（电气工程专业论文）带电子脱扣器的船用直流空气断路器研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 随着我国船舶电力推进的普及和容量的不断增加，对船用直流空气断路器 的要求不断提高，主要表现在短路分断能力和过电流保护。本文选择我国船用 z d s 直流空气断路器作为基型，重点对触头及灭弧系统设计、电子脱扣器设计 等问题进行了研究，为船用直流空气断路器走向电子化、模块化，为断路器工 程设计奠定了基础。 本文首先给出了直流断路器的电弧特性和熄弧原理，对直流电弧的熄灭条 件和熄灭方法进行了分析探讨，分析了电感对燃弧时间的影响及限制断口过电 压的方法。 在探讨提高断路器短路分断能力的研究中，着重研究了触头材料的配对选 择和灭弧系统中消弧装置的设计。针对直流断路器分断能力研究中的难点，采 用混合式灭弧室和独立安装的消弧装置来提高分断能力并限制弧区，通过 c u 。a g w ，a g w a g w 触头配对分断能力对比试验，发现了影响分断能力的关键 要素，通过电弧停滞时间的分析，判定了两种触头配对材料的优劣。 为实现断路器过电流保护，摒弃了原电磁式结构，重新设计了电子脱扣器。 主要完成了电流检测、控制单元及直流变换器的设计；并介绍了电子脱扣器的 电磁兼容工程设计。 以研制的样机为对象，介绍了断路器短路分断试验和过电流保护分断试验 的电路和方法，对断路器性能指标进行了试验验证，对试验结果进行了分析。 最后，本文对研究工作进行了总结并对直流断路器下一步的研究进行了 展现。 关键词：空气断路器 直流电弧分断能力 过电流电子脱扣器 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t hd e v e l o p m e n to fm a r i n ee l e c t r i cp r o p u l s i o na n dt h ei n c r e a s i n go ft h ep o w e r c a p a c i t yi no t l rc o u n t r y ，m a r i n ed ca i rc i r c u i tb r e a k e ri sr e q u i r e dm o r es t r i c t l y i tm a i n l y f o c u s e so ns h o r t c i r c u i tb r e a k i n g c a p a c i t y a n do v e r c u r r e n t p r o t e c t i o n t h i sp a p e r i l l u s t r a t e st h er e s e a r c h o nd e s i g no fc o n t a c t ，d e s i g no fa r cs u p p r e s s i n gs y s t e m ，a n dd e s i g n o fe l e c t r o n i cr e l e a s eb yap r o t o t y p eo fm a r i n ez d sd ca i rc i r c u i tb r e a k e ri no u rc o u n t r y t h ep u r p o s eo ft h i sp a p e ri st os e tt h es t a g ef o rd e s i g no fe l e c t r o n i cd ca i rc i r c u i tb r e a k e l m o d u l a r i z a t i o no fm a r i n ed ca i rc i r c u i tb r e a k e ra n di t se n g i n e e r i n gd e s i g n t h i sp a p e rf i r s t l ys t a t e sa r cc h a r a c t e r i s t i c so fd cc i r c u i t b r e a k e ra n di t sp r i n c i p l e o fa r cs u p p r e s s i o n ，t h e nd i s c u s s e st h es u p p r e s s i n gt e r m sa n ds u p p r e s s i n gm e t h o do fd c a r c ，a n df i n a l l ya n a l y z e se f f e c to fi n d u c t a n c eo na r c i n gt i m ea n dt h em e t h o d st ol i m i t o v e rv o l t a g ea tb r e a k a m o n gr e s e a r c h o nh o wt oi m p r o v es h o r t c i r c u i tb r e a k i n gc a p a c i t yo f c