蹺板開關(guān)交流電弧特性的實驗研究

摘" 要：

交流電弧特性曲線是評價開關(guān)分?jǐn)嗄芰Φ闹匾罁?jù)。通過測試蹺板開關(guān)分?jǐn)噙^程的觸點電壓和觸點電流波形，分析了磁吹對交流電弧特性的影響，并確認(rèn)了蹺板開關(guān)存在機械開斷和電流過零2種熄弧原理。所得結(jié)論對于提高蹺板開關(guān)分?jǐn)嘟涣髫?fù)載能力具有參考價值。

關(guān)鍵詞：

蹺板開關(guān); 磁吹; 交流電弧; 分閘相角; 熄弧原理

中圖分類號： TM564

文獻標(biāo)志碼： A

文章編號： 2095-8188（2024）10-0048-05

DOI：

10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.10.008

盧思羽（2002—），女，研究方向為開關(guān)電器電弧特性分析。

張" 超（1993—），男，講師，研究方向為電弧理論與應(yīng)用。

邱" 軍（1976—），男，工程師，主要從事墻壁開關(guān)長壽命設(shè)計工作。

*基金項目： 國家自然科學(xué)基金項目資助（52377140）;寧波市重點研發(fā)計劃項目資助（2023Z094）

Experimental Study on AC Arc Characteristics of Rocker Switches

LU Siyu1，" ZHANG Chao1，" QIU Jun2，" HE Yubin1，" REN Wanbin1

（1.School of Electrical Engineering and Automation，Harbin Institute of Technology， Harbin 150001， China;

2.Gongniu Electrical Apparatus Co.，Ltd.， Cixi 315314， China）

Abstract：

The AC arc characteristic curve is an important basis for evaluating the breaking capacity of switches.The influence of magnetic blowing on AC arc characteristics is analyzed by testing the contact voltage and contact current waveforms during the breaking process of rocker switch.It is confirmed that there are two arc extinguishing mechanisms，which are the mechanical breaking mechanism and the current zero-crossing mechanism.The drawn conclusion is valuable for improving the AC load breaking capacity of rocker switches.

Key words：

rocker switch; magnetic blowing; AC arc; POW; arc extinguishing theory

0" 引" 言

蹺板開關(guān)是一種專用于接通與斷開固定式電氣裝置的電器元件［1］。在建筑光儲直柔技術(shù)的發(fā)展背景下，亟需新型的蹺板開關(guān)在原有接通與分?jǐn)嘟涣麟姷幕A(chǔ)上，兼具分?jǐn)嘀绷髫?fù)載的能力。根據(jù)電器電弧理論可知［2］，外加磁場可產(chǎn)生拉長電弧的作用，有效縮短燃弧時間。該方法現(xiàn)已成熟應(yīng)用于接觸器、繼電器、斷路器等大功率電器設(shè)備。文獻［3］測試分析了磁吹對直流接觸器阻感性負(fù)載條件下燃弧時間的影響，驗證了磁吹具有快速熄滅5～600 A電弧電流的能力;文獻［4］仿真分析了磁吹方向?qū)Ω邏褐绷骼^電器電弧運動的影響，實現(xiàn)了觸頭的無極性連接;文獻［5］采用工形結(jié)構(gòu)磁吹裝置，解決了直流斷路器分?jǐn)? A電流產(chǎn)生的持續(xù)燃弧問題。上述研究工作證明了磁吹結(jié)構(gòu)對熄滅直流電弧的有效性，這也說明蹺板開關(guān)通過引入磁吹結(jié)構(gòu)分?jǐn)郉C 400 V/10 A的直流負(fù)載具有可行性。

