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船电技术|应用研究 Vol.43 No.06 2023.06 88 触头及引弧结构对直流开断特性的影响分析触头及引弧结构对直流开断特性的影响分析 王金龙1，唐文骏2，陈 程2(1.武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064；2.武汉长海电气科技开发有限公司，武汉 430064)摘 要：对某型直流高速断路器的带载分断能力进行测试，发现每次试验测量的燃弧时间、截断电流数据波动很大。经过现场实物分析，发现电弧在触头棱边处烧蚀严重、引弧角处跑弧路径随机性过大，本文对触头及引弧角结构进行了优化改进，对触头棱边进行了倒角处理，对引弧角中间部位进行了开槽处理，并进行带载分断试验。试验结果证明了优化方案的可行性，也证实了优化后的结构提升断路器带载分断能力。关键词：断路器 带载分断 触头 引弧角 中图分类号：TM564 文献标识码：A 文章编号：1003-4862（2023）06-0088-04 Analysis of the influence of contact and arc starting structure on DC breaking characteristics Wang Jinglong1,Tang Wenjun2,Chen Cheng2(1.Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion,Wuhan 430064,China;2.Wuhan Changhai Electrical Technology Development Co.,Ltd.,Wuhan 430064,China）Abstract:The on-load breaking capacity of a certain type of DC high-speed circuit breaker was tested,and it was found that the arc time and cut-off current data measured in each test fluctuate greatly.After on-site physical analysis,it is found that the arc is severely burned at the edge of the contact,and the randomness of the arc running path at the arc striking device is too large.In this article,the structure of the contact and arc striking device was optimized and improved,the edge of the contact was chamfered,the middle part of the arc striking device was grooved,and load breaking test was conducted.The experimental results proved the feasibility of the optimization scheme,and also confirmed that the optimized structure can improve the on-load breaking capacity of the circuit breaker.Keywords：circuit breaker;on load breaking;contact;arc striking device 0 引言引言 城市轨道交通用直流高速断路器作为核心部件，其稳定较高的带载分断能力，是断路器可靠运行的重要体现。轨道交通机车车辆一般采用直流电力牵引，直流高速断路器是直流牵引供电系统及直流牵引传动系统的核心保护设备，具有切断回路故障电流的保护功能，是轨道交通机车车辆安全运行的保证。在开断过程中，直流高速断路器吸收存储在系统电感中的大量能量，短路电 收稿日期：2023-02-18 作者简介：王金龙（1990-），男，工程师。研究方向：低压电器及设备。E-mail: 流甚至在几毫秒内达到 100 kA 以上。直流高速断路器中的电弧调控技术难度大、要求高，是目前开关电器领域最前沿的技术问题1。目前轨道交通用直流高速断路器市场主要被国外 Secheron 公司的 UR 系列所垄断，自主化断路器应用量较少。我国起步较晚，而欧美国家已形成了比较成熟的设计理论和制造工艺，国产化的断路器被国内市场所接受还需要一定的时间。针对直流高速断路器的关键核心技术，本文认为主要包含两方面，一是断路器的可靠性，断路器在规定的使用寿命内，能可靠的正常完成分合闸动作及脱扣动作；二是断路器更高更稳定的带载分断能力，断路器在规定的使用寿命内，能Vol.43 No.06 2023.06 船电技术|应用研究 89 分断较高的短路电流而不损坏触头、引弧角和弧室。而关于断路器分断能力的影响因素，本文认为主要有四点：一是断路器灭弧部分结构的影响2-5；二是材料的影响，如触头、引弧片、弧室金属栅片等的材质成分、抗熔焊性能6-8；三是断路器外部环境的影响，如不同灭弧介质的影响、磁吹装置的影响、产气式绝缘材料的影响等8-10；四是断路器分闸动作特性，即分闸动作时间11。通过对文献2-5的研读，针对断路器的带载分断能力这一核心技术，本文以轨道交通用直流高速断路器为研究载体，提出了对触头棱边进行了倒角处理，对引弧角中间部位进行了开槽处理的方法来提高该型断路器的分断能力，并且通过相应的带载分断试验证实了优化方案的合理性。1 断路器灭弧结构及带载分断断路器灭弧结构及带载分断 轨道交通用直流高速断路器的灭弧结构如图1 所示，包含动静触头、动静侧引弧角、灭弧室三部分组成。