i r c u i t b r e a k e r ，i tp u ta ne m p h a s i so np a i r i n gs e l e c t i o no fc o n t a c tm a t e r i a l sa n dd e s i g n o fa r cs u p p r e s s i n ga p p a r a t u si na r c s u p p r e s s i n gs y s t e m a i m e d a tt h ed i f f i c u l t i e s o c c u r r e di nt h es t u d i e so nb r e a k i n gc a p a c i t yo fd cc i r c u i tb r e a k e r ，i nt h ep a p e rt h e b r e a k i n gc a p a c i t y i s i m p r o v e d a n da r c i n gr e g i o ni sl i m i t e db yu s i n gh y b r i da r c e x t i n g u i s hc h a m b e ra n ds e p a r a t e l ym o u n t e da r cs u p p r e s s i n ga p p a r a t u s ，k e yf a c t o r s a f f e c t i n gt h eb r e a k i n gc a p a c i t y i sf o u n db yc o m p a r a t i v et e s to ft h eb r e a k i n gc a p a c i t y w i t hc u a g wa n da g w - a g wm a t i n gc o n t a c t s ，a n dt h em a t e r i a lu s e df o rt w ot y p eo f m a t i n gc o n t a c t si sd e f i n e db yt h ea n a l y s i so na r cd e l a yt i m e i no r d e rt oa c h i e v eo v e r c u r r e n tp r o t e c t i o no fc i r c u i tb r e a k e r ，i td i s c a r d sp r e v i o u s e l e c t r o m a g n e t i cs t r u c t u r ea n dr e d e s i g n se l e c t r o n i cr e l e a s e i td e s i g n sc u r r e n td e t e c t i o n s y s t e m ，c o n t r o lu n i ta n dd cc o n v e r t e r f u r t h e r m o r e ，i tp r e s e n t se m ce n g i n e e r i n g d e s i g no fe l e c t r o n i cr e l e a s e i ta l s op r e s e n t st h ec i r c u i t si ns h o r t c i r c u i tb r e a k i n gt e s to fc i r c u i tb r e a k e ra n do v e r c u r r e n tp r o t e c t i o nb r e a k i n gt e s ta n dt h et e s ta p p r o a c h i nt h ee n d ，t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h ee n t i r er e s e a r c ha n db r i e f l yi n t r o d u c e sf u t u r e r e s e a r c ho nd cb r e a k e r k e yw o r d s ：a i rc i r c u i tb r e a k e r d ce l e c t r i ca r c b r e a k i n gc a p a c i t y o v e rc u r r e n te l e c t r o n i cr e l e a s e l j 独创性声明 本人声明所里交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 ， 研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外、，一弄论文不包含任何其他个 k 一 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者叛桶以伊 日期：2 一年阳月占日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文搜查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密曰。