高海拔微型斷路器分斷性能的數(shù)值仿真分析及應(yīng)用

楊文強，張蓬鶴,2，張保亮,2

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

0 引 言

微型斷路器發(fā)生短路故障時產(chǎn)生大電流，由電磁脫扣器瞬時分斷在內(nèi)部引起高能量的電弧，對斷路器本體造成巨大危害，且大電流對電力系統(tǒng)產(chǎn)生熱效應(yīng)和電動力效應(yīng)，易引發(fā)系統(tǒng)故障和電氣火災。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。目前國家標準《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)境下斷路器分斷性能下降，沒有給出具體的修正方法。文獻[1]在斷路器工作電壓與分斷性能二次擬合函數(shù)中引入工作電壓海拔降低系數(shù)，綜合得到海拔高度、電壓以及分斷性能三者的關(guān)系。文獻[2-6]探討了包括大電流、功率因數(shù)、合閘角度、觸點開距和電弧電壓的狀態(tài)參數(shù)對開關(guān)電器電弧能量的影響。國外學者也研究了高海拔地區(qū)具有的自然氣候條件對電氣設(shè)備的使用與絕緣性能的影響[7-8]。尚沒有針對高海拔環(huán)境下斷路器大電流分斷過程中燃弧能量、焦耳積分和峰值電流帶來危害的全面評估的研究。文獻[9]由斷路器觸頭分離前的電流和導體壓降波形計算附加回路阻抗值，再結(jié)合燃弧階段的電流值消除斷路器內(nèi)部導電回路壓降。文獻[10-13]運用磁流體動力學模型仿真分析不同驅(qū)弧方式、驅(qū)動力作用下電弧運動及形態(tài)變化的規(guī)律。文獻[14-16]則通過改變柵片數(shù)量、觸頭開距探討斷路器分斷性能優(yōu)化的方法。文獻[17-20]試驗分析引弧片、柵片和出氣口的改進設(shè)計對分斷性能的提升作用。尚沒有開展高海拔環(huán)境下的斷路器分斷性能下降程度量化分析及改善設(shè)計的研究。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斷過程劃分為4個階段，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、電弧電壓和氣壓對滅弧過程的影響，再求解數(shù)值方程得到不同條件下的分斷電弧電流電壓曲線，計算滅弧時間、電弧能量、電弧電流峰值和焦耳積分，并試驗驗證數(shù)值模擬結(jié)果，分別以燃弧能量、焦耳積分和綜合指標的增加百分數(shù)評估高海拔環(huán)境對分斷性能的劣化作用，數(shù)值計算觸頭分離時刻電流設(shè)計為原值的0.8倍、柵片電壓提高40V以及兩因素同時作用對分斷性能的提升效果，并試驗驗證斷路器優(yōu)化設(shè)計后大電流危害的下降程度。

1 高海拔環(huán)境下分斷數(shù)值分析

1.1 分斷數(shù)值方程

動靜觸頭的材質(zhì)包括銅和銀，其熔點只有上千開爾文，遠低于電弧溫度，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E下降，電弧電壓峰值Uam下降，可由式(1)求得，壓強對電弧密度的影響大于其對電導率的影響，相同溫度下，密度ρ和壓強成正比，因此可近似認為電弧電壓峰值與壓強的m次方成正比例關(guān)系，對于空氣來說m取為0.22[21]。

如圖1所示。

圖1 電弧運動示意圖

高海拔環(huán)境下交流斷路器分斷時，依據(jù)電弧電壓ua的變化情況其分斷可分為4個過程：(1)通電至動靜觸頭分離前，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時刻電弧循著引弧通道開始運動至進入滅弧柵期間，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)，進入滅弧柵后到達峰值Uam，其電壓電流滿足式(2)；(4)tf時刻電弧進入柵片被切割成數(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，但總的分斷初始相角(wta+θ)是增大的，在正弦函數(shù)作用下分斷電流自然過零點的時間縮短，但當θ增大到某個角度時，通電時電源電壓過低，電流增長速度慢，觸頭在電流過渡到負半周才發(fā)生分斷，在正弦函數(shù)負半周電流可能在分斷后繼續(xù)升高，延長自然過零點的時間。預期分斷電流越大，電弧功率越大，滅弧時間延長。在相同預期大電流條件下，氣壓越低，電弧電壓越低，分斷期間電流下降越慢，電流自然過零點的時間越長，其滅弧時間越長，在電路中產(chǎn)生的焦耳熱更多；電流峰值越大，對電氣設(shè)備的電動力作用越大；同時產(chǎn)生的電弧能量越大，對斷路器內(nèi)部的侵蝕作用越嚴重。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中xd為動觸頭到柵片的距離；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)計算得到[22]；x為電弧長度；is為電弧開始運動時的電流；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為通電時間；θ為合閘相角；if為電弧電壓達到峰值時的電流。

