双断点小型断路器串联电弧的受力分析

电器与能效管理技术（2019No．4）·电器设计与探讨·胡金利（1975—），男，高级工程师，主要从事低压电器的研究与开发。

双断点小型断路器串联电弧的受力分析胡金利（上海永继电气股份有限公司，上海201515）

摘要：较大额定电流的小型断路器常采用双断点串联触头结构，较单断点断路器有更好的限流性能与分断能力。针对双断点小型断路器中两段串联电弧存在的电

磁场耦合作用问题，采用三维有限元分析软件Ansys对双断点串联电弧模型的受力进

行计算分析，研究电弧处于不同位置时受力情况和相互作用，并分析串联电弧间加入

铁磁隔板的影响，可为双断点小型断路器的优化设计提供依据。关键词：双断点；电弧；电磁力；小型断路器中图分类号：TM561文献标志码：A文章编号：2095－8188（2019）04－0032－05DOI：10．16628/j．cnki．2095－8188．2019．04．006

AnalysisoftheForceonSeriesArcofMiniatureCircuitBreakerwithDouble-BreakContact

HUJinli（ShanghaiYongjiElectricalHoldingCo，．Ltd．，Shanghai201515，China）

Abstract：Theminiaturecircuitbreakerwithrelativelylargeratedcurrentusuallyadoptsthedouble-breakcontactstructureinseries，whichhasbettercurrentlimitingperformanceandbreakingcapacitythansinglebreak

breakers．Focusingontheelectromagneticfieldcouplingproblemsoftheseriesarcindouble-breakminiaturecircuitbreaker，byusing3-DfiniteelementsoftwareAnsys，thispaperbuiltthedouble-breakseriesarccalculationmodelandstudiedtheinteractionelectromagneticforcesofthearcsindifferentposition，andthenanalyzedtheinfluenceof

theferromagneticplatebetweenthearcontheelectromagneticforces．Theresultcanprovideabasisforoptimaldesignofdoublebreakpointminiaturecircuitbreaker．Keywords：double-break；arc；electromagneticforce；miniaturecircuitbreaker

0引言

低压断路器是配用电系统中重要的控制与保护元件，分断性能是考核低压断路器的关键指标，也是低压断路器领域的重要研究方向。目前，低压断路器大多采用金属栅片灭弧的形式，利用数片至数十片金属栅片将电弧切割成

为数段至数十段短弧，以提高断路器的限流性能

和分断能力。由于小型断路器体积的限制，对于

较大额定电流的小型断路器（如80、100A等），通常采用双断点结构。双断点结构可以利用两串联电弧获得更高的电弧电压，从而增强断路器的

限流性能和分断能力［1］。长期以来，国内外许多

学者针对低压断路器的限流及分断性能开展了大量的研究工作。文献［2-3］研究了栅片结构和出气口对电弧运动及分断性能的影响；文献［4-5］分析了不同短路电流下的电动斥力及其对触头运动速度的影响；文献［6-8］通过对低压断路器分断过程的仿真，分析了弧柱压降和两面斥触头结构对分断性能的作用；文献［9-10］研究了低压断路器操作机构和触头系统的动态特性与优化设计。近期，许多文献（如文献［11-16］）在触头运动和电弧磁流体动力学仿真模型的耦合方面开展了研究工作，由于电弧与触头、器壁等材料的烧蚀，弧根在跑弧道上的运动等过程极其复杂，故仍有许多基础问题亟待解决。在双断点结构断路器的研究方面，文献［17］讨论了旋转双断点塑壳断路器的触头压力设计问题；文献［18］通过试验研究了双断点塑壳断路器触头接触的不平衡现象；文献［19-20］分别研究了双断点结构下分断过程