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：聋为叫七c 日辄啡r d 月莎日 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题背景及选题意义 人们对电力的应用和认识以及电力科学的发展首先从直流电开始。由于直流电所 具有的独特的优越性，人们对于直流电的应用研究就一直没有停止过。除了高压直流 输电系统外，目前地铁、轨道交通、船舶等交通工具，冶会、矿山等工业领域以及超 导( 电感) 储能、受控热核聚变等物理试验装置及一些特殊场合如：电力系统中控制、 保护、信号及自动装胃的电源等都采用直流供电。作为直流供电系统最重要的控制和 保护设备的直流断路器，一直都是南流电力系统的难点和关注的焦点。 概括地讲，断路器在电网中起着两方面的作用；第一，控制作用。根据电网运 行需要，用断路器把一部分电力设备或线路投入或退出运行。这种作用称为控制。第 二，保护作用。断路器还可以在电力线路或设备发生故障时将故障部分从电网快速切 除，保证电网中的无故障部分正常运行。这种作用称为保护。总之，断路器要求能够 开断、关合及承载运行线路的f 常电流，也能在规定时间内承载、关合及开断规定的 异常电流，如过载电流和短路电流。 随着直流供电系统容量的持续增长和负荷密度的增加，电网巾短路故障电流水平 h 益增高。较大的短路电流给电力系统的安全稳定运行带来诸多威胁，限制了线路输 电能力的发挥和电网的优化运行，短路电流的开断也面临严重的困难。因此开发与研 制新型直流断路器一直是各国努力的方向。近年来，我国船舶工业发展很快，造船吨 位越来越大，采用直流电力推进船舶的电力容量和负荷也不断增加，电网中可能出现 的过载、短路故障电流水平f ：i 益增高。船用直流空气断路器相对一般工业用空气断路 器而言，主要体现在其耐受环境能力( 如耐湿热性能、耐振动、冲击性能、耐盐雾性 能、耐霉菌性能等) 和对空间尺寸和重量的要求上( 空间尺寸及重量应尽可能小) 。 我国直使用的船用z d s 系列直流空气断路器无论从电压等级、电流等级、分断能力 及过电流保护范围、精度等都已不能完全满足设计要求，国外从上世纪9 0 年代中、后 期开始发展的新一代断路器产品一般都具有高性能、小型化、电子化、智能化、模块 化、组合化、多功能化等特征，我国船用直流空气断路器必须克服船舶的严酷条件向电 子化、智能化方向发展，因此研制带电子脱扣器的断路器或智能断路器、提高断路器 分断能力束提高的整体技术性能已成为我国船用直流空气断路器发展的必然趋势。 因此本课题对船用空气断路器所进行的研究具有十分重要的现实意义。 华中科技大学硕士学位论文 = ；= = = 2 = = = = = ；= = = = = = = = = = = = ；= = = = = = 一= = 1 2 国内外研究现状及存在问题 随着传感器技术、微电子技术的进步，低压电器在经历了从电磁式向电子式的发 展后已开始进入智能化。以微电子技术为核心的测控技术被成功地应用在各种低压电 器中，不仅改进了开关性能，同时在某种程度上也推进了电网二次技术的革新【如。空 气断路器属低压电器范畴，国外从上世纪9 0 年代中、后期开始发展的新一代交流框 架式断路器产品一般都实现了高性能、电子化、智能化、模块化，产品系列、规格、 品种齐全、覆盖面广，能适应低压配电、控制系统与成套装置发展要求，如法国施耐 德公司的m t 系列：与m 系列相比额定短路分断能力与额定短时耐受电流进一步提 高：外形尺寸缩小，保护功能齐全：智能控制器在在原保护功能基础上，增加电压、 频率、和功率的测量，谐波和基波的计算，能与多种现场总线连接等。西门子公司的 w l 系列：与原w n 6 系列相比，智能控制器功能与测量精度均有明显提高；电流、 电压测量精度从原来3 提高到1 ：功率测量精度从原来1 0 提高到3 ：通 信功能可以与多种现场总线连接，配置了内部总线，区域连锁模块等。a b b 公司在f 系列的基础上推出了e 系列，美国g e 公司推出了m p a c t 系列，韩国l g 公司推出 了a c e h e c 系列，美国马凯公司推出了m e g n u m 系列新产品【3 l 。我国交流框架式断 路器的发展经过仿制、自行设计、更新换代和技术引进等几个阶段，从d w l 0 系列 到d w l 5 、d w l 6 系列的更新换代，再至自主开发的d w 4 5 系列和技术引进的m e 系列，产品初步具备高性能、小型化、电子化、智能化、组合化、多功能化等技术 特点。现阶段的主要目标是开发大容量无飞弧智能化框架断路器，完善d w 4 5 系列， 开发新型低压真空断路器，使之适应特殊环境要求，具有免维护、无飞弧、高寿命的 优良性能h 1 。 