開關(guān)分?jǐn)噙^程中，電弧的動態(tài)伏安特性是分析交流電弧特性的重要參考。通過分析觸點運動過程中電弧電壓和電弧電流隨時間的變化，可直接掌握交流電弧的發(fā)生、發(fā)展以及熄滅過程，對于開關(guān)通斷能力的判斷具有實用價值。文獻［6］測試了空氣介質(zhì)中碳材料交流電弧電壓和電弧電流，應(yīng)用小波分解與重構(gòu)方法獲得了電弧伏安特性的數(shù)學(xué)描述;文獻［7］對交流電弧電流零區(qū)的電壓波形進行分析，利用小波能量譜變換研究不同條件下電壓波形的特征及其與電弧燃弧趨勢的聯(lián)系;文獻［8］通過實驗分析了接觸器的交流電弧，得到觸點開距和分閘相角對交流電弧的影響。磁吹結(jié)構(gòu)熄弧原理的核心在于增加弧長，進而提高電弧電壓。交流電存在自然過零點，因此借助“零休現(xiàn)象”提高介質(zhì)耐壓是交流電器熄滅電弧的主要手段。但磁吹結(jié)構(gòu)對分?jǐn)嘟涣髫?fù)載產(chǎn)生的影響還屬未知，特別是在交流電分閘相角隨機的情況下，如何評估其對交流電弧特性的影響也未有相關(guān)報道。

本文以蹺板開關(guān)為實驗對象，測試了開關(guān)引入磁吹結(jié)構(gòu)后分?jǐn)嘟涣髫?fù)載過程中產(chǎn)生的電弧電壓、電弧電流以及動觸點位移響應(yīng)，分析了蹺板開關(guān)熄滅交流電弧的原理與特性，比較研究了磁吹對蹺板開關(guān)交流電弧特性的影響，研究所得的結(jié)論可用于兼具分?jǐn)嘟恢绷髫?fù)載功能的蹺板開關(guān)的優(yōu)化設(shè)計。

1" 實驗方法

1.1" 實驗裝置

實驗裝置示意如圖1所示。蹺板開關(guān)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包括蹺板、靜簧片、常開觸點、常閉觸點、驅(qū)動組件以及磁吹組件。蹺板固定在開關(guān)內(nèi)部塑料件上，靜簧片上的靜觸頭與蹺板兩端的動觸頭分別形成常閉觸點和常開觸點;驅(qū)動組件中的彈子在過渡件與彈簧的限制下在過渡件軸心方向上運動，通過在蹺板表面滑動的方式驅(qū)動蹺板平面轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)觸頭分合。220 V市電經(jīng)調(diào)壓器（型號：TDGC2-5;額定容量：5 kVA;額定輸出電流：20 A）變換為AC 250 V交流電后，通過滑動變阻器（額定阻值：20 Ω;額定電流：20 A）施加在蹺板開關(guān)兩端。

1.2" 實驗條件

本實驗的負(fù)載條件為交流電壓250 V，電流為16 A，觸點最大開距為4 mm，磁吹組件中放置一塊磁鐵。磁鐵位置如圖2所示。磁鐵材料為釹鐵硼N45H，起弧點處的磁場強度為500 Gs。分別在有無磁吹結(jié)構(gòu)的情況對常閉觸點進行多次反復(fù)分?jǐn)鄬嶒?，測得觸點電壓和觸點電流波形，并用高速攝像機拍攝觸點分?jǐn)噙^程。

2" 結(jié)果分析與討論

2.1" 蹺板開關(guān)分?jǐn)噙^程的交流電弧特性

蹺板開關(guān)分?jǐn)噙^程的觸點電壓、觸點電流和觸點開距波形（θPOW=51°）如圖3所示。

由圖3可見，t1時刻，觸點處于閉合狀態(tài)，觸點電流和觸點電壓同時過零;t2時刻，觸點開始分?jǐn)?，觸點電壓迅速增大至12.16 V，觸點電流略微減小，燃弧開始;隨著觸點分離，電弧被拉長，觸點電壓緩慢增大，觸點電流隨電源電壓增大;電源電壓達到峰值后開始下降，觸點電流隨之減小;t3時刻，動觸點達到最大開距，伴隨著彈跳現(xiàn)象;t4時刻，觸點電流減小至零，電弧熄滅，燃弧時間為6.83 ms，觸點電壓48.37 V，隨后觸點電壓隨電源電壓開始下降;t5時刻，電壓過零。電源電壓波形的半波周期為t1～t5，其值為10 ms。由圖3可見，電源半波周期內(nèi)，燃弧時間等效相角θarc和觸點分閘相角θPOW的關(guān)系可表示為

