摘 要： 針對傳統(tǒng)低壓直流斷路器，電流反向時磁場單向會導致其滅弧能力減弱的問題，建立基于COMSOL無極性低壓直流斷路器電弧仿真模型。分析在電流反向下無極性低壓直流斷路器的電弧運動，研究磁場和電流對無極性低壓直流斷路器滅弧能力的影響。仿真結果表明，無極性低壓直流斷路器可以消除電流反向對電弧運動的阻礙作用，并在240 mT和16 A下滅弧能力最強。仿真結果和實驗結果相吻合，無極性低壓直流斷路器的滅弧能力在恰當的磁場滅弧能力最強，電流越小滅弧能力最強，變化規(guī)律與試驗結果一致。

關鍵詞： 電流反向; 滅弧能力; 二維電弧仿真; 無極性低壓直流斷路器; 電弧運動

中圖分類號： TM561

文獻標志碼： A

文章編號： 2095-8188（2024）02-0006-07

DOI： 10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.02.002

Arc Simulation and Performance Optimization of Non-Polar Low Voltage DC Circuit Breaker Based on Magnetohydrodynamics

WEN Hui， GUO Xiaoxue， ZENG Xinyi

（School of Electronic Information， Xi’an Polytechnic University， Xi’an 710600， China）

Abstract： In response to the problem that traditional low voltage DC circuit breakers weaken their arc extinguishing ability when the current is reversed due to the unidirectional magnetic field， the arc simulation model of non-polar low-voltage Dc circuit breaker based on COMSOL is established to analyze the arc motion of non-polar low-voltage Dc circuit breaker under the reverse current. The influence of magnetic field and current on the arc-extinguishing ability of non-polar low-voltage Dc circuit breaker is analyzed. The simulation results show that the non-polar low-voltage Dc circuit breaker can eliminate the blocking effect of current reversal on arc motion， and the arc extinguishing ability is strongest at 240 mT and 16 A. In addition， the simulation results are consistent with the experimental results. The arc-extinguishing ability of the non-polar low-voltage Dc circuit breaker is the strongest in the appropriate magnetic field， and the smaller the current is， the strongest arc extinguishing ability.

Key words： current reverses; arc extinguishing ability; two-dimensional arc simulation; non-polar low voltage DC circuit breaker; arc motion

0 引 言

隨著直流配電網和用電設備的不斷發(fā)展，直流開關電器得到了廣泛應用［1］，隨之對低壓直流斷路器性能要求也越來越高［2］。低壓直流斷路器是一種通過分斷故障電流來保護直流配電網和用電設備的開關電器，因此滅弧能力是直流斷路器性能的重要表征［3］，也是影響低壓直流斷路器電壽命的重要因素。傳統(tǒng)低壓直流斷路器結構不能滿足電流反向時快速熄弧的需求，不僅會對其使用壽命造成損耗，而且會對人身安全和經濟造成危害和損失。因此，建立基于磁流體動力學的無極性低壓直流斷路器電弧仿真模型，研究在電流反向時磁場和電流對提高直流斷路器滅弧能力的重大意義。

隨著計算機技術、商業(yè)仿真軟件和磁流體動力學理論的不斷發(fā)展，人們對電弧仿真模型不斷進行研究。目前，國內從不同的方向對提高各種類型斷路器的滅弧能力進行了研究。文獻［4］利用COMSOL建立二維直流空氣斷路器電弧仿真模型，通過增大磁場和入口壓強來加快直流空氣斷路器的熄弧速度，表明磁場和入口壓強與滅弧能力有密不可分的關系。文獻［5］針對小電流真空斷路器建立電弧仿真模型，驗證增大縱向磁場可以提高其滅弧能力。文獻［6］指出觸頭開距對斷路器熄弧能力影響較大，且橫向磁場能夠起到抑制電弧甚至熄滅電弧的作用。文獻［7］建立二維局部斷路器電弧磁流體仿真模型，發(fā)現柵片排布和導流錐對電弧運動有影響，從而通過改善兩方面可以提高斷路器的滅弧能力。文獻［8］提出磁流體仿真與正交試驗融合設計的滅弧室性能優(yōu)化方法，認為合理的滅弧室跑弧道和增大滅弧室壓力有利于電弧的轉移，適當的增加滅弧室柵片數量有利于將電弧切割成短弧，高磁導率的增磁塊能夠增強磁吹效果。文獻［9］通過改變電流和分斷速度減少電弧對動觸頭的侵蝕，進而減小對直流接觸器電壽命的損耗。文獻［10］提出直流空氣斷路器滅弧室內的磁場分布受柵片材料磁導率的影響，認為滅弧柵片應采用磁導率與空氣接近的材料，從而提高直流空氣斷路器的滅弧能力。文獻［11］提出通過增設縱向柵片提高電弧電壓，這一結構不僅能夠加速滅弧，而且阻礙電弧向器壁運動，減少電弧對器壁的燒蝕，進而減小對電壽命的損耗。上述仿真模型都是通過改變材料、柵片和外部條件進行研究。目前，針對無極性低壓直流斷路器在電流反向時提高滅弧能力的研究較少。

