高海拔微型斷路器分?jǐn)嘈阅艿臄?shù)值仿真分析及應(yīng)用

楊文強(qiáng)，張蓬鶴,2，張保亮,2

(1.中國電力科學(xué)研究院有限公司，北京 100192；2.西藏羊八井高海拔電氣安全與電磁環(huán)境國家野外科學(xué)觀測研究站，拉薩 851517)

0 引 言

微型斷路器發(fā)生短路故障時(shí)產(chǎn)生大電流，由電磁脫扣器瞬時(shí)分?jǐn)嘣趦?nèi)部引起高能量的電弧，對(duì)斷路器本體造成巨大危害，且大電流對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生熱效應(yīng)和電動(dòng)力效應(yīng)，易引發(fā)系統(tǒng)故障和電氣火災(zāi)。微型斷路器內(nèi)以空氣為介質(zhì)，高海拔環(huán)境下，電子平均自由行程加長，碰撞分子產(chǎn)生新電子的概率加大，且空氣傳熱能力下降，電弧冷卻速度下降，加大了滅弧難度，大電流危害增加。目前國家標(biāo)準(zhǔn)《特殊環(huán)境條件高原電工電子產(chǎn)品第1部分：通用技術(shù)要求》和《特殊環(huán)境條件高原用低壓電器技術(shù)要求》只定性指出高海拔環(huán)境下斷路器分?jǐn)嘈阅芟陆担瑳]有給出具體的修正方法。文獻(xiàn)[1]在斷路器工作電壓與分?jǐn)嘈阅芏螖M合函數(shù)中引入工作電壓海拔降低系數(shù)，綜合得到海拔高度、電壓以及分?jǐn)嘈阅苋叩年P(guān)系。文獻(xiàn)[2-6]探討了包括大電流、功率因數(shù)、合閘角度、觸點(diǎn)開距和電弧電壓的狀態(tài)參數(shù)對(duì)開關(guān)電器電弧能量的影響。國外學(xué)者也研究了高海拔地區(qū)具有的自然氣候條件對(duì)電氣設(shè)備的使用與絕緣性能的影響[7-8]。尚沒有針對(duì)高海拔環(huán)境下斷路器大電流分?jǐn)噙^程中燃弧能量、焦耳積分和峰值電流帶來危害的全面評(píng)估的研究。文獻(xiàn)[9]由斷路器觸頭分離前的電流和導(dǎo)體壓降波形計(jì)算附加回路阻抗值，再結(jié)合燃弧階段的電流值消除斷路器內(nèi)部導(dǎo)電回路壓降。文獻(xiàn)[10-13]運(yùn)用磁流體動(dòng)力學(xué)模型仿真分析不同驅(qū)弧方式、驅(qū)動(dòng)力作用下電弧運(yùn)動(dòng)及形態(tài)變化的規(guī)律。文獻(xiàn)[14-16]則通過改變柵片數(shù)量、觸頭開距探討斷路器分?jǐn)嘈阅軆?yōu)化的方法。文獻(xiàn)[17-20]試驗(yàn)分析引弧片、柵片和出氣口的改進(jìn)設(shè)計(jì)對(duì)分?jǐn)嘈阅艿奶嵘饔谩Ｉ袥]有開展高海拔環(huán)境下的斷路器分?jǐn)嘈阅芟陆党潭攘炕治黾案纳圃O(shè)計(jì)的研究。文中根據(jù)高海拔環(huán)境下電弧電壓的變化將微型斷路器分?jǐn)噙^程劃分為4個(gè)階段，給出相應(yīng)的電弧電壓電流數(shù)值方程，并理論分析電流大小、合閘相角、電弧電壓和氣壓對(duì)滅弧過程的影響，再求解數(shù)值方程得到不同條件下的分?jǐn)嚯娀‰娏麟妷呵€，計(jì)算滅弧時(shí)間、電弧能量、電弧電流峰值和焦耳積分，并試驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果，分別以燃弧能量、焦耳積分和綜合指標(biāo)的增加百分?jǐn)?shù)評(píng)估高海拔環(huán)境對(duì)分?jǐn)嘈阅艿牧踊饔茫瑪?shù)值計(jì)算觸頭分離時(shí)刻電流設(shè)計(jì)為原值的0.8倍、柵片電壓提高40V以及兩因素同時(shí)作用對(duì)分?jǐn)嘈阅艿奶嵘Ч⒃囼?yàn)驗(yàn)證斷路器優(yōu)化設(shè)計(jì)后大電流危害的下降程度。