—23—·电器设计与探讨·电器与能效管理技术（2019No．4）中燃弧能量不平衡问题和引弧板对灭弧性能的影响。综上，大量研究分析了栅片结构、出气口、机构运动、器壁材料等对分断性能的影响，然而涉及双断点串联电弧的研究相对较少，且主要针对双断点塑壳断路器的电弧特性与分断性能。双断点小型断路器的体积较小，两段串联电弧距离较近，不可避免地存在电磁场的耦合和相互作用。如何增强正向磁场和作用力、削弱反向磁场和作用力，是影响双断点小型断路器的一个关键技术，有必要对双断点小型断路器结构下串联电弧的电磁场与受力情况进行分析。本文采用三维有限元分析软件Ansys对双断点小型断路器结构下简化串联电弧模型的受力进行分析，研究了电弧处于不同位置时受力和相互作用。1计算模型与方法1．1计算模型小型断路器分断电弧过程中，静弧角处弧根的运动是关键，也是背后击穿现象发生的主要区域，因此本文以电弧在静弧角和动跑弧道的位置为对象，采用三维有限元分析软件Ansys建模，分别计算分析了两串联电弧在对称和非对称位置的受力情况，电弧受力计算模型如图1所示。其中，每个电弧分为6小段分别分析受力情况。为简化计算模型，均省去了动导电杆和触头部分。图1电弧受力计算模型1．2计算方法本文利用三维有限元分析软件Ansys中的序

贯耦合法计算上述模型中的电弧受力。计算流程

如图2所示。首先通过施加电流边界条件，计算

载流导体上的电流分布；然后将载流导体上的电

流分布作为激励，耦合入磁场分析的过程中，进而

计算出电弧的电磁力。通过改变导体的载流大

小，可仿真计算出不同电弧位置在不同电流下电

弧受力情况。

图2计算流程2计算结果与分析

2．1电流密度与磁通密度典型结果

两串联电弧处于对称位置时，10000A电流下灭弧室的电流密度分布图和磁通密度分布图分别如图3和图4所示。基于该结果进一步计算可

得到两电弧在X、Y、Z方向上的受力。由图1可

见，由于两段电弧为串联结构，所以电流为同一电

流，但导电部分结构不对称，会引起两电弧处的磁

场存在差异，进而导致两段电弧受力不平衡。

图310000A电流下灭弧室的电流密度分布图—33—电器与能效管理技术（2019No．4）·电器设计与探讨·图410000A电流下灭弧室的磁通密度分布图2．2对称位置的电弧受力分析

对称位置的两电弧在X方向的受力如图5所示。X负方向的受力越大，对电弧向灭弧室运动越有利。

图5对称位置的两电弧在X方向的受力

由图5可见，无论电弧的哪个部分，电弧2的X负方向受力均比电弧1大。其主要原因为电弧2静触头导电杆部分的载流作用，该部分电流产生的磁场对电弧1的作用力为X正方向，而对电弧

2产生X负方向的斥力。同时，还分析了灭弧室的隔弧板材料对两电弧受力的影响。由图5（a）和图5（b）可见，当隔

弧板为磁铁材料时，两电弧静弧角处弧根和弧柱

中心部分在X负方向的受力均有一定增大，有利

于电弧进栅片；与之相反，由图5（c）可知，当隔弧

板为磁铁材料时，两电弧弧根部分在X负方向的

受力减小。两电弧动跑弧道处弧根在X负方向

的受力均明显大于静弧角处弧根的受力。其主要

原因为动跑弧道部分的电流与电弧方向夹角为锐角，对弧根部分有明显的推动作用，而静弧角部分

的电流与电弧电流方向夹角较大，甚至接近

180°，对电弧作用较弱。对称位置的两电弧弧柱中心部分（电弧1-3、电弧2-3）在Y方向上的受力如图6所示。与X方向受力类似，Y负方向的受力有利于电弧向灭弧室

的运动。

图6对称位置的两电弧弧柱中心部分在Y方向的受力由图6可知，电弧2在Y负方向的受力明显高于电弧1，其原因为电弧2的静触点导电杆部分电

流对电弧1的吸引和对电弧2的排斥作用。两电

弧间的隔弧壁采用铁磁材料会略微提高电弧1在

Y正方向的受力，而对电弧2影响较小，电流为

15000A时，电弧1-3的受力增大约3．18%。对称位置的两电弧弧柱中心部分（电弧1-3、电弧2-3）在Z方向上的受力如图7所示。由于两电弧为串联结构，电流方向相反，两电弧为互相

排斥作用，即电弧1受到Z正方向的作用力，电

弧2受到Z负方向的作用力，在断路器开断电弧

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