在上述研究的基礎上，本文為了使直流斷路器在電流反向時電弧依然能夠加速向滅弧室運動，提出對無極性低壓直流斷路器進行性能優(yōu)化。這不僅能夠使電弧不受電流方向的限制，而且減少電流反向時所造成的觸頭侵蝕，從而達到提高滅弧能力的目的。因此，綜合考慮上述兩個問題，本文利用COMSOL建立無極性低壓直流斷路器二維電弧仿真模型，著重解決電流反向時所帶來的問題，并且通過改變磁場大小和電流大小來提高無極性低壓直流斷路器的滅弧能力，同時進行無極性低壓直流斷路器性能測試，使仿真結果得以驗證［12］。

1 無極性低壓直流斷路器內部結構

本文研究的無極性低壓直流斷路器相較于傳統(tǒng)直流斷路器對內部結構進行了優(yōu)化，即永磁片磁場方向設置為雙向。這樣的結構能夠有效消除電流反向對直流斷路器滅弧能力帶來的不利影響。無極性低壓直流斷路器如圖1所示。

圖1中，無極性低壓直流斷路器在觸頭兩側分別添加了永磁片和導磁片，將永磁片設置為磁場大小相同但磁場方向相反的永磁體，永磁片的磁場作用就會因為磁場大小相同但方向相反的原因而相互抵消。與此同時，觸頭兩側的導磁片在永磁片的磁場作用下從而具有磁場作用，且磁場不具有方向，這樣的結構會使觸頭兩側磁場不具有方向但具有磁性，從而在改變電流方向時，電弧運動不會因電流反向而受到阻礙作用，從而影響無極性低壓直流斷路器的滅弧能力，即電流方向從動觸頭流向靜觸頭改為從靜觸頭流向動觸頭時，無極性低壓直流斷路器滅弧能力不受影響。

2 無極性直流斷路器電弧仿真分析

2.1 磁流體動力學方程

無極性低壓直流斷路器電弧仿真模型是以磁流體動力學（MHD）［11］為理論基礎。MHD理論由質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程、Maxwell方程和電極表面熱通量方程組成［4，13-14］。

（1）質量守恒方程為

ρt+SymbolQC@·（ρv）=0（1）

式中： ρ——密度;

t——時間;

v——速度矢量。

（2）動量守恒方程為

ρ（vt+v·SymbolQC@v）=SymbolQC@·{－pI+μSymbolQC@v+（SymbolQC@v）T－23μ（SymbolQC@·v）I}+F（2）

F=J×B（3）

式中： p——流體壓力;

μ——動態(tài)黏度;

I——單位矩陣;

F——洛倫茲力;

J——傳導電流密度;

B——磁感應強度。

（3）能量守恒方程為

（ρH）t+SymbolQC@·（ρHv）=SymbolQC@·（λCPSymbolQC@H）+SH（4）

SH=1σJ2－Srad+Sφ（5）

Sφ=TkBT2q（kCp+5）（SymbolQC@T·J）（6）

式中： H——焓;

λ——熱導率;

Cp——定壓比熱;

T——溫度;

SH——等離子熱源;

kB——Boltzman常數;

q——元電荷量。

（4）電流和磁場耦合會產生靜態(tài)電流密度和感應電流密度，并且在磁場模塊中，由安培定律進行控制，因此需要麥克斯韋方程組求解電磁場。電磁場的Maxwell方程組為

SymbolQC@·（－σSymbolQC@φ）=0E=－SymbolQC@φ－At

J=σE

SymbolQC@×A=B

SymbolQC@2A=－μ0J（7）

式中： E——電場強度;

A——矢量磁位;

φ——電位;

σ——電導率。

（5）電弧在運動過程中，電流與流體傳熱耦合后，兩個電極（即陰極和陽極）表面會產生熱量。本文中電極采用的是銅材料，因此銅電極陰極表面熱通量方程為

Sc，arc+Sion=Sc，cathode+Selec（8）

各項方程為

Sc，arc=－n·（－λarcSymbolQC@T）（9）

Sc，cathode=－n·（－λCuSymbolQC@T）（10）

Sion=Jion·Vion（11）

Selec=Jelec·φCu（12）

式中： Sc，arc——電弧熱傳導進入陰極表面的熱量;