180°=θPOW+θarc+arcsinUiU0（1）

式中：" Ui——電弧熄滅時的觸點電壓值;

U0——電源電壓峰值。

燃弧時間等效相角θarc與燃弧時間tarc的換算關(guān)系為θarc=tarc10×180°。

有磁吹時分?jǐn)噙^程的觸點電壓和觸點電流波形（θPOW=51°）如圖4所示。

由圖4可見，t2時刻，觸點同樣在電壓達到12.16 V開始燃弧;378.5 ms時，觸點電壓增大并發(fā)生劇烈抖動;t4時刻，電弧熄滅，觸點電壓達到峰值354.1 V;燃弧時間記為4.48 ms，與相同分閘相角下無磁吹作用時相比縮短34%。

2.2" 磁吹對交流電弧特性的影響

不同分閘相角下觸點電壓波形對比如圖5所示。

由圖5可見，無磁吹時，觸點起弧電壓均為12 V，燃弧期間觸點電壓緩慢增大，在電弧熄滅時迅速增大至電源電壓瞬時值;θPOW分別為27°、58°、89°、115°和145°時，燃弧時間tarc分別為8.14 ms、6.35 ms、4.05 ms、3.33 ms和1.70 ms，燃弧時間隨θPOW的增大而減小;電弧熄滅時刻的觸點電壓Ui分別為49.5 V、58.5 V、72.5 V、37.3 V和25.8 V。在磁吹作用下，θPOW為24°、51°和89°時，觸點電壓呈現(xiàn)先緩慢增長后迅速增大的特征，發(fā)生抖動后達到峰值;燃弧時間tarc分別為3.55 ms、4.48 ms和3.74 ms，與無磁吹時相比明顯縮短;熄弧時刻電壓Ui分別為347.6 V、354.1 V和171.2 V，與無磁吹時相比顯著增大。θPOW為117°和153°時，有無磁吹觸點的電壓波形一致，說明該分閘相角下磁吹無明顯作用。

觸點不同狀態(tài)的圖像如圖6所示。

由圖3可得，觸點由閉合達到最大開距所用時間to＝3.73 ms，即θo＝67°，該時間主要由開關(guān)的機械結(jié)構(gòu)決定。

根據(jù)電器電弧理論可知，若將電弧電壓表示為

Uh=U0+El（2）

式中：" U0——近極壓降;

E——弧柱電場強度;

l——電弧長度。

則外加磁場對電弧的作用力F可近似表示為

F=BIl（3）

式中：" B——磁吹的磁感應(yīng)強度;

I——觸點電流。

電弧在磁吹作用下的偏移如圖7所示。在磁場提供的安培力F的作用下，弧長l增大，使電弧電壓大幅提高，有利于電弧的熄滅;安培力F隨弧長l的增大而增大，使電弧更快熄滅;且此時觸點電流處于上升階段，安培力F隨之增長，使磁吹對熄弧的作用更加顯著。由圖7（b）可知，電弧在磁吹作用下偏移時，接觸到開關(guān)產(chǎn)品的塑料件，導(dǎo)致觸點電壓不穩(wěn)定，因而出現(xiàn)明顯的抖動。

