符合UL489标准的塑壳式断路器触头系统和 灭弧系统的设计与试验(文献综述)

本科生毕业设计（论文）文献综述

题目：符合UL489标准的塑壳式断路器触头系统和

灭弧系统的设计与试验

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2014年03月30日

引言：

塑壳式断路器也称空气开关或装置式自动开关。主要用作低压系统的电能的保护和分断。塑壳断路器主要由主触头系统、灭弧系统、操作机构、脱扣器和外壳等部分组成。脱扣器接收故障信号，并传递给操作机构，由其控制主触头及辅助触头的断开和闭合。灭弧室用于熄灭主触头系统在分断电路时产生的电弧。当断路器出现短路电流并达到整定值时，瞬时脱扣器中的电磁铁动作，推动牵引杆运动，使操作机构脱扣，从而将电路切断。当电路中出现过载电流时，过载脱扣器中的热双金属受热弯曲，推动牵引杆运动，达到规定时间后操作机构脱扣，将电路切断。

塑壳断路器的UL489标准和IEC标准主要区别在于UL489标准的验证试验更加注重断路器的安全性和寿命，增加了一个6倍过载试验，检验每相温升是否在规定值内，并且其寿命试验的次数为10000次也远大于IEC标准的4000次，来提高断路器的安全性能。触头系统和灭弧系统是断路器的主要结构。电动斥力是影响触头系统正常工作的重要因素，触头系统可靠性的高低直接影响了整个断路器的性能。而同时合理设计的触头灭弧系统内部的结构，使之能获得更强的吹弧磁场和磁吹力，对于提高塑壳断路器的分断性能和安全性能具有重要意义。

磁场中的载流导体必然受到力的作用，这个力企图改变回路的形状，以使环绕的磁通增加[1]。由于电流产生磁场，因此载流导体之间也要受到力的作用，这种力称为电动力。电器的触头系统中由于有电流通过，导体之间同样存在着相互作用的电动力。动、静触头间的电动斥力轻则使触头压力减小，接触电阻增大以至温升升高，重则使触头弹开，产生电弧，加速触头磨损或导致触头熔焊。因此，研究电动力对设计好塑壳断路器的触头系统和灭弧系统，提高断路器的安全性具有重要意义。

作用在动触头上的电动斥力 F ( 包括导电回路产生的洛仑磁力F及触头间由于电流收缩产生的Holm力)和预压力决定了触头的斥开时间和打开速度，从而对塑壳断路器的限流性能产生重要的影响。，从式(1)所示的Holm 公式可以看出，接触点

半径r 与预压力触头材料的布氏硬度、触头表面接触情况( 用描述，其范围一般为0.3~0.6，通常取0.45) 有关。而Holm力F与r ，触头半径R、以及电流大小i 有关。这样 F K 对F就有一定的影响；另一方面，的选择也由于发热容许的要求，而受到F的限制。因此，在进行塑壳断路器的触头导电回路的设计时必须进行电动斥力的计算。

国内外研究现状：

对于电动斥力，国内外学者对电动斥力做了许多深入研究[2-3]。目前对触头系统电动斥力计算分析主要是基于有限元仿真软件（Ansys[4]、Ansoft）。有限元法的基本思想是把问题的求解域进行离散化[5]，从而得到有限个小的单元，单元与单元之间仅仅靠节点相连。在每个单元的内部假设近似解的模式，通过某种特定的方法，建立单元内部点的待求量和单元节点量间的关联。由于离散单元的形状较为简单，由能量关系或者平衡关系来建立节点之间的方程式也较为简单，然后再将各个单元方程组成总体线性方程组，通过引入边界条件，求解此线性方程组就能得到所有的节点量，再进一步计算出导出量，问题就能得到解决。

文献[6-8]是对触头系统有限元仿真模型进行简化和电动斥力分析计算方法。文献[6]应用数值计算方法，基于三维有限元软件分析了不同触头系统电动斥力，基于电流一磁场一电动斥力之间的方程，并考虑铁磁物质的影响，引入圆柱导电桥模型作为接触点模拟触头间的电流收缩，通过两个相同半径的圆柱体触头仿真得到，得到导电桥高度h对电动斥力影响不大，同时，由于涡流对电动斥力的影响可以忽略，所以采用恒定场的方程来计算电流密度和磁通密度的分布，由此确定了触头系统的仿真模型。文献中作者利用不同触头结构的对比仿真分析，得出总的电动斥力主要由动触头及其附近区域的电动斥力提供，而动触头间电流收缩产生的电动斥力均占总体的7 0％以上，同时表明铁磁物质、U型电机槽和水平面内的U型回路通过改变电流方向可以增大电动斥力。最后通过单频高压振荡回路模拟短路电流测量电动斥力，考虑测量中相关因素的影响，其实际测得的电动斥力和仿真相差无几，证明了引入导电桥，采用静态的分析方法计算电动斥力是合适的，也是比较准确的。因此，这样也为我选用有限元分析软件分析电动力提供了科学的依据。