Sion——電弧中的正離子撞擊陰極表面產生的熱量;

Sc，cathode——流入陰極的熱量;

Selec——陰極表面發(fā)射電子流引起的熱量流出;

n——單位向量;

λarc——電弧在陰極表面附近區(qū)域的熱導率;

λCu——銅的熱導率;

Vion——電離電位;

Jion——離子電流密度;

Jelec——電子流密度；

φCu——銅電極表面功函數。

同理，陽極表面吸收能量也分為兩部分，故陽極表面熱通量方程為

Sc，arc+Selec=Sc，anode（13）

式中： Sc，anode——流入陽極的熱量。

2.2 電弧模型

基于MHD理論，無極性低壓直流斷路器的電弧運動仿真模型涉及到電場、磁場、層流和流體傳熱等多個物理場。為了提高計算速度，在模型中簡化了無極性直流斷路器的內部結構，并建立二維幾何模型。無極性低壓直流斷路器電弧模型如圖2所示。圖2中，滅弧柵片的厚度設置為0.5 mm，共11片;觸頭間的初始間距設置為0.5 mm，為了保證其在仿真中的收斂性，動觸頭以恒定的速度0.1 m/s向右運動;外殼尺寸設置為5 cm×3 cm;求解時間為10 ms;時間步長為 0.1 ms。

在仿真模型中，為了使仿真結果更接近真實結果，滅弧柵片和動、靜觸頭均采用銅材料，而滅弧室中的絕緣壁則采用石英，永磁體采用釹鐵硼磁性材料，導磁片采用鐵材料，外殼中的其他區(qū)域則采用空氣。為降低求解難度，材料的密度、電導率、熱導率和相對磁導率等參數都使用固定值，不隨仿真過程中不同狀態(tài)而變化［7］。

在仿真模型中，還要對物理場條件進行設置，其中包括電場條件、磁場條件、流場條件和溫度條件。電流模塊可以與外電路耦合，將無極性直流斷路器作為一個元器件接入到電路中［15］。外電路如圖3所示。直流電壓源為250 V，電感為8 mH，并通過改變電阻大小來改變電流等級;在磁場模塊中，可以選擇求解約化場，通過設置施加均勻背景磁通密度來改變磁場條件，并選擇設置相對磁導率來模擬導磁片;層流模塊采用不考慮湍流作用的不可壓縮流動進行計算，并設置出口為1個大氣壓（1 atm=1.01×105 Pa）;流體傳熱模塊則是通過設置模型初始溫度和開放邊界來模擬低壓直流斷路器的熱場，將初始溫度設置為293 K，并將層流接口中入口和出口設置為開放邊界。

2.3 仿真結果及分析

電弧是在觸頭間產生的一團溫度極高、亮度極強并能導電的氣體，且當溫度降低時電弧也隨之熄滅。因此，電弧表面溫度最大值的變化曲線可以直觀反映無極性低壓直流斷路器的滅弧能力［7］，即電弧表面溫度最大值變化曲線峰值越大，電弧散熱需要的時間就更長，燃弧時間也就越長，這意味著無極性低壓直流斷路器的滅弧能力越弱［16］，因此電弧表面溫度最大值的峰值越小，則滅弧能力越強。本文利用COMSOL對無極性低壓直流斷路器的結構進行研究與分析，并通過改變磁場和電流條件提高其滅弧能力。

2.3.1 磁場對滅弧能力的影響

無極性低壓直流斷路器也是磁控式直流斷路器，磁場會影響其滅弧能力［8］。為了驗證磁場對其滅弧能力具體影響效果，并提高無極性低壓直流斷路器滅弧能力，因此對無極性低壓直流斷路器觸頭兩側在同等級電流下施加橫向磁場，分別為120 mT、240 mT、300 mT和600 mT。

電弧表面溫度最大值的變化曲線共分為3個階段。在第一階段時，溫度迅速升高，電弧處于起弧階段;在溫度達到最大值時，電弧進入第二階段（燃弧階段），電弧表面溫度最大值迅速下降;在電弧溫度達到最低點時，即電弧運動結束進入第三階段，第三階段時電弧溫度已經趨于平緩。

不同磁場下電弧表面溫度最大值變化曲線如圖4所示。

由圖4可見，電弧表面溫度最大值的峰值并不是隨著磁場的增大而一直減小，而是在240 mT達到最低，隨后又增大。由圖4可知，電流無論是正向還是反向，在4種磁場不同電流方向下無極性低壓直流斷路器的滅弧能力的排序均：240 mTgt;600 mTgt;300 mTgt;120 mT。因此，無極性低壓直流斷路器在240 mT下滅弧能力最強。

