U型滅弧柵片在不同等級電流分斷的影響分析

摘要： 通過對兩種滅弧柵片結構在不同電流等級下的分斷試驗對比，得出不同滅弧柵片結構對不同電流開斷時的影響程度。結果表明：滅弧柵片的U型結構特征對臨界直流負載電流開斷無明顯影響，對額定電流開斷有重要影響，對低短路電流開斷有微小影響，對高短路電流開斷無明顯影響。通過對開斷不同直流電流下電弧的電壓和電流波形圖的研究分析，對提升產品的性能及使用的可靠性有一定的幫助。關鍵詞： 直流斷路器; 滅弧柵片結構; 電流開斷; 磁吹

中圖分類號： TU852文獻標志碼： A文章編號： 1674-8417（2024）07-0013-04

DOI： 10.16618/j.cnki.1674-8417.2024.07.003

0引言

直流輸配電技術具有傳輸線路損耗低、快速控制的調節性能、可靠性高等優點，是實現“雙碳”目標的關鍵技術之一，而新能源技術是實現“雙碳”目標的必然路徑。光伏行業的蓬勃發展推動了直流配電系統的廣泛應用，因此也對直流電器開關提出了更高的要求。由于交流電在一個周期內有兩次過零，而直流電有別于交流電不存在自然過零瞬間，因此以空氣作為介質的直流斷路器需要通過建立足夠的電弧電壓實現電弧熄滅［1］。直流電路開斷大致分為系統故障下短路開斷及系統正常下帶載開斷兩種工況［2］。

短路開斷時需要斷路器產品能夠快速熄滅線路中產生的短路電流電弧，防止電弧對開關的損壞從而導致被保護設備及線路被燒損，因此在元器件選用時通常選擇滿足相應需求的斷路器產品。

當系統正常運行時，帶載開斷電路時分為兩種情況，當電流較大時產生的電弧能量也相對較高，容易在斷路器內部產生高溫、高壓區域，這些因素亦可成為驅動電弧向低溫、低壓區運動的條件;而當電流較小時電弧能量相對較小，產生的磁場及氣體流動效果非常微弱，因此電弧會以較慢的速度移動，導致斷路器產品開斷時間變長［3］。

氣吹滅弧技術和磁吹滅弧技術是斷路器快速熄滅電弧的常用手段。其中滅弧柵片的U型結構特征的磁吹效果在不同的電流開斷中起到了不同的作用。

1試驗平臺及試驗條件

斷路器產品選擇上下結構布局形式的兩極新平臺直流塑殼斷路器，對比試驗時僅變化滅弧室中滅弧柵片的結構形式，保持其他結構及參數相同。兩種不同的滅弧柵片結構如圖1所示。有U型結構滅弧柵片產品模型剖面圖如圖2所示。無U型結構滅弧柵片產品模型剖面圖如圖3所示。

根據產品的可開斷電流大小范圍，確定試驗電壓為DC 1 500 V，在開斷正常電流情況下：臨界直流負載電流為4 A，額定電流為630 A;在開斷故障電流情況下：低短路開斷電流為5 kA，高短路開斷電流為20 kA。測量收集分斷時的電流和電壓數據，通過試驗對比說明不同滅弧柵片結構在不同電流分斷時的作用。

2結果分析

（1） 在臨界直流負載電流情況下。

斷路器在開斷臨界直流負載電流時，開斷電流比較小，電流產生的自勵磁場很小，滅弧柵片對電弧的吸引力也很小，動靜觸點的弧根分別停留在動靜觸頭上，弧根不發生位移，電弧的弧柱區域僅向柵片方向彎曲，電弧不進入滅弧柵片，不被柵片切割，僅依靠介質冷卻熄滅電弧，導致開斷的燃弧時間急劇增加。臨界電流分斷電弧電壓波形對比圖如圖4所示。

從圖4可以看出，兩種滅弧柵片開斷臨界負載電流時，電弧電壓數值差不多，因為電弧未進入滅弧室，電弧電壓主要為弧柱電壓，在電弧熄滅時刻電弧電壓仍遠低于電源電壓，電弧的熄滅是由于電弧的冷卻造成的。通過對比試驗，說明電流較低時，滅弧柵片的U型結構對電弧的吸引效果較弱，在磁吹較弱的情況下不能加快臨界電流電弧的熄滅，滅弧柵片的U型結構特征對臨界直流負載電流的開斷無明顯的影響。

（2） 在額定電流情況下。

斷路器開斷額定電流時，電流比較大，電流產生的自勵磁場較大，滅弧柵片對電弧的吸引力也較大，電弧的弧根可以從動靜觸點轉移至引弧片，電弧可以快速進入滅弧室被滅弧柵片切割。兩種柵片額定電流開斷波形對比圖如圖5所示。兩種柵片額定電流開斷電弧電壓對比圖如圖6所示。

