小型断路器灭弧区域气流场的分析与研究_葛伟骏

图 2 短路分断试验后照片
建模，Fluent 作 流 场 计 算，Ansys 作 电 磁 场 计 算， MPCCI 作数据耦合，通过二次开发与物理参数组 织求解，实现多场耦 合，进 行 电 弧 运 动 计 算［7-8］。 从电弧仿真计算结果中提取气流速度矢量数据， 如图 3 所示。
图 1 某型 MCB 灭弧区域的结构布局
（ 1） 如图 7 所示，动静触头引弧片之间的距 离由 s1 = 8． 3 mm 过渡至 s2 = 24． 7 mm，其 α 角较 小（ α = 30°） ，高速气体沿着动触头引弧片方向进 入灭弧室的过程中，易在 A 区域形成负压区，致 使气流在 A 区域形成一个逆时针的气流循环；
（ 2） 灭弧室在 C 区域处的气流流速较大，且 离出气口的距离最近，能非常快速地排出断路器 体内，而在 A 区域形成的逆时针气流循环导致灭 弧室在 D 区域内没有气流流入，从而在 B 区域形 成了另一个负压区，造成灭弧室在 D 区域内流出 的气流一部分经 B 区域回流至 A 区域，形式了另 一个逆时针气流循环。
徐迪安（ 1987—） ，男，主要从事低压电器产品的设计与开发。 周荣伟（ 1986—） ，男，主要从事低压电器仿真技术研究。
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·电弧仿真·
电器与能效管理技术（ 2016No． 8）
电弧运动的试验研究中［6］。因此，利用电弧仿真和 高速摄 影 机 等 非 接 触 式 测 量 技 术 能 较 好 地 捕 捉 MCB 产品在短路分断过程中电弧的运动情况及气 流走向，有效地弥补了传统试验方法的不足。
通过电弧 仿 真 及 高 速 摄 影，对 本 产 品 在 灭 弧区域 内 的 气 流 走 向 有 了 清 晰 的 认 识，如 图 6 所示。
灭弧区域内参数、区域示意如图 7 所示。 — 44 —
图 7 灭弧区域内参数、区域示意
结合气流走向，分析短路分断过程中电弧停 滞在引弧通道中而未进入灭弧室熄弧的原因：
在多次 6 kA 额定短路分断摸底试验中发现： （ 1） 电弧停滞在引弧通道中，致使动静触头 引弧片在此处烧蚀严重，电弧未完全进入灭弧室 中熄弧； （ 2） 靠近静触头引弧片处的灭弧栅片几乎没 有电弧烧蚀的痕迹； （ 3） 靠近动触头引弧片处的灭弧栅片开口处 有电弧烧蚀，但未完全进入灭弧栅片根部。 （ 4） 分断时间较长，电弧通常为过零熄灭。 其产品短路分断试验后照片如图 2 所示。
本文针对某型小型化 MCB 灭弧区域的改进， 通过电弧仿真和高速摄影机拍摄短路分断的手段 研究灭弧区域的气流场对分断性能的影响，提高 产品短路分断可靠性。
1 灭弧区域的结构布局及短路分断 存在的问题
某型 MCB，因小型化设计的需要，其灭弧区 域的宽度约只有普通 MCB 的 50% ，结构布局如 图 1 所示。
关键词： 小型断路器； 灭弧； 气流场； 短路分断 中图分类号： TM 561 文献标志码： A 文章编号： 2095-8188（ 2016） 08-0042-04 DOI： 10． 16628 / j． cnki． 2095-8188． 2016． 08． 011
葛 伟 骏 （ 1983—） ， 男，工 程 师，主 要 从 事终端电器产品开 发及研究。
电弧是一团具有高温、强光、导电的气体，上 述两个逆时针的气流循环使电弧的弧根在灭弧通 道中往返运动，阻碍了电弧进入灭弧室熄弧。
3 改进方案及验证
3． 1 改进方案 针对前文所述的短路分断过程中电弧停滞在
引弧通道中而未进入灭弧室熄弧的原因，设想从 以下两方面对本产品的灭弧区域进行改进，改进 后的灭弧区域结构布局如图 8 所示。
2 电弧仿真及高速摄影
为了寻找电弧不进入灭弧室熄弧的原因，利 用电弧仿真和短路分断高速摄影对产品进行研究 和分析。 2． 1 电弧仿真
使 用 专 业 网 格 划 分 软 件 ICEM CFD 进 行 仿 真
图 3 灭弧区域内气流速度矢量图
从图 3 可以看出，高温气体从动静触头处经 引弧通道进入灭弧室，靠近动触头引弧片灭弧栅 片处的气流流速明显高于靠近静触头引弧片的灭 弧栅片。同时，在灭弧室与引弧通道之间的区域， 气流有明显的聚集。
电器与能效管理技术（ 2016No． 8）
·电弧仿真·
小型断路器灭弧区域气流场的 分析与研究
葛伟骏1 ， 徐迪安2 ， 周荣伟1 ［1． 上海电科电器科技有限公司，上海 200063； 2． 上海电器科学研究所（ 集团） 有限公司，上海 200063］
摘 要： 随着小型断路器（ MCB） 越来越小型化，灭弧区域的空间也越来越小，研究 发现灭弧区域的气流场对电弧熄弧的影响越来越大，对灭弧区域气流场的合理设计十 分必要。针对某小型化 MCB 灭弧区域的改进优化，通过电弧仿真和高速摄影分析和研 究灭弧区域的气流场，提高产品的短路分断能力。
Key words： miniature circuit breaker （ MCB） ； arc extinguishing； airflow field； short circuit breaking