1 高海拔環(huán)境下分?jǐn)鄶?shù)值分析

1.1 分?jǐn)鄶?shù)值方程

動(dòng)靜觸頭的材質(zhì)包括銅和銀，其熔點(diǎn)只有上千開爾文，遠(yuǎn)低于電弧溫度，陰陽極電子發(fā)射中熱發(fā)射比例低，主要電離形式為強(qiáng)場發(fā)射，高海拔環(huán)境下電子碰撞電離的概率增大，弧柱熱電離程度加大，空間電荷密度上升，電弧內(nèi)部場強(qiáng)E下降，電弧電壓峰值Uam下降，可由式(1)求得，壓強(qiáng)對(duì)電弧密度的影響大于其對(duì)電導(dǎo)率的影響，相同溫度下，密度ρ和壓強(qiáng)成正比，因此可近似認(rèn)為電弧電壓峰值與壓強(qiáng)的m次方成正比例關(guān)系，對(duì)于空氣來說m取為0.22[21]。

如圖1所示。

圖1 電弧運(yùn)動(dòng)示意圖

高海拔環(huán)境下交流斷路器分?jǐn)鄷r(shí)，依據(jù)電弧電壓ua的變化情況其分?jǐn)嗫煞譃?個(gè)過程：(1)通電至動(dòng)靜觸頭分離前，尚未產(chǎn)生電弧，其電壓電流滿足一階電路方程；(2)起弧并停滯期間，電弧電壓ΔU≈20 V，附加該電壓至電路方程即可；(3)ts時(shí)刻電弧循著引弧通道開始運(yùn)動(dòng)至進(jìn)入滅弧柵期間，電弧拉長速度受電流大小作用，電弧電壓與弧長成比例增長，與氣壓正相關(guān)，進(jìn)入滅弧柵后到達(dá)峰值Uam，其電壓電流滿足式(2)；(4)tf時(shí)刻電弧進(jìn)入柵片被切割成數(shù)段熄滅期間，理想狀態(tài)下電弧電壓維持為峰值，其電壓電流滿足式(3)，直至電流ia為零[22]。在相同負(fù)載條件下，電壓初始值隨θ增大而增大，電流上升加快，但總的分?jǐn)喑跏枷嘟?wta+θ)是增大的，在正弦函數(shù)作用下分?jǐn)嚯娏髯匀贿^零點(diǎn)的時(shí)間縮短，但當(dāng)θ增大到某個(gè)角度時(shí)，通電時(shí)電源電壓過低，電流增長速度慢，觸頭在電流過渡到負(fù)半周才發(fā)生分?jǐn)啵谡液瘮?shù)負(fù)半周電流可能在分?jǐn)嗪罄^續(xù)升高，延長自然過零點(diǎn)的時(shí)間。預(yù)期分?jǐn)嚯娏髟酱螅娀」β试酱螅瑴缁r(shí)間延長。在相同預(yù)期大電流條件下，氣壓越低，電弧電壓越低，分?jǐn)嗥陂g電流下降越慢，電流自然過零點(diǎn)的時(shí)間越長，其滅弧時(shí)間越長，在電路中產(chǎn)生的焦耳熱更多；電流峰值越大，對(duì)電氣設(shè)備的電動(dòng)力作用越大；同時(shí)產(chǎn)生的電弧能量越大，對(duì)斷路器內(nèi)部的侵蝕作用越嚴(yán)重。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中xd為動(dòng)觸頭到柵片的距離；ε為發(fā)射系數(shù)；k為輻射傳輸系數(shù)；σ為空氣電導(dǎo)率；ρ為低氣壓下空氣密度；ρ0為常壓下的空氣密度；斷路器結(jié)構(gòu)相關(guān)常數(shù)β由式(4)計(jì)算得到[22]；x為電弧長度；is為電弧開始運(yùn)動(dòng)時(shí)的電流；L為回路電感值；R為回路電阻值；Um為系統(tǒng)電壓峰值；w為角頻率；t為通電時(shí)間；θ為合閘相角；if為電弧電壓達(dá)到峰值時(shí)的電流。

