高分断小型断路器中限流技术的应用及其实现.docx

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高分断小型断路器中限流技术的应用及其实现

高分断小型断路器中限流技术的应用及其实现

断路器分断过程分析

这里对短路情况下的分断过程进行分析，进而分析断路器在最严酷的条件下所面临的问题。

按IEC60947-2和GB14048.2的规定，断路器的短路分断能力通过Icu（额定极限短路分断能力）和Ics（额定运行短路分断能力）来验证。

Icu的试验程序为O-t-CO，Ics的试验程序为O-t-CO-t-CO。

Icu和Ics短路分断试验后，还要进行耐压、保护特性和温升（Ics后）复校试验。

O（Open）即断路器从闭合状态下施加短路电流后断开的过程。

CO（Close-Open）是断路器继试验O后间歇t时间（一般为3min）再接着进行的短路试验，是断路器从断开到手动闭合再到自动断开的过程。

很多文献介绍了断路器的断开原理，这类似于试验O的分断过程。

试验CO可以认为是包含了试验O的全过程，我们以分析试验CO的运动全过程，作为以建立断路器限流特性模型的基础。

CO分断过程如下：

a.    在施加短路电流情况下，断路器从断开状态开始进行人力接通。

当动触头运行到离接触静触头某一距离（1mm左右）时，由于带电离子在两极（动静触头）电场作用下游离产生电弧，直到接通瞬间为止，此时间称为接通时间t1（0～T1时刻）；

b.    动静触头接通瞬间，短路电流迅速上升，

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直到达到瞬时脱扣器整定电流范围，此时间为称为停滞时间t2（T1～T2时刻）。