從圖5和圖6可以看出，當斷路器剛斷開產生電弧的5 ms時間內，兩種滅弧柵片對比試驗的電弧電壓上升和電流下降值相差不大，因為剛產生電弧時，電弧還沒有被拉長，電弧電壓較低。在5 ms以后，電弧被快速拉長，有U型結構的滅弧柵片被電流磁化后吸引電弧快速進入滅弧柵片，電弧電壓快速上升，電弧電流快速下降，電弧燃弧時間短;無U型結構的滅弧柵片磁化較弱，滅弧柵片和電弧的距離相對較遠，觸頭打開區域內電弧受到的磁吹力較小，電弧的弧根轉移運動速度慢，電弧進入滅弧室遠端的柵片更困難，導致電弧電壓波動大，電流下降的速度較慢，電弧的燃弧時間長。通過對比試驗及波形圖，說明有U型結構的滅弧柵片對額定電流電弧的熄滅有重要的影響。

在直流臨界負載電流和額定電流的分斷中，因電流值相對較小，電弧產生的能量低，對觸頭滅弧區域的絕緣材料灼燒不嚴重，絕緣材料產氣較少，滅弧室區域不能形成足夠的氣壓，沒有明顯的氣吹作用。

（3） 在低短路電流情況下。

斷路器開斷低短路電流時，電流比較大，電流產生的自勵磁場比較大，滅弧柵片對電弧的吸引力大。同時，在能量較大電弧的作用下，絕緣材料的產氣量明顯增加，可較快地增加滅弧室的壓力，推動電弧進入滅弧室。低短路電流分斷電流波形對比圖如圖7所示。低短路電流分斷電弧電壓波形對比圖如圖8所示。

從圖7和圖8可以看出，在產氣量相同，氣吹效果一致的條件下，無U型結構滅弧柵片的電弧電壓更容易出現較大的波動，電弧熄滅得更慢。這是因為沒有U型結構特征的滅弧柵片對電弧的吸引效果較弱，電弧進入滅弧室遠處柵片的阻力較大，導致滅弧室切割電弧的滅弧柵片數量少，滅弧室的利用率低，在電弧電壓上升困難的情況下，電弧熄滅就變得相對困難，燃弧時間更長。在低短路電流情況下，因為氣吹效果的增強，U型結構滅弧柵片磁吹的影響程度降低，總的效果使滅弧柵片的U型結構對低短路電流分斷影響減小。

（4） 在高短路電流情況下。

斷路器開斷高短路電流時，短路電流很大，電流產生的自勵磁場很大，滅弧柵片對電弧的吸引力也很大。在高短路電流情況下，電弧能量很大，滅弧室絕緣材料在高電弧能量的灼燒下，極短時間內產生大量的氣體，使滅弧室區域壓力急劇增加，推動電弧快速進入滅弧室。高短路電流分斷電流波形對比圖如圖9所示。高短路電流分斷電弧電壓波形對比圖如圖10所示。

從圖9和圖10的兩個對比圖中可以看出，電弧從產生到進入滅弧室的時間內，電流和電弧電壓的上升速率幾乎相同，在滅弧室內保持的電弧電壓也幾乎相同，總的分斷時間都約20 ms。說明在高短路電流的分斷中，產氣材料產生的氣吹力已經遠遠大于磁吹力，兩種滅弧柵片結構的分斷時間幾乎沒有差異，在整個分斷滅弧過程中，氣吹起到了主要的作用。通過對比試驗說明，在高短路電流情況下，因氣吹滅弧占據主要的作用，滅弧柵片的U型結構的磁吹作用對短路分斷無明顯影響。

3結語

U型結構滅弧柵片在不同電流分斷中起到的作用不同。當分斷臨界直流負載電流時，滅弧柵片的U型結構特征對臨界直流負載電流的開斷無明顯的影響。當分斷額定電流時，滅弧柵片的U型結構對額定電流電弧的熄滅有重要的影響。當分斷低短路電流時，滅弧柵片的U型結構對低短路電流電弧的熄滅有微小的影響。當分斷高短路電流時，滅弧柵片的U型結構對高短路電流電弧的熄滅幾乎無影響。

［1］錢宇.大容量直流空氣斷路器電弧動態特性的研究［D］.沈陽：沈陽工業大學，2022.

［2］霍競沖，孟潤泉，李勝文，等.低壓直流配電系統極間短路故障分析與保護［J］.電網與清潔能源，2023，39（5）：1-10.

［3］MORIAI H.Interruption technology of breakers for high-voltage direct current［J］.Fuji Electric Review，2012，58（238）：127-132.

收稿日期： 20240517

Analysis of the Influence of U-Shaped Arc Extinguishing Grid on

Different Levels of Current Breaking

SUN Liangquan

［Shanghai Electric Apparatus Research Institute（Group） Co.， Ltd.， Shanghai 200063， China］

Abstract： This article compares the breaking tests of two types of arc extinguishing grid structures at different current levels，and obtains the degree of influence of different arc extinguishing grid structures on different current breaking.The results show that the U-shaped structural characteristics of the arc extinguishing grid have no significant impact on the critical DC load current breaking，have an important impact on the rated current breaking，have a slight impact on the low short-circuit current breaking，and have no significant impact on the high short-circuit current breaking.This article analyzes the voltage and current waveforms of arcs under different DC currents，which can help improve the performance and reliability of products.

Key words： DC circuit breaker; arc extinguishing grid structure; current interruption; magnetic blowing