1.2 大電流危害分析

短路故障發(fā)生時(shí)，大電流作用下導(dǎo)體短時(shí)間內(nèi)會(huì)產(chǎn)生大量的焦耳熱，影響電氣設(shè)備的熱穩(wěn)定度，其大小由焦耳積分IJ來表征；峰值電流則影響設(shè)備的動(dòng)穩(wěn)定度，其大小由電流峰值Im來表征；同時(shí)，分?jǐn)噙^程中電弧直接灼燒斷路器本體產(chǎn)生危害，其大小由燃弧能量Ea來表征。因此，對(duì)斷路器分?jǐn)嘈阅艿木C合評(píng)估應(yīng)包括這三方面因素的影響，可由式(5)～式(7)分析高海拔環(huán)境對(duì)斷路器分?jǐn)嘈阅艿牧踊饔茫煌瑘鼍跋赂饕蛩氐脑O(shè)置權(quán)重不同。

(5)

(6)

d∈=uEdE+uJdJ+uIdI

(7)

式中te為通電至熄弧間隔時(shí)間；t0為通電至起弧間隔時(shí)間；dε為大電流危害綜合增加值；uE和dE分別為燃弧能量權(quán)重和增加值；uJ和dJ分別為焦耳積分權(quán)重和增加值；uI和dI分別為峰值電流權(quán)重和增加值。

1.3 數(shù)值分析結(jié)果

1.3.1 合閘相角影響分析

低壓配電網(wǎng)用微型斷路器的尺寸分為100 A以下和100 A及以上兩大類，內(nèi)部器件形狀大體相同，尺寸隨電流大小變化，因此可選取常用的額定電流63 A和100 A的樣品作為典型結(jié)構(gòu)的微型斷路器，由式(4)計(jì)算其結(jié)構(gòu)參數(shù)。斷路器分?jǐn)喾抡嬉罁?jù)電弧電流電壓分為4個(gè)階段，第3階段滿足多元微分方程，采用ode45算法求得數(shù)值解；其余階段滿足一元微分方程，推導(dǎo)求得解析解；聯(lián)合各階段的求解結(jié)果即得分?jǐn)嚯娀‰娏麟妷喝ㄐ巍Ｒ蛘也ㄕ?fù)半周對(duì)稱，只求解不同電流下、合閘相角在[0°,180°]區(qū)間內(nèi)取值時(shí)的數(shù)值方程，得到大電流分?jǐn)噙^程中的電流電壓波形，其中100 A樣品仿真結(jié)果如圖2所示，隨著合閘相角增大，電流上升速度增大、電弧電壓出現(xiàn)時(shí)間提前，1 kA大電流下電弧參量在合閘相角90°左右出現(xiàn)極值，3 kA大電流下的起弧時(shí)間較1 kA下的值明顯縮短，在合閘相角120°左右出現(xiàn)極值，之后合閘相角再增大，電流從正值過渡到負(fù)的較大值后才出現(xiàn)電弧電壓，總的電流上升速度減慢、電弧電壓出現(xiàn)時(shí)間延遲，合閘相角增大到180°時(shí)，電流電壓全程在零值以下，其變化規(guī)律和合閘相角為0°時(shí)類似。可以得到，1 kA大電流條件下對(duì)應(yīng)最長斷路器通電時(shí)間的合閘相角在[120°,150°]區(qū)間內(nèi)，3 kA大電流條件下對(duì)應(yīng)最長斷路器通電時(shí)間的合閘相角在[150°,180°]區(qū)間內(nèi)，6 kA大電流條件下電壓電流變化規(guī)律與3 kA的類似，其對(duì)應(yīng)通電時(shí)間峰值的合閘相角也在該區(qū)間。63 A樣品電弧電流電壓隨合閘相角改變的規(guī)律與100 A樣品大體相同。