相对交流空气断路器而言，直流空气断路器应用面较窄，主要应用于轧钢、化工、 轨道交通等行业的直流电力系统，这些系统一般选用交直流两用型空气断路器，并以 交流应用为设计主线，兼顾直流特点，而专用直流空气断路器规格、品种较少，国内 主要有上海华通厂d w 9 4 系列，上海立新电器厂d s 系列直流快速断路器，其各项指 标远未达到国际水平。国外直流空气断路器也不多见，但从西门子3 w v 系列和瑞士 s e c h r o n 公司u r 系列来看，指标高，性能优良，也是我国直流电力系统引进的主选 产品。 船用直流空气断路器主要用在船舶电力推进和电力系统巾，该系统配置的直流断 路器体现了各国船用直流断路器的基本状况，其主要参数见表1 1 【5 j 。各国船用直流断 华中科技大学硕士学位论文 路器的电压等级、电流等级各异，分断能力不同，这些指标主要是依据系统保护方案 的要求而确定，同时也受材料、工艺、技术水平等方面的制约。 表1 1国内外船用直流空气断路器基本参数表 国别型号额定电压( v )额定电流( a )分断能力( k a ) 美国a c b 系列3 5 5 2 6 0 0 3 2 0 07 5k a 2 2 0 v ，6 0k a ： 德国m e 系列 2 2 0 ，4 4 06 3 0 ，5 0 0 0 4 4 0 v ，4 0k a 德国 r 9 1 48 0 03 0 0 03 5k a 法国d s a i 系列 5 0 02 5 0 0 ，3 2 0 0 ，4 0 0 08 5k a 2 5k a ，5 0k a ， 日本d b 系列 2 5 06 0 0 ，1 6 0 0 ，3 0 0 0 ，4 0 0 0 7 5k a ，1 0 0k a 日本a h 系列 2 5 06 0 0 ，一，4 0 0 04 0 k a 原j 5 = 联a m 系列2 3 0 8 0 0 ，1 6 0 0 2 5 0 07 0k a 中国z s d4 0 0 4 0 0 04 0k a 我国现在使用的z d s 船用直流空气断路器保护方案很长时间一直停留在仿前苏 联产品模式上，在新型船舶上应用主要存在的问题是：电压等级、电流等级、分断能 力不够；过电流保护电流动作范围、精度不够，可靠性差；断路器调整、维修刁i 方便。 1 3 论文研究的主要内容 ( 1 ) 介绍直流断路器电弧特性和熄弧原理，分析直流电弧的熄灭过程、熄火条件、 熄灭方法，给出直流电弧的静态伏安特性经验公式；燃弧时间、电弧熄火时过电压计 算公式；分析并讨论电感对燃弧时间的影响及限制过电压的方法等。 ( 2 ) 介绍船用直流窀气断路器的机构及设计。着重研究触头材料的配对选择和消 弧装置的设计。 ( 3 ) 研究断路器的电子脱扣器设计。主要完成电流检测、控制单元设计、电源设计。 ( 4 ) 讨论断路器电磁兼容工程设计及采取的措施。 ( 5 ) 试验和分析。介绍直流断路器的分断能力试验、过电流分断试验，并对试验 结果进行分析。 ( 6 ) 全文总结，并对直流断路器的发展进行了展望。 华中科技大学硕士学位论文 2 直流电弧的特性和熄灭原理 直流空气断路器的一t l , 脏是一个具有可变阻抗的分断元件一电弧【6 4 】。断路器的设 计技术和科学就是控制电弧，以便使电弧的阻抗随电流按需要的方式变化，并在这种 变化规律下，令人满意地分断电流。 在直流断路器分断过程中所面临的主要问题有两个，一个是开断过程中，直流电 流没有自然过零点，造成断口不能自然熄弧，因此必须强迫断口电流过零；另个问 题是在开断过程中，系统中储存有巨大的能量，当断口电弧熄灭时，这一能量将造成 断口两端较高的瞬时恢复电压而导致断口电弧重燃，必须限制恢复电压并耗散掉这一 部分能量。 因此，直流开断可以概括为： ( 1 ) 在直流电路中，建立电流零点、熄灭电弧，并成功地耐受系统恢复电压的作用； ( 2 ) 抑制开断感性直流电流引起的过电压： ( 3 ) 耗散感性元件中储存的能量。 2 1 直流灭弧原理 2 1 1 直流电弧的静态和动态伏。安特性 设有如图2 1 所示的直流电路，电源电势为e ，大气电弧在触头l 和2 之间燃烧 可变电阻r 用以改变流过电弧的电流i h 。如果在维持弧长不变的情况下，给定每电 流后稍稳定一些时间( 大于几百微秒) ，等电弧中的发热和散热过程达到平衡后，测 量弧隙两端的电压u h ，则u h 和i h 的关系如图2 2 所示。这一关系就是直流电弧静态 伏- 安特性。当孤长较大( 如1 2 l - ) 时，则可测得另一较高的静态伏安特性。 图2 i 测鸯直流电弧伏一交特性的线路图2 2 不问弧长时真流电弧的静态伏一安特性 4 华中科技大学硕士学位论文 由图2 2 可以看到，直流电弧静态伏一安特性具有和，。般金属导体不同的性质，即 当i h 增大时，u h 减小。或者说电弧电阻r h ( 静态伏一安特性上任。点a 的r h = u d l h = t a n u ) 是随着i n 的增大而减小的。直流电弧静态伏安特性呈如此形状的原因在于，当 l h 增大时，输入电弧的功率增加，于是弧柱的温度升高，直径增大，因而使r h 剧烈下 降。 直流电弧的静态伏安特性与许多因素有关。除上述电弧长度外，主要的有：电极 材料、气体介质种类、压力和介质相对于电弧的运动速度等。在实际工作中，最好是 通过试验测得具体条件下的电弧静态伏安特性。如不可能，则应选用测试条件相近的 试验公式。