小型断路器分断电弧运动仿真分析

小型断路器分断电弧运动仿真分析
周荣伟;葛伟骏;徐迪安
【摘要】小型断路器（MCB）灭弧室气流场和电磁场的合理设计对电弧的运动及熄灭至关重要。

结合某型号MCB产品的分断性能改进,运用磁流体动力学理论,建立三维仿真模型,定性地计算分析了电弧运动动态过程,优化了灭弧室的结构和磁场设计,并进行了试验验证。

结果表明,该仿真方法能够有效指导设计,改进设计方案。

【期刊名称】《电器与能效管理技术》
【年(卷),期】2015(000)002
【总页数】4页(P38-41)
【关键词】小型断路器;电弧;灭弧室;仿真
【作者】周荣伟;葛伟骏;徐迪安
【作者单位】上海电科电器科技有限公司,上海200063;;;
【正文语种】中文
【中图分类】TM561
0 引言
低压断路器电弧的熄灭主要靠灭弧系统来完成，灭弧室、跑弧道、栅片以及出气通道等设计的好坏将影响切断故障电流顺利与否。

为了逐步剖析电弧运动机理，国内外研究人员进行了大量的试验研究［1］。

然而，在实际工程应用中，单纯依靠试验的方法进行产品改进，因无法获得气流速度、电流密度等电弧等离子体的内部参
数，难以对电弧运动过程实行有效的分析，耗时长，试验费用高昂。

近年，随着电弧计算模型和仿真计算软件迅速发展，通过数值计算方法能够快速地获得电弧等离子内部参数，有效地弥补了试验方法的不足。

如A.Hauser等［2］应用运动电弧仿真对某型直动式双触点断路器进行了设计;西安交通大学荣命哲等［3］结合某断路器研究了灭弧室内电弧的运动过程。

本文将针对某型号小型断路器(Miniature Circuit Breaker，MCB)改进，建立三维仿真模型，进行仿真分析。

在此基础上，优化灭弧室的结构和磁场的设计，改善其分断性能和分断可靠性，并进行试验验证。

1 电弧仿真的数学模型
MCB的电弧运动主要包括4个过程:
(1)电弧跳转，从动静触头跳离到跑弧道(上下电极);
(2)电弧沿跑弧道向栅片运动;
(3)电弧进入铁磁栅片，切割成数段短弧;
(4)电弧被金属栅片切割冷却而导致熄灭或发生重燃。

电弧仿真的数学模型不仅需要描述灭弧室内的温度场、气流场、电磁场之间复杂的耦合关系，并且需要综合考虑空气等离子体参数、辐射以及阴极和阳极弧根的描述等因素。

电弧模型是基于磁流体动力学(MHD)理论，引入二阶偏微分方程来描述电弧复杂的物理机制。

等离子体认为满足局部热平衡方程(LTE)，流体认为是层流。

质量、动量和能量守恒方程以及电磁方程用来描述电弧等离子体的气流场。

(1)质量方程:
(2)动量方程:
(3)能量方程:
(4)状态方程:
式中: ρ——密度;
v——等离子体速度矢量;
vi——i向速度(i=u，v，w);
η——粘性系数;
p——压强;
xi——i方向(i=u，v，w);
J——电流密度矢量;
B——磁通密度;
h——焓;
λ——热导率;
Cp——比热;
σ——电导率;
E——电场;
q rad——辐射能量;
qη——粘性耗散;
t——时间;
T——温度。

电磁场是通过计算磁矢位A获得，计算式如下: 式中:A——磁矢位;
Ф——电势;
μ——磁导率;
本构关系如下:
其中，空气等离子体物理参数(η、λ、C p、σ)和温度、压力相关，这些参数的变化也会对温度、气流、电磁场等产生影响，因此电弧模型控制方程都具有非线性的特性。

空气等离子体粘性系数、导热率、比热和电导率随温度、压强变化的曲线如图1所示。

图1 空气等离子体参数随温度、压强变化曲线
注:1:p=0.2atm;2:p=1atm;3:p=8atm;
电弧切割栅片过程中，邻近栅片表面的温度不会超过栅片材料的熔点，按照局部热平衡(LTE)理论，邻近栅片的气体几乎绝缘，实际上该区域的电导率很高。

因此，为描述弧根形成过程，弧根区域和弧柱区域采用了不同的电导率，采用高电导率薄层来描述:
式中: △y=0.1 mm——弧根鞘层厚度;
J——电流密度;
U s——鞘层区压降。