1.2 大電流危害分析

短路故障發(fā)生時，大電流作用下導體短時間內(nèi)會產(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)備的動穩(wěn)定度，其大小由電流峰值Im來表征；同時，分斷過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，對斷路器分斷性能的綜合評估應(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)境對斷路器分斷性能的劣化作用，不同場景下各因素的設(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間；t0為通電至起弧間隔時間；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)計算其結(jié)構(gòu)參數(shù)。斷路器分斷仿真依據(jù)電弧電流電壓分為4個階段，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，推導求得解析解；聯(lián)合各階段的求解結(jié)果即得分斷電弧電流電壓全波形。因正弦波正負半周對稱，只求解不同電流下、合閘相角在[0°,180°]區(qū)間內(nèi)取值時的數(shù)值方程，得到大電流分斷過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)時間延遲，合閘相角增大到180°時，電流電壓全程在零值以下，其變化規(guī)律和合閘相角為0°時類似?？梢缘玫?，1 kA大電流條件下對應(yīng)最長斷路器通電時間的合閘相角在[120°,150°]區(qū)間內(nèi)，3 kA大電流條件下對應(yīng)最長斷路器通電時間的合閘相角在[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，其對應(yīng)通電時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樣品分斷電弧電流電壓

1.3.2 氣壓影響分析

分別在1 kA、3 kA和6 kA大電流對應(yīng)最長斷路器通電時間的合閘相角下開展不同氣壓下的大電流分斷仿真分析，因人類長期居住地區(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)的大電流分斷過程。其中100 A樣品仿真結(jié)果如圖3所示，隨著氣壓下降，1 kA分斷電流下的電弧電壓峰值下降，電弧電流下降速度減慢，滅弧時間延長，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樣品分斷電弧電流電壓

2 大電流分斷試驗驗證

2.1 高海拔大電流試驗裝置

如圖4所示，高海拔大電流試驗裝置由10 kV線路和沖擊試驗變壓器獨立供電，根據(jù)不同試驗條件負載電流調(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箱中開展試驗，由高頻采集系統(tǒng)測取分斷過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 高海拔大電流試驗裝置

2.2 合閘相角影響驗證

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預期大電流下開展分斷驗證試驗，每種情況下重復試驗三次，計算滅弧時間ta、燃弧能量Ea、電流峰值Im和焦耳積分IJ平均值，其中100 A樣品在不同分斷電流情況下電弧電壓和電流曲線、電弧參量計算值與實測值對比情況分別如圖5和圖6所示。從圖5可以看出，預期分斷電流越大，起弧時間越早，燃弧時間延長，電弧電壓和電流峰值均顯著增加，和理論分析結(jié)果相符。相比于滅弧時間和峰值電流，燃弧能量和焦耳積分更能表征斷路器分斷情況，因此取這兩個參量綜合表征大電流危害，其值越大，大電流危害更嚴重。從圖6可以看出，1 kA分斷條件下，100 A樣品最惡劣的大電流合閘相角在150°附近；3 kA分斷條件下，100 A樣品最惡劣的大電流合閘相角在180°附近；6 kA分斷條件下，100 A樣品最惡劣的大電流合閘相角在60°附近。63 A樣品分斷電弧參量隨合閘相角改變的規(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)拐點是因為回路電流達到瞬時脫扣電流時電磁脫扣器才足以推動動觸頭桿發(fā)生分斷，具有延時效應(yīng)，合閘相角增加時，合閘時電源電壓瞬時值增大，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，且電流自然過零點時間縮短，燃弧能量和焦耳積分下降，120°以后合閘相角再增大，電源電壓瞬時值顯著下降，電流上升慢，觸頭延時到電流負半周才發(fā)生分離，電流自然過零點時間延長，燃弧能量和焦耳積分顯著上升。數(shù)值模擬結(jié)果和實測值大體符合。