而文献[7]则是引入块状导电系统模型作为接触点，模拟触头间的电流收缩，采用带电动机槽的触头结构和无电动机槽的触头结构为触头模型，分析触头开距和有无铁磁物质对电动斥力的影响。得出了增大触头间电动斥力是一种增大触头间开距的有效方法，并且带磁铁的的触头结构也有助于增大电弧斥力。表明有限元分析方法的有效性、方便性和实用性。

文献[8]在使用三维积分方程法计算磁场的基础上，提出低压断路器触头系统电

动斥力的分析方法。三维积分方程法用公式计算触头间的电动斥力。用磁场分析方法来求解回路电动斥力。积分方程法只需对铁磁提内部区域进行离散，而无须对整个场域进行剖分，适用于开域的磁场问题，无须确定磁场的边界条件。文献中作者也做了一台样机在低压大电流回路进行实验，表明使用积分方程法能够准确地计算作用于触头系统上的电动斥力，在计算电动斥力时不仅考虑了由于电流线收缩产生的斥力, 而且采用磁场计算的方法来分析非线

性铁磁材料及触头系统产生的斥力, 从实验和计算的对比结果可以看出, 使用该方法具有较高的精度。

所以考虑利用有限元分析电磁场分析功能,研究接触状态下触头系统的电动斥力分布，进而改善断路器接触器触头系统的结构，提高工作时的可靠性。

当低压塑壳断路器通过较大的短路电流时，脱扣器将会瞬时脱扣，使操作机构运动，动、静触头在操作机构的带动和电动斥力的作用下分离，与此同时，电弧将在动、静触头间产生、拉长．并朝着灭弧室栅片的方向移动[11]。

现在有效的灭弧措施有多种。最常见的有栅片灭弧即多个栅片的灭弧室，利用近极压降将进入到灭弧室中的电弧电压提升到一个较高的值，从而在开断电路。文献[9]通过有限元软件Ansys分析了四种不同触头系统结构的吹弧磁场，对比了4个模型在通以相同电流的情况下，电弧中心线的磁感应强度以及电弧受到的磁吹力。为增强吹弧磁场的磁吹力、提高灭弧系统的灭弧性能提供了方法和思路。而文献[10]利用器壁的产气绝缘材料经电弧侵蚀后产气，然后利用灭弧室内压力升高，通过灭弧室上端排气口，形成对电弧的气吹。通过比较两种不同模型，得到适合气吹的灭弧室结构。PA 自动吹弧技术(即利用高分子材料在电弧的高温下分解出有利于灭弧的气体介质灭弧)、VJC技术灭弧(这种技术动触头、静触头周围覆盖耐电弧绝缘材料，将电弧弧柱控制在一由耐电弧绝缘材料形成的狭小空间内，使电弧电压升高，从而使电弧不能稳定燃烧而快速熄灭)和ISTAC技术(在VJC技术基础上发展来的，利用3种力使电弧被高速驱动，提高电弧电压上升的速率，降低峰值电流，限流效果好，电弧能快速进人灭弧室熄灭)。

而电弧之所以会朝栅片移动，其中一个重要原因是，它受到了磁吹力的作用。增强灭弧的吹弧磁场，提高电弧所受到的磁吹力，能使电弧更快速地进入栅片，被有效分割成短弧，从而提高塑壳断路器的限流和灭弧性能。因此，提高吹弧磁力对塑壳断路器的分断性能具有很大的意义。

背景意义

动、静触头间的电动斥力轻则使触头压力减小，接触电阻增大以至温升升高，重则使触头弹开，产生电弧，加速触头磨损或导致触头熔焊。电动斥力是影响触头系统正常工作的重要因素，触头系统可靠性的高低直接影响了整个断路器的性能。而在电器触头部分的设计中，触头系统结构复杂，很难用经验公式准确地计算出电动斥力，而利用有限元分析方法能够方便的改变模型的几何参数，比较准确得到触头部分的电动斥力及其分布情况。在设计中利用有限元仿真技术可以降低试验费用，加快产品开发周期,提高效益,具有实际意义。

灭弧系统是塑壳断路器的重要结构，它有利于加速分断、抑制触头电气磨损。合理设计的触头灭弧系统内部的结构，使之能获得更强的吹弧磁场和磁吹力，对于提高