下面列出的一砦试验公式可作参考1 0 叫3 1 。 对f 在空气中自由燃弧的直流电弧，有下列几种试验公式： ( 1 ) 在。个大气压下、弧长大于l c m ，i h 在几十安以下时， = a 删+ 掣 ( 2 _ 1 ) j h 式，：pf 一电弧长度，单位为c m ； ，。一电弧电流，单位为a ： u h 一弧隙端电压，单位为v ； a 、b 、c 和d 一常数。对铜，a = 3 0 ：b = 1 7 ；c = 4 8 ；d = 3 3 。 n = 2 6 2 1 0 4 ( 2 ) 在一个大气压下、铜电极，弧长为o 8 c m ，i h 在6 0 0 a 以下时，电弧电压( 单 俺为v ) 为 盱，h 等 沼z ， ( 3 ) 在高气压气体介质中，i h 在l 2 0 a 范围内，弧柱电场强度( 单位为v c m ) 为 e = c ，i “( 1 0 。p ) ” ( 2 3 ) ( 4 ) 在一个大气压下，自由燃烧的直流电弧弧柱电场强度( 单位为v c m ) e = c ，y ( 2 - 4 ) 式中c 和n 一常数。在大电流时，n = 0 ，2 5 0 3 5 ，平均取0 3 。 对于在一个大气压的空气中、铅电极阳 | 横向极间横向运动的电弧，当运动速度v 在2 0 0 m s 以下，i h 在6 0 0 a 以下时，弧柱电场强度e ( 单位为v c m ) 为 华中科技大学硕士学位论文 e ：一9 2 ( v + 1 0 ) ( 2 5 ) q lh 由上可见，即使同样地在大气压下自由燃弧，在不同情况下得到的试验公式也有很大 的筹异。差异的原因既可能是由于试验条件的不同，也可能是由于试验数据的分散性 或数据处理方法的不同。通常为了理论分析的方便，直流电弧的静态伏一安特性常采用 以下经验公式来表示： u = + 鲁 2 h 6 ) l 式中u d 一近极压降，单位为v ； u h - 一直流电弧弧隙端电压，单位为v ； l 一电弧长度； c 和n 一常数，视具体情况而定。 当i h 随时间以某一速度变化时，u h 也随之变化。图2 3 中曲线a a 表示电弧的 静态伏一安特性。设开始时i h = i l ，此时电弧稳定地燃烧在曲线a 。a 上的点1 。此时通 过改变电路的参数( 例如改变与电弧串联的电阻) ，使i h 以某一较快速度由i 一增大到 1 2 ，则此时u h 将不是沿着曲线a a 下降，而是沿着较高的曲线1 3 趋向点4 。如果i h 从i 】瞬时地增大到1 2 ( 即d i h d t = 。) ，则u h 将沿着直线1 2 趋向点4 。反之，如果i h 以某一较快的速度从i i 减小到1 3 ，则此时u h 将沿着比曲线a a 较低的曲线1 5 趋 向点6 。如果i h 从i i 瞬时地减小到零( 即d i h d t = 一。) ，则当忽略近极压降时，u h 将 沿着直线1 o 趋向于零。曲线1 3 和1 5 称为电流以某一速度变化时的电弧动态伏一 安特性，而直线o 1 2 称为电流变化速度为无穷大时的电弧动态伏一安特性。电弧动态 伏一安特性之所以会不同于静态伏安特性是因为弧柱的温度和直径具有热惯性。当i h 快速增大时，r h 来不及减小，以致u h 大于新的稳态时的数值；而当i h 减小时，r h 来不及增大，以至u h 小于新的稳态时的数值。当d l h d t = 一( 一一) 时，在i h 变化期 问，弧柱的温度直径保持不变，因而r h 也保持不变，所以此时的u h 沿着直线0 1 2 变化。 从图形2 3 可以看到，在一定条件下，电弧的静态伏安特性只有一条，而动态伏 一安特性却随着i h 变化速度不同可有无数条。当i h 随时间变化的速度也在变化时( 例 如在交流情况下) ，电弧动态伏一安特性将会表现出更为复杂的特性曲线。 华中科技大学硕士学位论文 = = ；= = = = = = = = = = = = = = = 2 = = = = = = ；= = = = = 一= 幽2 3 直流电弧的动态伏一安特性 2 1 2 直流电弧的熄灭原理 设有如图2 4 所示的直流电路，e 为电源电势，l 和r 分别为电路中的电感和电 阻，c 为折算到弧隙两端的线路电容。通常c 的数值很小，当电弧电压变化不很快时 其影响可以不计。当触头l 、2 之问存在电弧时，对此叫路可写出下列微分方程式 警州。+ u h 沼， 或l 掣：e r i 。一u 。 ( 2 - 8 ) 由于电弧的静态伏一安特性呈非线性，故以采用图解法求解式( 2 - 7 ) 中的稳态i h 较为方便。在图2 5 中，曲线a a 表示给定条件下电弧的静态伏一安特性，水平直线 a b 表示电源电势e ，斜向直线a c 与a b 成一夹角a 。令a = t a n r ，于是a c 的高度即代 表e r i h 。 图2 4 带有电弧的直流电路图2 5 用图解法求直流电路的电弧电流 由图2 5 可见，直线a c 和曲线a a 交于1 和2 两点。在点1 以左和点2 以右， 赢线a c 的高度低于曲线a a 的高度，即e 。r i h u h o 。所以，在这一 区域内，i h 将随时间的变化而增大。只有在点l 和点2 上才有e r i h u h = o ，即l d l h d t = o ， 于是得l h = 常数。