圖5 100 A樣品不同預期分斷電流下電弧電流電壓曲線

圖6 100 A樣品分斷電弧參量計算值與實測值對比

2.3 高海拔環(huán)境影響驗證

高海拔環(huán)境下等離子體電導率上升，碰撞電離、熱電離的概率加大，電弧內(nèi)部場強下降，端口電壓低，滅弧時間延長。選取不同樣品開展分斷重復試驗，每種情況下重復試驗三次，其中63 A樣品3kA分斷試驗結(jié)果如圖7所示，氣壓降低時，端口電壓隨之下降。再在不同氣壓下開展大電流分斷驗證試驗，計算焦耳積分和燃弧能量，其中100 A樣品不同電流分斷電弧參量計算值與實測值對比情況如圖8所示。1 kA分斷條件下，氣壓降低時，燃弧能量和焦耳積分均有所增加；3 kA和6 kA分斷條件下，氣壓降低時，燃弧能量和焦耳積分均明顯增加，數(shù)值模擬結(jié)果和實測值大體符合。63 A樣品分斷電弧參量隨氣壓改變的規(guī)律與100 A樣品大體相同。

圖7 63 A樣品3 kA分斷端口電壓曲線

圖8 100 A樣品分斷電弧參量計算值與實測值對比

3 分斷性能優(yōu)化設(shè)計

3.1 高海拔環(huán)境劣化作用分析

由試驗結(jié)果可知，高海拔環(huán)境下峰值電流只發(fā)生輕微波動，燃弧能量和焦耳積分變化明顯，以常壓下的數(shù)值為基準值，只計算焦耳積分和燃弧能量增加值的標幺值，設(shè)兩因素權(quán)重均為0.5，代入式(7)計算大電流危害增加值表征分斷性能的劣化程度。

從100 A樣品的計算結(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分斷條件下，100 A樣品大電流危害綜合增加百分數(shù)為4.2%，以燃弧能量增加為主，增加百分數(shù)為8.4%；3 kA分斷條件下，氣壓降至50 kPa時大電流危害綜合增加百分數(shù)為28.5%，以燃弧能量增加為主，增加百分數(shù)為34.4%；6 kA分斷條件下，氣壓降至50 kPa時大電流危害綜合增加百分數(shù)為26.5%，焦耳積分上升較多，增加百分數(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，大電流分斷時大電流危害綜合增加百分數(shù)大于30%?？梢缘玫剑吆０苇h(huán)境條件下，斷路器分斷性能下降明顯，大電流對本體和電力系統(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)計驗證

觸頭分離時刻越早，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)量開展驗證實驗，其中100 A樣品不同結(jié)構(gòu)下3kA分斷電參量如表1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；在原有12片柵片的基礎(chǔ)上，增加柵片數(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)值模擬觸頭分離時刻電流設(shè)計為原值的0.8倍、柵片電壓提高40 V兩因素同時作用對分斷過程的影響，并通過增加電磁脫扣線圈圈數(shù)和滅弧柵片數(shù)量開展驗證試驗，其中100 A樣品的計算值與實測值對比示于表2。原樣品在3 kA和6 kA分斷情況下高海拔環(huán)境分斷的峰值電流分別為2.7 kA和4.8 kA，優(yōu)化設(shè)計后降至2.2 kA和4.4 kA，峰值電壓從不到330 V提高至360 V左右，分斷性能顯著改善，數(shù)值模擬結(jié)果和實測值大體符合。

表1 不同結(jié)構(gòu)下分斷電參量對比

將表2所得結(jié)果代入式(7)計算優(yōu)化設(shè)計后的大電流危害改善情況，得到優(yōu)化設(shè)計后的100 A樣品在50 kPa下3 kA和6 kA分斷的大電流危害顯著減小，大電流危害增加值綜合指標小于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樣品分斷電參量

4 結(jié)束語

文中劃分出高海拔環(huán)境下微型斷路器分斷的四個階段，數(shù)值模擬電弧電流電壓變化過程，得到不同預期大電流條件下對斷路器考核最嚴格的合閘相角，在該相角下分析氣壓降低時電弧參量變化規(guī)律，提出性能提升方案并設(shè)計驗證，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)不同大電流下分斷電參量隨合閘相角改變的規(guī)律不同，斷路器在1 kA、3 kA和6 kA預期大電流分斷條件下對應(yīng)考核最嚴格相角分別為150°、180°和60°；

(2)氣壓下降時，電弧電壓降低，滅弧時間、燃弧能量和焦耳積分增加，電流越大，增加量越顯著，分斷性能劣化越明顯；

(3)高海拔環(huán)境下斷路器大電流危害增加百分數(shù)超過26%，優(yōu)化設(shè)計后大電流危害降低至低海拔地區(qū)的相應(yīng)值，驗證了數(shù)值仿真方法的實用性，且設(shè)計方案能為高海拔環(huán)境下微型斷路器的分斷性能優(yōu)化設(shè)計提供參考。