分別在有無磁吹條件下進行23次觸點分?jǐn)鄬嶒灐＆萢rc與θPOW的關(guān)系如圖8所示。

由圖8可知，無磁吹時θarc隨著θPOW的增大逐漸減小，線性擬合可得θarc=-0.97θPOW+169.8°（0°＜θPOW＜180°），擬合優(yōu)度R2＝0.99，故此時燃弧時間tarc隨θPOW線性減小。當(dāng)θarc＝θo＝67°時，由式（1）得θPOW＝106°。當(dāng)θPOW＞106°，即燃弧時間tarc＜to時，電弧在觸點分?jǐn)噙^程中熄滅，電弧熄滅是由于觸點開距增大，觸點電壓不足以維持電弧燃燒，該電弧熄滅方式可稱為機械開斷熄弧;當(dāng)θPOW＜106°，即燃弧時間tarc＞to時，電弧在觸點完成機械運動后借助電流過零實現(xiàn)熄滅，此時的電弧熄弧方式可稱為電流過零熄弧。

在磁吹作用下，當(dāng)θPOW＜106°時，電弧開始燃燒時電流即將過零，且tarc較小，弧長較短，安培力的作用不顯著，故觸點電壓波形與無磁吹時基本相同，磁吹對θarc的影響可忽略。當(dāng)θPOW＞106°時，燃弧時間較長，電弧較長，使磁吹對熄弧的作用較為顯著，θarc明顯減小。

不同分閘相角下燃弧過程中的瞬時功率對比如圖9所示。

由Warc=Pdt得到θPOW為50°、89°和125°對應(yīng)的燃弧能量Warc分別為2.18 J、1.68 J和0.48 J，隨著θPOW增大而減小。由圖9可知，燃弧能量Warc取決于燃弧時間tarc和燃弧期間瞬時功率。在磁吹作用下，瞬時功率伴隨著觸點電壓發(fā)生抖動;θPOW=51°時，瞬時功率峰值較大，盡管燃弧時間減少，燃弧能量為2.95 J，未有減弱特征;θPOW=126°時，磁吹對燃弧過程無明顯影響，燃弧能量也因此未發(fā)生變化。

Warc與θPOW的關(guān)系如圖10所示。無磁吹時，tarc隨著θPOW的增大而減小，故θPOW增大時，Warc隨之減小。當(dāng)θPOW＜106°時，tarc在磁吹作用下減小，但觸點電壓增大，故磁吹對燃弧能量的影響有波動性;當(dāng)θPOW＞106°時，磁吹對熄弧過程無明顯影響，故燃弧能量與無磁吹時相同。在有磁吹的情況下，雖然電流方向會改變電弧受力方向，但由于電弧是圓柱形的，在周圍介質(zhì)均為空氣的情況下，電弧受力方向不會影響其熄滅過程，所以可認(rèn)為在電流方向相反情況下也不會對實驗結(jié)果產(chǎn)生影響，上述所得結(jié)論具有普適性。

3" 結(jié)" 語

本文針對蹺板開關(guān)進行AC 250 V/16 A阻性負(fù)載條件下的分?jǐn)鄬嶒?，分析蹺板開關(guān)的交流電弧的動態(tài)伏安特性，以及磁吹對蹺板開關(guān)交流電弧特性的影響，得到以下結(jié)論：

（1） 蹺板開關(guān)的交流電弧特性與觸點的分閘相角θPOW相關(guān)，燃弧時間隨θPOW的增大線性減小，燃弧能量也隨之減小。

（2） 分閘相角θPOW＜106°時，熄弧方式為電流過零熄弧，磁吹使燃弧時間縮短，燃弧能量存在波動;分閘相角θPOW＞106°時，熄弧方式為機械開斷熄弧，磁吹對交流電弧無明顯作用。

（3 ）磁吹作用下，電弧運動發(fā)生偏移可造成開關(guān)中的塑料件燒蝕，其實質(zhì)是電弧重?fù)舸┈F(xiàn)象。

【參 考 文 獻】

［1］" 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.家用和類似用途固定式電氣裝置的開關(guān) 第1部分：通用要求：GB/T 16915.1—2014［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2014.

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收稿日期： 20240729