αAρnνndt （2）

式中：K為氣體絕熱指數，對空氣K=1.4；ρ為滅弧室氣體密度；A為出氣孔面積；α為氣體摩擦和收縮系數；ρn和νn分別為出氣孔的氣體密度和速度。

電弧提供給滅弧室的能量為：

dE=Kpuarcidt （3）

式中：Kp為電弧能量轉化為壓力上升部分的比例系數；uarc為電弧電壓；i為電弧電流。

由式（1）、（2）、（3）可得：

（4）

由上式可知dp/dt隨出氣孔面積A的減小而增大，即出氣孔面積A減小有利于吹弧，但是滅弧室壓力過大會導致外殼炸破等情況。此外，實踐證明過度減少出氣孔的面積將導致電弧的背后擊穿現象，因此可適當增加出氣孔的橫截面積，并通過與緩沖區的配合來促進電弧的迅速熄滅。

基于以上理論，通過適當增加某種系列小型斷路器的出氣孔大小，使改進后的產品與未改進的產品均通以預期短路電流峰值為4kA的電流，試驗結果數據如表1所示：

表1 試驗結果數據

項目Ip/kAI2t/kA2sTmb/ms

更改前4～560～807～9

更改后3～440～605～7

通過表1可以看出，適當增加出氣孔大小后與未進行更改的產品進行對比試驗，電弧的峰值電流及能量明顯降低，大大提高了小型斷路器的分斷性能。

3 滅弧柵的結構優化

滅弧裝置是小型斷路器的重要組成部分，對電弧的熄滅起到至關重要的影響，其滅弧能力決定了小型斷路器的性能。而滅弧柵片是滅弧裝置的關鍵部件，只有設計合理結構的滅弧柵片才能提高小型斷路器的滅弧性能。

通過對傳統滅弧柵結構以及分斷過程電弧在滅弧室的走向情況的分析，對傳統滅弧室結構進行了改進，其結構如圖1所示：

傳統滅弧柵 更改后滅弧柵

圖1

將改進前與改進后的產品均通以預期短路電流峰值為4kA的電流，試驗后的結果數據如表2所示：

表2 試驗后的結果數據

項目Ip/kAI2t/kA2sTmb/ms

更改前4～570～907～9

更改后3～450～706～8

4 設計限流型觸頭裝置

傳統的小型斷路器在出現短路故障時，一般通過四連桿機構解鎖帶動觸頭機構分開來斷開電流，此種分斷電路的方法分斷時間較長，而且電弧產生的能量較大?？梢栽O計一種觸頭裝置，使其在短路電流達到一定范圍時，通過動靜觸頭產生的電動斥力來分開動靜觸頭，以達到限流分斷的目的，并可以有效地降低電弧的能量。

建立動靜觸頭在閉合時處于平行狀態的模型，如圖2所示，假設觸頭間通過的電流為i。造成觸頭分開的斥力有動靜觸頭間的電動斥力和回路電動斥力。

圖2

根據Holm公式可知，觸頭受到的電動斥力為：

（5）

（6）

式中：Fc為觸頭間電動斥力；μ0為真空磁導率；D為觸頭接觸面的直徑；a為觸頭接觸斑點的直徑；Fj為作用在觸頭上的初壓力；ξ為材料變形系數，在0.30～1.00之間，通常取0.45；Hb為觸頭材料的布氏硬度。

利用磁場分析法計算回路電動斥力為：

（7）

式中：FL為回路電動斥力；J為電流密度；B為磁通密度。

根據式（5）、（7）可以初步設計動靜觸頭的結構和尺寸，并與觸頭彈簧合理配合，使其在短路電流達到一定數值時，通過較大的電動斥力來分開動靜觸頭，從而提高其限流能力和分斷的速度。如果要精確進行電動斥力的計算，可采用導電橋模型，并結合三維有限元手段獲得。

進行限流型觸頭裝置設計時要充分考慮觸頭機構的電動穩定性，并注意與脫扣器和連桿機構的合理配合，防止動靜觸頭分開后由于脫扣器和連桿機構未迅速動作而導致其回落或重新閉合，從而影響其分斷的性能。正泰NB1系列產品即是限流型小型斷路器的典范，其具有高分斷的性能。

5 結語

提高分斷能力是小型斷路器未來的發展方向之一，可以考慮采用下述方法來作為分斷能力改進的途徑：適當設計出氣孔的尺寸，并與電弧緩沖區相配合，保持滅弧室的高壓力，進行高壓吹弧，促進電弧運動，降低電弧停滯時間，并且能夠防止背后擊穿，迅速冷卻電弧的效果；適當進行滅弧柵的結構優化可增加滅弧室的吸弧能力，并更有效地分割電弧，有利于電弧的冷卻；通過合理設計動靜觸頭閉合時處于平行位置的結構，來增大短路電流時的電動斥力，提高其限流能力。

參考文獻

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作者簡介：司鶯歌（1975-），男，浙江正泰電器股份有限公司工程師，研究方向：低壓電器研究開發；翟華吉（1978-），女，浙江正泰電器股份有限公司工程師，研究方向：低壓電器質量控制。

（責任編輯：周加轉）