圖2 不同合閘相角100 A樣品分?jǐn)嚯娀‰娏麟妷?/p>

1.3.2 氣壓影響分析

分別在1 kA、3 kA和6 kA大電流對(duì)應(yīng)最長斷路器通電時(shí)間的合閘相角下開展不同氣壓下的大電流分?jǐn)喾抡娣治觯蛉祟愰L期居住地區(qū)氣壓基本在[50 kPa,101.3 kPa]區(qū)間內(nèi)，只分析該氣壓范圍內(nèi)的大電流分?jǐn)噙^程。其中100 A樣品仿真結(jié)果如圖3所示，隨著氣壓下降，1 kA分?jǐn)嚯娏飨碌碾娀‰妷悍逯迪陆担娀‰娏飨陆邓俣葴p慢，滅弧時(shí)間延長，短路危害增大，3 kA和6 kA大電流條件下電壓電流隨氣壓變化規(guī)律與1 kA的類似。63 A樣品電弧電流電壓隨氣壓改變的規(guī)律與100 A樣品大體相同。

圖3 不同氣壓下100 A樣品分?jǐn)嚯娀‰娏麟妷?/p>

2 大電流分?jǐn)嘣囼?yàn)驗(yàn)證

2.1 高海拔大電流試驗(yàn)裝置

如圖4所示，高海拔大電流試驗(yàn)裝置由10 kV線路和沖擊試驗(yàn)變壓器獨(dú)立供電，根據(jù)不同試驗(yàn)條件負(fù)載電流調(diào)節(jié)范圍分為[1.5 kA,25 kA]和[0.5 kA,12.5 kA]兩種區(qū)間，由上下級(jí)阻抗聯(lián)合控制，功率因數(shù)調(diào)節(jié)范圍為[0.20,0.98]，合閘相角由選相開關(guān)調(diào)節(jié)，范圍在[0°,360°]內(nèi)，試品放置在高海拔模擬試驗(yàn)箱中開展試驗(yàn)，由高頻采集系統(tǒng)測取分?jǐn)噙^程中的電壓電流參量，電壓電流測取范圍分別為[0 V,1 500 V]和[0 kA,100 kA]，采樣頻率范圍為[0 MHz,100 MHz]。

圖4 高海拔大電流試驗(yàn)裝置

2.2 合閘相角影響驗(yàn)證

設(shè)置合閘相角在[0°,180°]區(qū)間內(nèi)變化，分別采用不同大小額定電流的樣品在1 kA、3 kA和6 kA預(yù)期大電流下開展分?jǐn)囹?yàn)證試驗(yàn)，每種情況下重復(fù)試驗(yàn)三次，計(jì)算滅弧時(shí)間ta、燃弧能量Ea、電流峰值Im和焦耳積分IJ平均值，其中100 A樣品在不同分?jǐn)嚯娏髑闆r下電弧電壓和電流曲線、電弧參量計(jì)算值與實(shí)測值對(duì)比情況分別如圖5和圖6所示。從圖5可以看出，預(yù)期分?jǐn)嚯娏髟酱螅鸹r(shí)間越早，燃弧時(shí)間延長，電弧電壓和電流峰值均顯著增加，和理論分析結(jié)果相符。相比于滅弧時(shí)間和峰值電流，燃弧能量和焦耳積分更能表征斷路器分?jǐn)嗲闆r，因此取這兩個(gè)參量綜合表征大電流危害，其值越大，大電流危害更嚴(yán)重。從圖6可以看出，1 kA分?jǐn)鄺l件下，100 A樣品最惡劣的大電流合閘相角在150°附近；3 kA分?jǐn)鄺l件下，100 A樣品最惡劣的大電流合閘相角在180°附近；6 kA分?jǐn)鄺l件下，100 A樣品最惡劣的大電流合閘相角在60°附近。63 A樣品分?jǐn)嚯娀⒘侩S合閘相角改變的規(guī)律與100 A樣品大體相同。圖5中曲線在合閘相角120°附近出現(xiàn)拐點(diǎn)是因?yàn)榛芈冯娏鬟_(dá)到瞬時(shí)脫扣電流時(shí)電磁脫扣器才足以推動(dòng)動(dòng)觸頭桿發(fā)生分?jǐn)啵哂醒訒r(shí)效應(yīng)，合閘相角增加時(shí)，合閘時(shí)電源電壓瞬時(shí)值增大，電流上升快，觸頭在電流的正半周上升階段發(fā)生分離，有利于限流，且電流自然過零點(diǎn)時(shí)間縮短，燃弧能量和焦耳積分下降，120°以后合閘相角再增大，電源電壓瞬時(shí)值顯著下降，電流上升慢，觸頭延時(shí)到電流負(fù)半周才發(fā)生分離，電流自然過零點(diǎn)時(shí)間延長，燃弧能量和焦耳積分顯著上升。數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)測值大體符合。