当出现带载分断时，动静触头打开，触头间产生的电弧在自身电动力的作用下移动到引弧角后，随着电弧弧根在引弧角上的运动，电弧拉长进入弧室，在金属栅片作用切断电弧。(a)断路器灭弧结构示意图，(b)断路器中的动静触头及引弧角结构 1 动触头，2 动触头侧引弧角，3 弧室，4 静触头侧引弧角，5 静触头 图 1 断路器灭弧结构模型 目前断路器在分断过程中出现了触头棱边烧损严重，引弧角上电弧移动路径过于随机，每次分断时，电弧移动路径不一致的情况。电弧弧根在静引弧角上形成了弧斑，电弧弧根移动轨迹较为分散，这使得电弧的移动路径过长，增加了电弧移动的停滞时间。2 断路器触头及引弧角结构优化断路器触头及引弧角结构优化 若要使断路器具备更高更稳定的带载分断能力，需具备稳定的弧压波形、较短的燃弧时间、较小的截断电流 d。当动静触头打开时形成电弧，至电弧还未进入弧室时，此段燃弧时间定义为电弧停滞时间 ti12。在这段时间内回路中的电流是一个上升的趋势，该上升的趋势受制于时间常数T。当电弧进入弧室时，回路电流出现了拐点，此拐点即为截断电流 d。因此缩小电弧停滞时间ti，有助于提高断路器的分断能力。其次避免此过程中电弧弧根运动的分散性及电弧重击穿，有助于提高断路器分断的稳定性。对此，本文将断路器的触头及引弧角进行了如下图 2 所示的优化：动触头（1）棱边上倒圆角（11），动触头侧引弧角（2）上部棱边倒角（21），中间部位开槽（22），且在一侧端部开水滴形切口（23），静触头侧引弧角（4）上部棱边倒角（41），且中间部位开槽（42），静触头片（5）棱边上倒圆角（51）。图 2 断路器优化后的触头及引弧角 当断路器分断的电流为大电流或短路电流时，由于电弧自身的电动力足够大，电弧会迅速运动至引弧角上。电弧一般是在引弧角的棱边上运行。因为棱边上的棱角电场分布不均更容易吸附带电体，为此结构中在静引弧角中间部位开窄槽 42，在动引弧角中间部位开窄槽 22，这样有利于电弧在槽的两棱边上运行。由于槽较窄，电弧运动至槽棱边上后，电弧弧根易收缩，使得弧根处的电流密度变大，导致弧根处电动力增加，同时电弧顺着中间槽移动使得电弧移动路径变短，这都加速了电弧进入灭弧室。而且在动触头侧引弧角 2 左侧端部开水滴形切口 23。该切口棱角尖锐，更有利于吸附带电体；该切口位于动触头 1的上方，有利于电弧从动触头跳入动引弧角上。在静触头侧引弧角上棱边倒角 11 和在动触头侧引弧角上棱边倒角 21，增加了棱边个数。当电弧出现在引弧角棱边上时，也具有弧根收缩增加电动力的作用。断路器在分合闸过程中，当触头间距很小时，触头间的场强会很大，棱边棱角处最先发生击穿放电，甚至起弧。特别是在分闸过程中，如果电弧起弧位置在触头的棱边处，将会导致触头烧蚀严重，且电弧跑弧状态不好。为此结构中将静触船电技术|应用研究 Vol.43 No.06 2023.06 90 头 5 棱边倒圆角 51，动触头 1 棱边倒圆角 11。倒圆角提高了静触头表面的击穿电压，而且将电弧烧蚀区域转移触头片中间位置，提高了电弧从触头片进入引弧角的可靠性。但所倒圆角不宜太小，以免达不到降低场强效果；也不宜太大，使得触头接触视在面积减小。对于引弧角中间部位开槽的方案，由于弧根在阴极区的电流密度在 103106 A/cm212，短路电流为几十千安的弧根半径一般为毫米级，所以优化结构中窄槽 22 和 42 的槽宽定为 2 mm。对于触头倒角方案，本文对触头进行了电场分析，如图 3 所示。动静触头为旋转拍合式接触，取触头上方为参考开距，分析了不同倒角值在不同开距下的场强分布。场强最大值主要在触头边沿处，由于整体场强分布图视觉上不能直观分析，因此取模型中间对称截面的电场分布来分析观察。图 4 触头倒1.5 mm 时场强分布，图 5 为触头未做倒角处理时在不同开距下的场强分布图，图 6 为将不同倒角方案的数据进行的整理对比。图 3 触头开距示意图 图 4 触头倒 1.5 mm 时场强分布 从数据对比中可以看出，倒角 1.5 mm 方案与倒角 2 mm 方案数据值相差不大。但倒角太大会导致触头接触的视在面积太小，影响触头接触性能和分断性能。如表 1 所示。从以上分析中可知倒角半径为 1.5 mm 方案最佳，因此优化结构中触头倒角半径为 1.5 mm。a)开距为 1 mm b)开距为 2 mm c)开距为 3 mm d)开距为 4 mm e)开距为 5 mm f)开距为 6 mm 图 5 触头未做倒角处理时在不同开距下的场强分布 a)中间截面最大场强对比 b)整体最大场强对比 图 6 不同倒角半径的触头区域电场强度数据对比 表 1 触头倒角后视在接触面积对比 触头片结构 触头视在接触面积 未倒角 136.67 mm2 倒角 0.5 mm 118.5 mm2 倒角 1 mm 101.33 mm2 倒角 1.5 mm 85.17 mm2 倒角 2 mm 70 mm2 3 断路器分断试验对比断路器分断试验对比 Vol.43 No.06 2023.06 船电技术|应用研究 91 通过上述方案确定优化后的触头及引弧角结构后，进行了时间常数为 15 ms、预期短路电流为 20 kA、额定电压为 1800 V 的分断试验，原样机和优化后的样机分别进行了多次分断试验，为方便对比观察，取前两次波形数据进行对比分析，得到了如图 7 所示的试验波形和表 2 所示试验数据。从波形和数据中可以看出原样机方案两次试验波形相差明显，说明这两次分断存在电弧运动路径不一致，或者电弧在运动过程中电弧弧根较为分散，产生的电动力不足，使电弧停滞时间较长；而优化样机方案的两次分断试验波形吻合度极高，说明两次分断试验中电弧运动轨迹稳定，可靠度高；对比两种优化方案试验波形，明显可以看出优化后的方案的燃弧时间、弧压、电弧停滞时间(从起弧到弧压为 700 V 的时间间隔)和截断电流明显低于原样机方案。图 7 优化前后试验波形对比 表 2 断路器 15 ms、20 kA、1800 V 分断试验数据对比 试验方案 燃弧时间/ms 电弧停滞时间/ms 截断电流