这就是说，i h 不随时间变化，电弧处于稳定燃烧状态。由上分析可见， 存在两个稳定点一l 和2 ，它们分别对应于两个电流一i l 和1 2 。但是，如果仔细分析一 下便可看到，点1 的稳定是虚假的。因为，当l h = i i 时，若有某种原因( 例如弧长稍有 变化) 引起i h 稍大于i l 。则电路工作状态将背离点l 进入点1 和2 之间的区域。上面 已经说过，在此区域内，d l h d t o ，于是i h 将继续增大，直到等于1 2 。反之，当有某种 原因引起i h 稍小于i j 时，则电路工作状态也将背离点1 进入点1 以左的区域，在此区 域内，d i # d t e ，因而电弧不能维持而趋于熄灭。另一方面是提 高电弧静态伏安特性到如图2 6 中虚线曲线a7 a7 所示的位置，使之不和直线a c 相交。这样，电弧也将趋于熄灭。 盘属橱片 6 倒2 6 使稳定燃弧点2 不存在的措施 削27 用金属栅片将电弧分割成许多短弧 电弧压降u 。由电弧近极压降【，。和弧柱压降u 。组成，即： u = u 。+ u ：= u 。+ e l ( 2 - 9 ) 为了提高曲线a a ，按式( 2 - 3 ) 、( 2 5 ) 和式( 2 9 ) ，可以采取下列方法： 1 ) 增大近极压降u o 华中科技大学硕士学位论文 如果像图2 7 所示那样，用许多平行排列的金属栅片把电弧分割成许多串联的短 弧，那末，由于每一短弧都有阴极和阳极压降，总的电弧电压便大为增加。此时式 ( 2 9 ) 变成 u = n + 日 ( 2 _ 1 0 ) 式中n 一串联的短弧数： f ，一全部短弧的长度之和。 2 ) 增大电弧长度z 从式( 2 - 9 ) 可见，增大z 可以提高u h 。常用的方法有： ( 1 ) 用机械方法增加触头之间的距离，见图2 8 ( a ) ； ( 2 ) 依靠导电回路自身的磁场或外加磁场使电弧横向拉长，见图2 8 ( b ) ； ( 3 ) 在磁场作用| = i j ，在弧根在电极上移动以拉长电弧，见图2 8 ( c ) 3 ) 增大电场强度e ( a )( b )( c ) 图2 8 增人弧k 的方法 v ，一切向速度v 。一速度 从式( 2 - 9 ) 可见，增大e 也提高u h ，其具体方法又分下列几种： ( 1 ) 增高气体介质的压力p 【参见式( 2 3 ) 】： ( 2 ) 增大电弧与流体介质之间的相对运动速度v 参见式( 2 - 5 ) 】，两者之间相对 运动的方式，可以使电弧磁场作用下静止的流体介质中横向运动，也可以用高速运动 的流体介质横吹或纵吹电弧； ( 3 ) 使电弧与耐弧的绝缘材料密切接触，依靠后者对电弧的冷却作用以及其表 面对带电粒子复合能力的加强，使e 增大。 除以上熄弧方法外，还可以从外部电路采取措施。如为熄灭直流电弧，通常采用 提高电弧静态伏安特性的措施。或可采用如图2 9 所示的一种所谓人工过零的方法。 图中u 为电源电压，r f z 为负载电阻、l l 和l 2 为限流电感。当主开关s l 闭合时，电路 中流过的电流为i i 。由辅助开关s 2 控制的l c 回路与k l 弧隙并联。电容c 1 - _ 预先充 h ， nu，nu 华中科技大学硕士学位论文 有如图所示极性的电压。当开断电路时，弧隙k 1 中产生电弧，此时将开关s 2 闭合， 电容c 便通过电感l 、开关s 2 和s l 放电。放电电流1 2 是按正弦规律上升的。这样， 由于1 2 和i i 的方向相反，流过开关s l 的弧隙的电流1 1 1 2 便逐渐减小。当1 2 = 1 l 时，弧 隙s l 中的电流为零于是电弧熄灭。只要此时触头分开的距离足以承受熄弧后加在触 头两端的恢复电压而不发生击穿，电路便被完全开断。l l 和l 2 是在电容c 放电时， 起减少放电电流流入电源和负载的分流作用。 图2 9 熄灭直流电弧的人r 过零方法 2 1 3 直流电弧的能量和燃弧时间 开断直流电路时，从开关电器触头分开产生电弧起到电弧熄灭为止的时间，称为 直流电弧的燃弧时间。 在弧隙中产生电弧以后，如不满足直流电弧熄灭条件，电弧是不会熄灭的。实际 上，即使满足熄灭条件，它也不会立即熄灭，而只是开始趋向熄灭。也就是说，直流 电弧的熄灭总需经历一定的时间。通常这有两方面的原因：一是由于电路存在电感， 电流不能突变为零；一是由于弧柱具有热惯性，等效电阻不会突变到无穷大。下面仍 以图2 4 为例，来说明电感的存在对直流电弧燃弧时间的影响。将式( 2 - 7 ) 改写成如 下形式 u ；e 只， 一l 皇 ( 2 1 1 ) 将此式等号两边各乘以i h d t ，然后进行积分，并令积分上下限为：当t - - - - o 时，i h = i h o ( i h o 为电弧开始产生时的电流) ，t = t r a ( t r h 为燃弧时间) 时，i h = o 。于是得 争，。加l “加f “肼触+ 争 ( 2 _ 1 2 ) 上式等号左边为燃弧期间电弧中消耗的能量，等号右边第一项为在此期间电源供 给的能量，第二项为在此期间电阻r 中消耗的能量，第三项为燃弧开始时电感中储存 0 矾一 华中科技大学硕士学位论文 的能量。