低压电器的技术进展

综 述

低压电器的技术进展

陈德桂 西安交通大学(710049)

摘　要　从新产品开发现代化、开关电弧的仿真、新的灭弧机理、无弧电器、触头材料与触头系统等方面介绍了低压电器技术的近期发展动向。

叙　词:低压电器　新技术　技术动态

The N e w T rends and Developments of T echnology for Low Voltage Apparatus

Abstract :The paper introduces the new trends and developments of technology for low voltage apparatus in the

fields as follows :modernization of developing approach ,simulation of switching arc ,new mechanism of arc quench 2ing ,arcless switch ,contacts material and system etc.

K ey w ords :low voltage apparatus new technology trend and development

作者陈德桂,男,1933年生,1955年毕业于上海交通大学电机系,教授,博士生导师,中国电工技术学会理事、低压电器专委会主任,IEEE 高级委员。

一、前言

近年来随着计算机、电子学、电弧等离子体物

理、信息和集成、材料科学的进展,促进了低压电器技术的发展。本文以国内外最新资料为依据,从新产品开发现代化、开关电弧的仿真、新的灭弧机理、固体开关、触头材料与触头系统等几个方面介绍低压电器技术的近期发展动向。 二、产品开发手段的现代化由于市场竞争,目前国际上一些电器公司都在致力于产品开发手段的现代化,以缩短产品开发周期、提高产品质量、降低成本。产品开发手段的现代化主要表现如下三方面:(1)三维计算机辅助设计与制造软件系统的引入;(2)电器开关特性的计算机模拟和仿真;(3)现代化的样机测试手段。

第一方面主要解决设计产品的零件三维造型和装配以及制造过程的自动化,文献[1]中以日本三菱公司开发的PSS 系列塑壳断路器为例作了详细介绍,这里不再重复。与此同时,电器开关特性的计算机模拟和仿真对低压电器新产品的开发和研究变得越来越重要。近年来,市场上已能提供各种精确的场域计算分析软件,可以计算各种

复杂的电场、磁场、温度场和流场,以及这些场的综合问题,给这一工作的顺利开展创造了条件。但由于电器的开断过程涉及电弧等离子体、机械动态和各种物理场的综合,所以除计算机辅助工具外,还需要结合现代测试手段,才能解决开断过程的全面模拟和仿真问题,以下以德国金钟-默勒(K locknor 2Moeller )公司为例说明这方面的进展。

K 2M 公司从三个途径来建立低压断路器故

障开断过程的计算机模拟和仿真系统[2],首先,建立用于分析断路器磁场、电场、应力场和开关机构的子系统;其次,整个开断过程的模拟和分析;第三个途径,用样机的测试来获得模拟过程的一些经验数据。

低压断路器由脱扣器、开断机构、触头系统和灭弧系统等组成。模拟断路器的开断过程须全面描述这些部分的相互作用,也即必须包括以下子系统:开关电弧;开断机构和脱扣器;主电路;灭弧室中介质、触头、跑弧道和灭弧栅片、灭弧室器壁材料。首先,每个子系统可用计算机辅助分析CAE 软件来进行分析,当进行每个子系统分析时,为使问题简化,不考虑各子系统之间的联系,分析所用的工具有:ANSYS 、ADAMS 和CFX 2F3D 。其中ANSYS 是应用有限元法分析物理场

—

3

—

的软件,可用于进行触头灭弧系统和脱扣器的磁场分析和外壳的机械强度分析;ADAMS 用于机构的动态分析,通过分析可获得可动部分的动态特性;处理开关电弧和灭弧室器壁材料及冷空气的作用,需要求解磁流体动力学方程组(MHD ),MHD 方程组是一组变系数的非线性微分方程组,K 2M 公司依靠CFX 2F3D 三维流体计算软件系统,采用有限容积法求解灭弧室内的电弧等离子体的流速v 、密度ρ、压力p 和温度T 等参数。以上各子系统计算和分析可获得断路器各个部件的最佳尺寸和改进断路器性能。

综合以上各子系统来获得整个开断过程的计算机模拟和仿真,须把以上各子系统的数学模型和主电路瞬态方程联合起来,并且考虑相互作用的边界条件和初始条件。这样的问题是非常复杂的,并且无法直接用以上提到的CAE 工具来解决。K 2M 公司建立了一套新的软件系统USAN 来解决以上问题,如图1所示。借助于三种商品软件在充分考虑部件几何尺寸和物理参数条件下,分析各个子系统,用它们的计算结果可推导出简化的全局仿真模型,后者带有一批待定系数,其结果为线性和非线性方程组,这些方程组中包括主电路方程。USAN 可用来求解这些方程组,但方程组中的待定系数则需依靠测试数据,通过求出测试值和模拟值之差,平方后用最小二乘法来确定待定系数

。

图1　K 2M 公司低压断路器开关特性 计算机模拟与仿真系统

K 2M 公司的测试中心是目前欧洲设备最完善的电器实验室之一,它的短路试验站由3台冲击发动机组成,电压由0.14～1.3kV 条件下可获得400kA 的预期峰值电流,试验中心有各种先进的测试设备来测量开断过程各种参数,包括各种物理量(磁场、温度、加速度、压力等)的传感器、高速摄影系统(40000幅/s )、激光振动仪和计算机处理系统,这些设备一方面可用来验证建立的仿真模型,另一方面用来测定待定系数。

三、开关电弧的仿真与新型灭弧

系统

低压开关电器的设计关键是灭弧室的设计,长期以来人们只能依靠经验和样机的试验来确定灭弧室的结构和几何尺寸。灭弧室的设计首先要解决开关电弧的数学模型。80年代初,L.Niemeyer 和A.Abri 分别用经验公式和简化的电弧动态模型实现低压断路器的开断过程计算机模拟和仿真。进入90年代中期,由于磁流体动力学(MHD )数值分析的进展,人们探索用电弧的物理2数学模型分析灭弧室内的电弧等离子体微观参数,其中荷兰的K.F.H.Merck 用二维动态MHD 方程组计算了一个限流断路器(见图2)的电弧停滞过程[3]

。

图2　限流断路器模型

这个过程是指从触头刚打开到电弧在电磁力

作用下开始运动为止的一段时间,此过程的长短直接影响断路器的限流性能。计算获得的不同瞬间沿x 方向的温度分布如图3所示

。

图3　不同瞬间灭弧室内的温度分布

—

4

—