为简化计算，仿真中没有考虑动触头的打开过程，仿真的起始时间设定为动触头全打开时刻;仿真中没有考虑壳体、隔弧壁材料以及金属栅片烧蚀对空气等离子体的物性参数产生的影响。

2 MCB电弧运动仿真分析
2.1 MCB电弧仿真建模
某型号MCB灭弧室初始设计和改进方案的模型如图2所示。

使用专业网格划分软
件ICEM CFD进行仿真建模，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。

电弧运动计算结果如图3所示。

为显示清楚，文中通过灭弧室中间截面上的温度分布来描述电弧的运动过程。

图2 MCB灭弧室设计模型
图3 电弧运动计算结果
2.2 MCB电弧运动仿真分析
由图3计算结果可知，该方案电弧未进入灭弧室。

在t=0.039 ms时刻，电弧从动触头跳转到下跑弧道，随后在下跑弧道上停滞。

直到上跑弧道电弧运动到U形的最底部，下跑弧道电弧才越过折弯向前运动。

这主要是下跑弧道的电流路径设计欠合理导致。

下跑弧道的180°折弯使电流反向，同时使该处附近的吹弧磁场较弱，造成电弧运动缺乏动力，弧根停滞不前。

电弧在下跑弧道越过折弯后继续向前运动，而上跑弧道上电弧出现了停滞，下跑弧道电弧也停止前进，电弧在下跑弧道倾斜处来回摆动。

这一过程一直持续到电弧熄灭。

这主要是灭弧室只有一个较小的出气口，造成出气不畅，气流在灭弧室内形成较大的回旋，阻止了电弧顺利进入灭弧室。

由于电弧长时间停滞在上跑弧道U形底部以及在下跑弧道倾斜部分来回摆动，这两个区域将会烧蚀得非常严重。

运用振荡回路和高速摄影对该方案进行试验验证的情况如图4所示。

验证结果表明:一方面，电弧在上跑弧道停滞，U形底部烧蚀严重;另一方面，高温气流主要从下方1～2片栅片间流过，该区域壳体的烧蚀痕迹明显。

仿真结果与试验情况吻合。

图4 电弧运动试验验证情况
2.3 MCB电弧运动仿真优化
为了克服原设计方案的问题，根据分析结果，对图2(a)所示的灭弧室进行改进:灭
弧室排气道增加隔板、栅片开口形状改变、下跑弧道弧形设计和焊接点上移等，建立如图2(b)所示的改进仿真模型，对其进行仿真计算，其电弧运动的计算结果如图5所示。

图5 改进后电弧运动计算结果
下跑弧道电流路径的改变以及灭弧室出气口的改善，使得高温气体向上流，经栅片导向，贴近上跑弧道，有效加速了上跑弧道弧根的运动。

电弧迅速拉长，进入栅片区域，下方电弧运动较快，先被切割，进入栅片及栅片前方空间。

整个过程电弧运动较为顺畅，分断效果较好。

改进方案分断试验验证情况如图6所示，可以看出烧蚀痕迹较轻，电弧能够较快地熄灭，分断效果好。

图6 改进后电弧试验验证情况
仿真计算得出的电弧电流和电压波形分别如图7和图8所示，其中初始方案的计算时间较短，仿真计算终止时刻电弧还未熄灭。

初始设计电弧电压一直较低，电流一直处于高位，限流效果较差，直到t=3.8 ms电容组放电完毕，电弧仍未进灭弧室。

改进后的方案，电弧较快进灭弧室，电压迅速升高并为定在高位，电压峰值达404 V，电流下降很快，限流效果好。

图7 电弧计算电流波形
图8 电弧计算电压波形
3 结语
针对某型号MCB设计改进，进行了灭弧室电弧运动过程的仿真模拟，根据计算结果实施了设计优化，并利用振荡回路和高速摄影设施对改进方案进行了试验验证。

试验结果表明，计算结果与试验结果吻合，改进措施有效改善了产品分断性能和可靠性。

【参考文献】
［1］ WU Y，RONG M Z，SUN Z，et al.Numerical analysis of arc plasma
behaviour during contact opening process in low voltage switching device ［J］.Journal of Physics D(Applied Physics)，2007，40(3):795-802.
［2］ HAUSER A，BRANSTON D W.Numberical simulation of a moving arc in 3D:Gas Discharges and Their Applications，2008［C］.
［3］ RONG M Z，YANG F，WU Y，et al.Simulation of arc characteristics in miniature circuit breaker:IEEE Transactions on Plasma Science，2010［C］.。