由此式可见，整个燃弧过程中消耗在电弧中的能量，除去电源供给的能量与 电阻中消耗的能量之差以外，还要加上电感中储存的能量。换句话说，燃弧开始时储 存在电感中的能量是不能返回电源的，而是必须泄放到弧隙中。由此，我们可以得出 结论： ( 1 ) 电路电感越大，则其中储能越多，要电弧熄灭必需从弧隙散发的能量也越多， 因而电弧越难熄灭。 ( 2 ) 由于电感中能量的泄放需要一定的时间，因而电感的存在使电弧不能立即熄 灭，必须等电感中能量泄放完或基本上泄放完后，电弧才能熄灭。 下面，再讨论燃弧时间的计算方法1 4 _ 17 1 。假设电路中电感数值较大，以致电弧由 于热惯性引起的燃弧时间的延长与电感引起的相比，可以忽略不计。这样，在计算燃 时间时，就可采用电弧的静态伏安特性，而不必一定要采用其动态伏安特性。又设 电弧的静态伏安特性可用式( 2 - 6 ) 表示，于是，当触头以速度v ( 单位为c m s ) 分 开时，电弧长度l = ”t ，而式( 2 - 7 ) 可以写为 百d h = 圭( e 一眠一一“4v f ) ( 2 _ 1 3 ) 式( 2 1 3 ) 是个非线性微分方程。它可借助于电子计算机用差分法或龙格一库塔 法求解。图2 。l o 示出用差分法计算直流电弧燃弧时间的程序框图。 在求得燃弧期间i h 的随时间变化的关系之后，便可用下式计算电弧能量w h = e j 驴，一出一r j 护聊f + 等 ( 2 - 1 4 ) 此式可借助计算机用数值积分法计算，用差分法计算燃弧时间的程序框图如图 2 】o 。 华中科技大学硕士学位论文 图21 0 用著分法计算燃弧时间的科序框图 1 2 华中科技大学硕士学位论文 2 1 4 直流电弧熄灭时的过电压 为了减轻电弧对触头和灭室的烧损以及降低它们的温升，通常希望燃弧时间越短 越好。但是，由于电路中不可避免地总是存在一定的电感，当燃弧时问过短亦即电 弧电流从某起始值下降到零的速度过快时，电感中将产生很大的自感电势。它连同 电源电势一起加在弧隙两端以及与之相连的线路和电气设备上，其电压可能比电源电 压大好多倍，通常称之为过电压。过电压产生后，一方而可能击穿弧隙，使电弧继续 燃烧；另一方面，可能将电气设备的绝缘击穿引起破坏性事故。所以在直流电路中， 如没有采取措施限制过电压的数值，则不可以过分减少燃弧时间。 过电压u 。的计算方法如下：仍以图2 4 为例，由式( 2 - 1 1 ) ，加在弧隙两端的过 电压 u s 圳 邓础卜l 等 心- 1 5 ) “l 通常在i h 趋近于零时u h 最高，亦即此时过电压最人，所以u g 的最大值可表示为 u 姐。l 等 ( 2 _ 1 5 a ) 由此式可见： ( 1 ) 当其他条件不变时，l 越大，则u 。越大，因而一般需将电弧拉得越长才 越能熄灭； ( 2 ) 当电弧电流趋近于零时的下降速度越快，亦即弧隙的消电离作用越强，则 u 。越大。所以在未采取限制过电压措施时采用消电离作用过分强烈的灭弧方法， 非但无益，反而有害。 l 7、 4 e o v l 1 丁 l - 州一 ， o i 图2 1 l 开断电感性负载时，电弧电压和电弧电流的示波图 华中科技大学硕士学位论文 图2 1 1 表示开断电感性负载时弧隙两端电压u 。和i h 变化情况的示波图。由图可 见，i h 在o 0 1 2 s 时间内下降到零，u 。在i h 过零时升到最高值4 6 0 v ，约为电源电压( 1 2 0 v ) 的4 倍。 在弧隙的消电离作用过分强烈的情况下，甚至可能发生电弧电流小到某一数值 时，由于弧隙中电离气体被强行吹走、电弧电流被强行截断的情况。因为流过l 的电 流不可能突然停止，于是原来流过弧隙的电流便转而流入与弧隙并联的电容c ( 参看 图2 , 4 ) ，电容器充电使其电压升高。当l 中电流等于零时，c 上的电压u 。亦即弧隙 两端电压u 。达到最大值u 。，。然后，c 再对l 和电源放电，经几次衰减振荡之后， 最后弧隙两端电压稳定在电源电势的数值。u l 或u 。的的变化过程如图2 1 2 所示。设 电流被截断时的瞬时值为i o ，此时弧隙两端的电压为u o ，则按能量平衡原理，可以得 出 丢c l ，：。= 丢c u ；。= 昙u ；+ 丢c u ： ( 2 - 1 6 ) 式中u 。、u 一；弧两端、电容c 上电压的峰值。 于是，在最不利的情况下，弧隙两端的过电压峰值为 厅一 u = 、詈，：+ u ； ( 2 1 7 ) 为了防止开断电感性负载时产生太高的过电压，通常可采用如图2 1 3 所示的几种 限压措施。图2 1 3 ( a ) 为负载并联一串有二极管v 和电阻r b 。当短路器闭合时，电阻 r b 中不流过电流。对这线路的过电压计算方法如下： 红 图21 2电弧电流被强行截断时弧隙上电压的变化情况 设弧隙k 开断时电弧电流下降到i o 时被截断，则因此时负载电感中自感电势的方 向如图中带圈的正负号所示，它在l r r b v _ l 回路中产生的电流i 。若不计v 的正向 华中科技大学硕士学位论文 压降，i 的变化过程可用下式描述 l 警+ ( r + r h ) ，- 0 ( 2 - 1 8 ) 将此微分方程求解并代入起始条件：t = o 时，i = i o ，则得 r 十凡 ，= l o e ( 2 - 1 9 ) 负载两端的电压 苎! 