圖5 100 A樣品不同預(yù)期分?jǐn)嚯娏飨码娀‰娏麟妷呵€

圖6 100 A樣品分?jǐn)嚯娀⒘坑?jì)算值與實(shí)測值對(duì)比

2.3 高海拔環(huán)境影響驗(yàn)證

高海拔環(huán)境下等離子體電導(dǎo)率上升，碰撞電離、熱電離的概率加大，電弧內(nèi)部場強(qiáng)下降，端口電壓低，滅弧時(shí)間延長。選取不同樣品開展分?jǐn)嘀貜?fù)試驗(yàn)，每種情況下重復(fù)試驗(yàn)三次，其中63 A樣品3kA分?jǐn)嘣囼?yàn)結(jié)果如圖7所示，氣壓降低時(shí)，端口電壓隨之下降。再在不同氣壓下開展大電流分?jǐn)囹?yàn)證試驗(yàn)，計(jì)算焦耳積分和燃弧能量，其中100 A樣品不同電流分?jǐn)嚯娀⒘坑?jì)算值與實(shí)測值對(duì)比情況如圖8所示。1 kA分?jǐn)鄺l件下，氣壓降低時(shí)，燃弧能量和焦耳積分均有所增加；3 kA和6 kA分?jǐn)鄺l件下，氣壓降低時(shí)，燃弧能量和焦耳積分均明顯增加，數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)測值大體符合。63 A樣品分?jǐn)嚯娀⒘侩S氣壓改變的規(guī)律與100 A樣品大體相同。

圖7 63 A樣品3 kA分?jǐn)喽丝陔妷呵€

圖8 100 A樣品分?jǐn)嚯娀⒘坑?jì)算值與實(shí)測值對(duì)比

3 分?jǐn)嘈阅軆?yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 高海拔環(huán)境劣化作用分析

由試驗(yàn)結(jié)果可知，高海拔環(huán)境下峰值電流只發(fā)生輕微波動(dòng)，燃弧能量和焦耳積分變化明顯，以常壓下的數(shù)值為基準(zhǔn)值，只計(jì)算焦耳積分和燃弧能量增加值的標(biāo)幺值，設(shè)兩因素權(quán)重均為0.5，代入式(7)計(jì)算大電流危害增加值表征分?jǐn)嘈阅艿牧踊潭取?/p>

從100 A樣品的計(jì)算結(jié)果圖9可以看出，隨著氣壓下降，焦耳積分和燃弧能量均有增加，大電流危害加大，1 kA分?jǐn)鄺l件下，100 A樣品大電流危害綜合增加百分?jǐn)?shù)為4.2%，以燃弧能量增加為主，增加百分?jǐn)?shù)為8.4%；3 kA分?jǐn)鄺l件下，氣壓降至50 kPa時(shí)大電流危害綜合增加百分?jǐn)?shù)為28.5%，以燃弧能量增加為主，增加百分?jǐn)?shù)為34.4%；6 kA分?jǐn)鄺l件下，氣壓降至50 kPa時(shí)大電流危害綜合增加百分?jǐn)?shù)為26.5%，焦耳積分上升較多，增加百分?jǐn)?shù)為28.1%。63A樣品大電流危害隨氣壓的變化規(guī)律大體相同，大電流分?jǐn)鄷r(shí)大電流危害綜合增加百分?jǐn)?shù)大于30%。可以得到，高海拔環(huán)境條件下，斷路器分?jǐn)嘈阅芟陆得黠@，大電流對(duì)本體和電力系統(tǒng)造成危害顯著增大。