0引言
当终端配电系统出现故障短路电流时，终端 配电电器感应到短路电流后操作机构动作，触头 快速打开，在这个过程中，动、静触头间隙的介质 （ 空气） 中会产生一团具有高温、强光、导电的气 体，即电弧，电弧在磁场和气流场的作用下快速进 入灭弧区域，被灭弧室的金属栅片切割而熄弧，从 而使配电回路断开。
结果中提取气流速度矢量数据，如图 10 所示。从 图 10 可以看出，仿真结果与图 9 所示的气流走向 示意图基本一致，引弧通道处的逆时针气流循环 现象显著减小，灭弧室 C 区域处的气流与 D 区域 处的气流均可以顺畅地通过出气口 E 和出气口 F 排出断路器体内。 3． 3 高速摄影
根据改进方案对产品修模后，用同样的方法 通过高速摄影观察6 kA短路电流下电弧的运动
改进后的灭弧区域内气流走向设想如图 9 所示。
图 10 改进后的灭弧区域内气流速度矢量图
情况及气流走向。6 kA 分断示波图波形如图 11 所示，分断高速摄影截图如图 12 所示。
图 11 6 kA 短路分断波形
图 9 改进后的灭弧区域内气流走向示意图
3． 2 电弧仿真 对改进方案重新进行电弧仿真计算，从计算
Apparatus Ｒesearch Institute （ Group） Co． ，Ltd． ，Shanghai 200063，China］
Abstract： With the trend toward miniaturization of miniature circuit breakers （ MCB） ，as well as the space of arc extinguishing area decreases，the impact of airflow field of the arc extinguishing area on arc extinction is increasing． Ｒational design of the airflow field of the arc extinguishing area becomes necessary． Based on the optimization of the arc extinguishing area of a certain type MCB，the airflow field of the arc extinguishing area by means of arc simulink and high speed photogrephy was analysed． It can improve the short-circuit breaking capacity of MCB．
图 5 短路分断高速摄影截图（ t = 5． 469 ms）
对于分断能力良好的 MCB，在 t = 5 ms 时，电 弧已几近在灭弧室里熄弧。但是从图 5中可以明 显地看出，在 t = 5． 469 ms 时，电弧（ 高温、强光） 仍停滞在引弧通道处，靠近动触头引弧片灭弧栅 片处的高温气体明显较多，大部分通过出气口排 出试品，但仍有小部分气体沿灭弧室后背向上走 （ 见图 5 中箭头所示） 。这一现象与气流场仿真 图 3 和图 4 基本吻合。 2． 3 试验分析
近年来，随着电弧计算模型和仿真计算软件的 迅速发 展，西 安 交 通 大 学 陈 德 桂、荣 命 哲、吴 翊 等［1-5］利用 Ansys、Fluent 等仿真软件进行多物理场 数据耦合计算，已形成了一套有效的低压电器电弧 仿真计算方法。同时，高速摄影机、光纤阵列和光 谱等非接触式现代测量技术也逐渐被应用在开关
小型断路器（ Miniature Circuit Breaker，MCB） 的灭弧区域主要包括跑弧道、灭弧室及灭弧栅片、 出气通道等，灭弧区域设计的好坏将直接影响断
路器的短路分断性能。随着 MCB 产品向小型化 发展的趋势，灭弧区域的空间被逐渐压缩，通过大 量的试验发现，灭弧区域的气流场对电弧熄弧的 影响越来越大，而传统的试验方法很难观测到产 品在短路分断过程中气流的流速及走向，无法针 对性地进行改进完善。
［2］ 秦倩，黄纯，李文，等． 故障录波分析中直流衰减分 量参数 的 估 计 算 法［J］． 电 源 技 术，2014 （ 11 ） ： 2137-2140，2161．
［3］ 张志竟，王汉忠，贺培蓉． 傅里叶算法和微分方程 算法的改进［J］． 电力系统自动化，1983（ 5） ： 20-30．
［4］ 迟长春，张浩． 基于小波分析的过载保护算法［J］． 低压电器，2010（ 13） ： 8-11．
图 12 改进后 6 kA 短路分断高速摄影截图
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·系统仿真·
电器与能效管理技术（ 2016No． 8）
信号的基波及各次谐波的幅值及相位。MATLAB 仿真结果表明，改进全波傅氏算法可提高运算精 度，且算法简单，相比全波傅氏算法更具优越性。