生， u n = i r b = r h f 0 p ( 2 - 2 0 ) 当t = 0 时，得弧隙k 两端过电压的最大值为 u f 。x = e + u n m 。= e + r 6 ，o ( 2 2 1 ) 山此式可见，选择适当的r n 数值，可以将过电压降低到所需的水平。这一方法 常用在低压断路器中。 ( d 】( b ) 斟2 1 3 开断电感负载时的儿种限压措施 图2 1 3 ( b ) 表示另一种限制过电压的方法。断路器有两个并联的弧隙：灭弧能力较 强的主弧隙k 1 和灭孤能力较弱的辅助弧隙k z 。开断电路时，k - 先分开，它熄弧后， 电流流经k 2 和并联r b ，然后k 2 再分开并熄弧。这样，一方面由于电路中串入了较大 的电阻，减小了电弧电流，亦即减少了储存在电感中的能量：另一方面，由于k ：灭 弧能力较弱，不会使电流下降速度过快甚至截断，所以就防止了产生很高的过电压。 2 2 直流灭弧装置 当电源电压超过数十伏，开关电流在数十安以上时，为减少电弧对触头的烧损和 限制电弧扩展空间，通常需要采取加强灭弧能力的措施，为此而采用的装置称为灭弧 装鬻。目前，已经设计了许多类型的灭弧装罱以适应各种不同工作条件的需要。归纳 华中科技大学硕士学位论文 起来，这些灭装置的灭弧原理主要有下列几种m 2 0 】： ( 1 ) 在大气中依靠触头的分开，机械地拉长电弧； ( 2 ) 利用流过导电回路或特制线圈的电流在燃弧区产生磁场，使电弧迅速移动 和拉长； ( 3 ) 依靠磁场的作用，将电弧驱入用耐弧材料制成的狭缝中以加强电弧的冷却 和消电离： ( 4 ) 用金属板将电弧分隔成许多串联的短弧； ( 5 ) 在封闭的灭弧室中，利用电弧自身能量分解固体材料，产生气体，以提高 灭弧室中的压力，或者利用产生的气体进行吹弧； ( 6 ) 利用电缴自身能量，使变压器油分解成含有大量氢气的气体并建立起很高 的压力，再利用此压力推动冷油和气体去吹弧； ( 7 ) 利用压缩空气吹弧； ( 8 ) 利用s f 6 气体吹弧； ( 9 ) 在高真空中开断触头，利用弧隙中由电极金属蒸汽形成的弧柱在电流过零 时迅速扩散的原理进行灭弧； ( 1 0 ) 利用石英砂等固体颗粒介质，限制电弧直径的扩展和加强冷却。 此外，作为提高灭弧装置开断能力辅助方法，还可采用： ( 1 ) 在弧隙弼端并联低值电阻； ( 2 ) 附加同步开断装置； ( 3 ) 附加晶阐管装鼍。 一个灭弧装置可以采用上述的某一个原理进行灭弧，但在大多数情况上，则是综 合采用几个暇理，以增大灭弧效果。在具体开关电器中，究竟采用哪一嵇灭弧原理， 除必须满足所需开断的电流和电器的工作电压之外，还要考虑电器的体积、制造成本、 使矧寿命和安装维修方便等各方面的因素。以下介绍几种熄弧枫理是本设计所涉及 的。 2 2 1 磁吹线圈 图2 1 4 ( a ) 表示某接触器中导电回路的原理布置图。当动触头2 向上运动与静触头 1 分离时，在左右两个孤隙中产生两个彼此串联的电弧。它们一方面被切向拉长，一 方面受导电回路磁场产生的电动力作用，向两侧作法向运动，使电弧受到拉长和冷却： 有时，也可将作为触头支架的导体制成如图2 1 4 ( b ) 中的3 所示的所谓灭弧角的形状。 1 6 华中科技大学硕士学位论文 当触头分开产生电弧时，将在导电回路磁场产生的电动力作用之下，其弧根迅速移到 灭弧角3 上燃烧。这样，不仅使弧迅速拉长，而且可以大大减少对触头的烧损。 ( 4 )( b ) 图2 1 4 利用导电回路磁场产生的电动力托k 电弧 1 一静触头2 一动触头3 一弧角 当需要更大的电动力驱使电弧进入灭弧室时，可以采用图2 1 5 所示的磁吹线圈以 产生附加的磁场。图中磁吹线圈1 由几匝粗导体绕成，它在电路上与静触头7 相串联。 为了减小磁路的磁阻以增大穿过触头间隙的磁通，在磁吹线圈的中心装一铁心2 ，铁 心两端平行地固定着两块钢夹板5 如图2 1 5 ( b ) 所示，动、静触头便安置在两钢夹板之 中。当触头处于闭合状态并流过电流时，磁吹线圈在钢夹板之间产生磁通，其方向如 图2 ，1 5 ( b ) o p 虚线箭头所示。当动、触头分开并产生电弧4 时，由于钢夹板中磁通方向 与电弧的轴线垂直，电弧就在电动力作用之下向上运动( 在图2 1 5 ( b ) r 是垂真于纸面 向上运动) 并转移到引弧角上燃烧和熄灭。 在这种磁吹线圈与电路串联的联接方式中，当铁心不饱和时，弧隙中的磁通b 与 开断电流i 。( 亦即电弧电流i 。) 成正比。于是作用在单位弧长上的电动力为 f d = 8 1h = k 2 i ( 2 _ 2 2 ) 式中k 比例系数。 剀2 1 5 磁吹线圈的务与构和r 作原理 1 一磁吹线圈 2 一铁心3 一引弧角 4 一电弧 5 一磁性夹板6 一动触头7 一静触头 8 一槽 华中科技大学硕士学位论文 在这。隋况下，如果磁吹线圈在开断大电流时产生的磁场适当，则在开断小电流 时将因电动力过小而引起吹弧困难。当然，也可以设计成磁吹线圈在开断小电流时产 生的磁场适当。但这样做，一方面将使磁吹线圈的匝数增加，增大了线圈的体积和有 色余属的用量；另一方面将使开断大电流时产生的磁场