圖9 100 A樣品不同氣壓下大電流危害改變規(guī)律

3.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)驗(yàn)證

觸頭分離時(shí)刻越早，限流作用越顯著，有利于減少焦耳積分；電弧電壓越高，電流下降越快，有利于降低燃弧能量。在斷路器尺寸不變的情況下，分別通過改變電磁脫扣線圈圈數(shù)、柵片數(shù)量開展驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，其中100 A樣品不同結(jié)構(gòu)下3kA分?jǐn)嚯妳⒘咳绫?所示，在原有2.5圈線圈的基礎(chǔ)上，增加線圈有利于降低電流峰值，焦耳積分值發(fā)生波動(dòng)；在原有12片柵片的基礎(chǔ)上，增加?xùn)牌瑪?shù)量有利于降低燃弧能量和焦耳積分值，減少柵片數(shù)效果相反。為提升斷路器在高海拔環(huán)境下的適應(yīng)力，減少大電流危害，下面數(shù)值模擬觸頭分離時(shí)刻電流設(shè)計(jì)為原值的0.8倍、柵片電壓提高40 V兩因素同時(shí)作用對(duì)分?jǐn)噙^程的影響，并通過增加電磁脫扣線圈圈數(shù)和滅弧柵片數(shù)量開展驗(yàn)證試驗(yàn)，其中100 A樣品的計(jì)算值與實(shí)測值對(duì)比示于表2。原樣品在3 kA和6 kA分?jǐn)嗲闆r下高海拔環(huán)境分?jǐn)嗟姆逯惦娏鞣謩e為2.7 kA和4.8 kA，優(yōu)化設(shè)計(jì)后降至2.2 kA和4.4 kA，峰值電壓從不到330 V提高至360 V左右，分?jǐn)嘈阅茱@著改善，數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)測值大體符合。

表1 不同結(jié)構(gòu)下分?jǐn)嚯妳⒘繉?duì)比

將表2所得結(jié)果代入式(7)計(jì)算優(yōu)化設(shè)計(jì)后的大電流危害改善情況，得到優(yōu)化設(shè)計(jì)后的100 A樣品在50 kPa下3 kA和6 kA分?jǐn)嗟拇箅娏魑：︼@著減小，大電流危害增加值綜合指標(biāo)小于3%，幾乎降低至低海拔地區(qū)的相應(yīng)值。

表2 優(yōu)化后的100 A樣品分?jǐn)嚯妳⒘?/p>

4 結(jié)束語

文中劃分出高海拔環(huán)境下微型斷路器分?jǐn)嗟乃膫€(gè)階段，數(shù)值模擬電弧電流電壓變化過程，得到不同預(yù)期大電流條件下對(duì)斷路器考核最嚴(yán)格的合閘相角，在該相角下分析氣壓降低時(shí)電弧參量變化規(guī)律，提出性能提升方案并設(shè)計(jì)驗(yàn)證，并分析斷路器優(yōu)化前后大電流危害變化情況，得到以下結(jié)論：

(1)不同大電流下分?jǐn)嚯妳⒘侩S合閘相角改變的規(guī)律不同，斷路器在1 kA、3 kA和6 kA預(yù)期大電流分?jǐn)鄺l件下對(duì)應(yīng)考核最嚴(yán)格相角分別為150°、180°和60°；

(2)氣壓下降時(shí)，電弧電壓降低，滅弧時(shí)間、燃弧能量和焦耳積分增加，電流越大，增加量越顯著，分?jǐn)嘈阅芰踊矫黠@；

(3)高海拔環(huán)境下斷路器大電流危害增加百分?jǐn)?shù)超過26%，優(yōu)化設(shè)計(jì)后大電流危害降低至低海拔地區(qū)的相應(yīng)值，驗(yàn)證了數(shù)值仿真方法的實(shí)用性，且設(shè)計(jì)方案能為高海拔環(huán)境下微型斷路器的分?jǐn)嘈阅軆?yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。