不同磁場和不同電流方向下電弧運動的溫度分布圖如圖5所示。不同磁場下電弧表面溫度最大值的峰值如表1所示。

由圖5和表1可見，在120 mT、240 mT、300 mT、600 mT下磁場無極性低壓直流斷路器的電弧表面溫度最大值的峰值在不同電流方向下的差值分別為0.18 K、0.37 K、0.67 K、0.25 K，溫度分布在相同磁場不同電流方向下幾乎相差無幾，且在240 mT下溫度顏色最淡。由此可見，在相同磁場不同電流方向下電弧表面溫度最大值的峰值差距不明顯，說明電流反向并沒有對無極性低壓直流斷路器的電弧運動產生阻礙作用，因此也同樣說明電流反向下無極性低壓直流斷路器的滅弧能力得到了提升，并在240 mT的磁場條件下達到最優(yōu)。

2.3.2 電流對滅弧能力的影響

不同電流等級也會對無極性低壓直流斷路器的滅弧能力造成直接影響［16-17］，因此研究分析在16 A、32 A和63 A共3種電流等級下仿真結果。在仿真模型中，通過改變電阻大小來改變電流的大小。在保持電感不變的情況下，電阻大小分別設置為15.6 Ω、7.8 Ω和3.9 Ω。電感的存在既可以保護電路，又可以使電弧電壓持續(xù)緩慢地增長，從而更好地觀察電流對于滅弧能力的影響［18］。不同電流下電弧表面溫度最大值變化曲線如圖6所示。

由圖6可見，不同電流下電弧表面溫度最大值的變化同樣也分為3個階段。隨著電流增大，電弧表面溫度最大值的峰值越高，無極性低壓直流斷路器的滅弧能力就越弱。由圖6可知，電流無論是正向還是反向，這3種電流等級、不同電流方向下無極性低壓直流斷路器的滅弧能力的排序：16 Agt;32 Agt;63 A。因此，無極性低壓直流斷路器在16 A下滅弧能力最強。在電弧表面溫度最大值達到峰值時，不同電流大小和方向下電弧運動溫度分布圖如圖7所示。不同電流下電弧表面溫度最大值的峰值如表2所示。

由圖7和表2可見，在16 A、32 A和63 A下無極性低壓直流斷路器的電弧表面溫度最大值的峰值在不同電流方向下的差值分別為0.03 K，0.17 K，0.60 K，在相同電流等級、不同電流方向下的電弧表面溫度最大值的峰值差距也不明顯，同樣證明無極性低壓直流斷路器在電流反向下滅弧能力得到了提升，并在16 A時滅弧能力最強。

3 無極性低壓直流斷路器性能測試實驗

為了驗證仿真結果的準確性，對不同磁場和不同電流的無極性低壓直流斷路器進行性能測試。試驗平臺搭建原理圖和試驗條件分別如圖8和表3所示。

根據圖8的試驗平臺原理及表3的試驗條件，在無極性低壓直流斷路器兩端添加電壓傳感器用于采集每次開斷試驗中的電弧電壓，直至低壓直流斷路器失效為止。然后，利用MATLAB對實驗采集的電弧電壓進行分析，得出每次開斷實驗中不同型號和不同參數的無極性低壓直流斷路器的燃弧時間并求其平均值。不同磁場和不同電流下無極性低壓直流斷路器平均燃弧時間分別如圖9和圖10所示。

由圖9、圖10可見，電流正向和電流反向下平均燃弧時間變化規(guī)律相同且差距不明顯，在不同磁場下平均燃弧時間在120 mT最大，240 mT時最小;在不同電流下，燃弧時間隨著電流的增大而持續(xù)增大。因此，對比仿真結果和實驗結果可得實驗結果與仿真結果相一致，且在4種磁場不同電流方向下無極性低壓直流斷路器的滅弧能力的排序均為240 mTgt;600 mTgt;300 mTgt;120 mT;在3種電流等級不同電流方向下無極性低壓直流斷路器的滅弧能力的排序均為16 Agt;32 Agt;63 A。

4 結 語

本文根據無極性低壓直流斷路器的仿真結果和實驗結果可以得出以下結論：

（1）無極性低壓直流斷路器可以有效消除電流反向對電弧運動的阻礙作用，從而提高電流反向下滅弧能力。

（2）在磁場大小不斷增加的過程中，無極性低壓直流斷路器的滅弧能力不會一直隨著磁場增大而增大，而是在240 mT的磁場下滅弧能力最強。

（3）電流對于無極性低壓直流斷路器滅弧能力的影響為電流越小滅弧能力越強，在16 A的電流等級下滅弧能力最強。

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收稿日期： 20231202