c.    瞬时脱扣机构动作，锁扣打开，跳扣动作，

动触头分开，动静触头迅速拉弧，电弧在磁力作用下，在触头表面移动，直到触头开距达到最大，此时间称为分离时间t3（T2～T3时刻）。

d.电弧从引弧角引向灭弧室，进入灭弧室并产生高压电弧，限制短路电流上升，直到断开短路电流，此时间称为燃弧时间t4（T2～T4时刻）；

限流模型分析

短路断开时，以断路器部分为断开模型分析。

L为断路器电感分量、R为断路器电阻分量、Rx为电弧产生的动态电阻，Ix为短路电流，U为电源电压。

断路器断开模拟电路图

根据电弧理论，电弧电阻Rx与弧柱长度lx、弧柱直径dx，弧柱电阻率ρX有关：

单位时间内，弧柱长度lx除了与断路器结构有关，还与电弧游离动静触头方的向速度Vx有关，Vx越块，单位时间内lx越长。

T3～T4时刻，弧柱进入灭弧栅片，弧柱电压为n个（灭弧栅片间隔数量）近阴极和近阳极电压Ux，当n≥时，可保证电弧熄灭。

显然，在断路器固有电阻R和电感L确定的情况下（由断路器温升和动作特性决定），分离时间t3和燃弧时间t4是断路器限流的关键因素。

分离时间由断路器动作机构决定，机构动作速度越块，分离时间越短，限流水平越好。

燃弧时间由断路器电弧电压和电弧电压上升的速度有关。

4.1串联双断点断开限流技术

在塑料外壳式断路器中，串联双断点断开技术早已推广和应用，如施耐德公司NS系列、ABB的Tmax系列,GE的RecordPlus系列，金钟-默勒的MZN系列等。

这些双断点结构都采取每极有单独灭弧小室的结构，以保证灭弧室后端的封闭。

串联双断点原理，相当于电路中再串联一个断开的动态电弧电阻Rx，使动态电弧电阻Rx成倍增大，大大增强了限流效果。

这种串联双断点结构的断路器较传统的单断点结构的断路器，具有显著的限流效果，其短路分断能力有质的提高。

缺点是结构复杂，工艺要求高，稳定性和可靠性不如单断点结构，工厂化批量生产时可能存在的主要质量问题有：

a.两对动静触头接通和分断的同步性存在一定误差，使两触头发热不均衡，电气寿命、分断能力、触头温升、动作特性等存在不稳定情况；

b.由于存在两个串联的断点，其接通可靠性不

如单触点，当两对动静触头开距超程偏差较大时，容易造成其中一个动触头虚接现象，接触可靠性不高。

 我们结合传统旋转式单断点动触头结构及优点，通过虚拟样机设计和模拟仿真，从设计和工艺上同时得到保证。

本产品串联双断点触头有以下特点：

a.    动触板设计为“U”形旋转式结构，两动触头设计在“U”形两端的顶部，“U”中部用转轴固定，“U”底部用传动连杆推拉。

这种结构使两个动触头同时绕轴旋转，保证了两个动触点转动同步性；

b.动触头采用铜基镶银复合铜带，经工艺处理后冲压成型，不但保证了两个动触头的硬度及导电率的一致性，而且采用模压成型的动触点保证了尺寸的精度；

c.进线端静触头部位和出线端静触头部位用塑料壳体定位和固定，保证了两对动静触头之间的超程和开距的精确性和稳定性；

d.加大触头超程和终压力，避免了虚接现象。

同时，采用快速闭合和断开的动作机构，使接通和断开迅速完成，弥补了由于两对动静触头的超程和开距客观存在的误差而造成同步性问题。

4.2去离子栅限流技术

又称金属栅片灭弧装置，在各种断路器中普遍应用，技术成熟。

本产品设计有两个独立的灭弧室，每对触头有单独封闭的灭弧室结构，如图3。

如前所述，当电弧进入栅片后，被分割成多个短弧的近极压降，使电弧电压迅速上升，从而削弱预期短路电流升高，达到限流和灭弧的目的。

为了有较高的电弧电压，本产品设计的灭孤室栅片数比一般的断路器要多，并且排列得更紧密，使电弧电压上升的更快，起到的限流效果更好。

4.3磁吹限流技术

磁吹限流的原理是，带电电弧离子在磁场作用下迅速游离。

如前所述，磁吹加速了电弧运动速度Vx，即加速拉长电弧lx，电弧电阻Rx迅速增大，起到限流。

NC125采用的是强磁吹线圈结构，其特点是在磁吹线圈中心装一铁心，为了减小涡流损耗，并引导磁路指向引弧角，铁心由多个导磁片叠铆，并将极面磨削成一斜面。

这种结构特点是磁场很强，磁吹力量大，但制造工艺要求高，铁心成本高。

本磁吹结构设计为固定线圈的线圈支架结构，与热磁系统点焊为一体。

线圈支架采用导磁材料的覆铜钢带，U形结构。

线圈通过电流时产生磁通，方向如箭头所示，并将线圈支架磁化。

当动静触头分开并产生电弧时，由于线圈支架产生的磁通与电弧的轴线垂直，电弧就在电动力作用下向下运动，并引到引弧角上，起到迅速拉长电弧作用，达到磁吹限流目的。

该结构采用传统工艺，制造成本低。

4.4窄缝法限流技术

如前所述，迅速拉长电弧Lx，压缩弧柱直径dx有利于限流。

本产品利用引弧角部件，巧妙设计窄缝通道结构，如图4，把驱动电弧运动的引弧角通道设计为逐渐变窄的喇叭口形状，两引弧角在最窄处形成一狭小窄缝。

两电极（引弧角）间隙逐渐减小，磁通逐渐增强，带电电弧离子受到磁力越大，进而加速度增大，电弧运动速度迅速增加，使电弧迅速拉长。

与此同时，引弧通道窄缝将电弧直径dx压缩，起到限流作用。

4.5VJC限流技术

VJC法主要是在电极的四周覆盖一定厚度的绝缘物和高电阻金属材料，从而对电弧弧柱进行控制，以达到升高电弧电压的目的。

利用这一原理，

4.7气吹限流技术

气吹限流技术目前已广泛应用于低压断路器的灭弧。

绝缘隔板采用了产气钢纸（俗称反白），由电弧产生的瞬间高温将钢纸分解、汽化，产生高压气体，使引弧通道内壁压力迅速升高，抑制预期短路电流峰值快速上升，起到限制目的。

灭弧室采用混合式结构设计。

在灭弧室栅片间用产气绝缘材料部件固定，该部件尾部设计为细缝排气孔。

在电弧的高温作用下，绝缘材料发出大量的绝缘物蒸气并迅速积聚，限制电弧弧根扩张，使电弧弧根周围压力进一步提高，电弧游离、熄灭、电弧电阻上升，电弧电压提高。

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