摘"要：

低壓斷路器中電弧電壓直接關系到斷路器的滅弧性能，而柵片的近極壓降直接影響電弧電壓，因此研究其可以為優(yōu)化斷路器性能提供幫助。搭建簡化的實驗裝置，測量直流電流等級為250 A時穩(wěn)定燃弧過程的電弧電壓，并繪制電弧電壓與柵片間距的關系曲線，通過擬合曲線求得近極壓降；同時從柵片材料、厚度和電流等級等方面探究影響近極壓降的因素。實驗結果表明，不同材料的近極壓降會有差異，而柵片厚度和電流等級的大小不會對其產(chǎn)生影響。

關鍵詞： 低壓斷路器; 鐵磁性柵片; 電弧電壓; 近極壓降

中圖分類號： TM501+.2

文獻標志碼： A

文章編號： 2095-8188（2024）08-0021-06

DOI： 10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.08.003

Factors Affecting Near Pole Voltage Drop of Ferromagnetic Grating in Low Voltage Circuit Breakers

SUN Hao，"ZHOU Liujun，"ZHANG Xinyu，"WU Yi，"NIU Chunping

（School of Electrical Engineering， Xi’an Jiaotong University， Xi’an 710049， China）

Abstract：

The arc voltage in low voltage circuit breakers is directly related to the arc extinguishing performance of the circuit breaker，and the near pole voltage drop of the grating directly affects the magnitude of the arc voltage.Therefore，studying the near pole voltage drop of the grating can provide the assistance for optimizing the performance of the circuit breaker.A simplified experimental device is established，the voltage during the stable arc burning process at a DC current level of 250 A is measured，and the relationship curve between arc voltage and grating spacing is drown.The near pole voltage drop is obtained by fitting the curve.The factors affecting the near pole voltage drop are also explored from the aspects of grating material，thickness and current grade. The experimental results show that the near pole voltage drop of different materials will be different，but the grid thickness and current grade will not affect that.

Key words：

low voltage circuit breaker; ferromagnetic grating; arc voltage; near pole voltage drop

0"引"言

低壓斷路器中，最常用且有效的滅弧方法為金屬柵片切割電弧法［1］。該方法的原理可描述為低壓斷路器檢測到故障電流后響應，觸頭分離，電弧間隙被擊穿，電弧隨著觸頭分開間距的變大而拉長，由于此時電弧所處介質內(nèi)電磁場及氣流場的存在，導致電弧在應力作用下沿跑弧道向滅弧柵片運動，電弧被切成多段短弧。由于金屬柵片間存在近極壓降及金屬柵片對電弧的冷卻作用，柵片切弧后電弧電壓快速提高，從而熄滅電弧。

目前針對開關電弧的研究［2-4］主要通過2種方式：一是通過搭建實驗平臺，測量得到相應的宏觀參數(shù)和微觀參數(shù)；二是通過構建理論數(shù)學模型，利用計算機軟件模擬計算電弧燃燒時的氣流場、電磁場、溫度場。目前，針對低壓斷路器中金屬柵片切割電弧的過程，開展電弧研究存在著以下難題［5］：一是柵片由鐵磁性材料制成，分析時必須將非線性磁場求解問題代入考慮；二是柵片滅弧室結構復雜，難以利用觀測手段進行實驗研究；三是電弧通過跑弧道進入柵片區(qū)域后，等離子體會與柵片表面金屬發(fā)生相互作用，現(xiàn)有模型構建手段難以模擬如此復雜的過程。

電弧電壓這一宏觀參數(shù)，直接關系到低壓斷路器的滅弧性能。在電弧弧柱與金屬柵片表面的交界處，存在一個非平衡態(tài)的假定薄層，該區(qū)域被稱為鞘層［6-7］。鞘層的存在使得電弧電壓在接近電極的區(qū)域有明顯的提高，提高的電壓值被稱為近極壓降。金屬柵片的近極壓降直接影響電弧電壓的大小，然而關于金屬柵片近極壓降的研究，仍處于缺乏系統(tǒng)研究數(shù)據(jù)的階段，該現(xiàn)狀延緩了工程應用中低壓斷路器優(yōu)化、研發(fā)的進展。因此，本文對近極壓降展開系統(tǒng)的實驗測量，為近極壓降提供系統(tǒng)且可靠的實驗數(shù)據(jù)，同時為現(xiàn)有短間隙燃弧過程的電弧模型完善以及現(xiàn)有低壓斷路器的升級優(yōu)化提供更多可靠的數(shù)據(jù)支持。

1"鐵磁性柵片的近極壓降測量方法和數(shù)據(jù)分析

1.1"近極壓降測量平臺的設計

近極壓降實驗測量裝置如圖1所示。其主要由導電桿、螺栓夾頭和裝置外殼3個部分組成。導電桿負責連接實驗回路和實驗裝置；定制的螺栓夾頭內(nèi)徑與柵片上部分連接桿直徑尺寸一致，起到固定柵片，并通過微調(diào)使得柵片中心對齊的作用；裝置外殼用于支撐、固定，從而便于觀測實驗現(xiàn)象。

近極壓降實驗測量回路如圖2所示。其由充電回路和放電回路2大部分組成，2個回路通過1 F

大電容建立聯(lián)系。圖2（a）為充電回路，向1 F的電容器組充電，充電完畢的電容器組在放電回路中可充當電源。圖2（b）為放電回路，主要由電容器組、機械開關、可調(diào)電阻、絕緣柵雙極晶體管（IGBT）及相應的測量裝置組成。可調(diào)電阻用于配合電容器組控制實驗電流等級，考慮到可調(diào)電阻上將耗散大部分電容器在放電過程中釋放的能量，故實驗選用了短時耐受泄能強的高能電阻，該電阻通過串并聯(lián)可實現(xiàn)的調(diào)整范圍為0.1～2.4 Ω。

實驗操作過程主要分為以下3個環(huán)節(jié)：首先，在研究所需的柵片間距下固定熔絲；其次，電容充電電壓與可調(diào)電阻值的配合調(diào)整；最后，時序控制電弧起弧及熄滅。

1.2"基于直流燃弧的近極壓降分析手段

近極壓降的獲取需要用到不同柵片間距下的電弧穩(wěn)態(tài)燃弧值，因此本文首先開展了不同柵片間距下的燃弧實驗。實驗過程中，隨著燃弧時間的延長，電極之間的燒蝕會導致兩觸頭之間距離逐漸增大，由于每次實驗均需在定開距的條件下進行，若開距變化過大，測得的電壓將不再是原開距下的電弧電壓。一般情況下，低壓斷路器的分斷時間在數(shù)毫秒到數(shù)十毫秒，因此本實驗的研究時間選在0～10 ms。本文中，對每一個研究的參量均進行了3組重復實驗；對于每一組0～10 ms內(nèi)電弧電壓，取0～10 ms內(nèi)電壓平均值作為該間距下的電弧電壓值。

選取不同柵片間距下燃弧實驗中的典型電壓電流波形圖來分析燃弧過程。柵片材料10號鋼、柵片厚度8 mm、電流等級250 A下不同柵片間距電壓電流特性曲線如圖3所示。由圖3中電弧

電壓及電弧電流隨時間的變化規(guī)律，可推測柵片間燃弧過程：當實驗裝置接通后，熔絲融化，柵片間隙從熔絲時的低阻態(tài)變?yōu)楦咦钁B(tài)，因此電弧電壓波形在初始時刻均有一尖峰；電弧逐漸趨于穩(wěn)定燃燒后，電弧電壓從尖峰的瞬態(tài)值跌落趨于穩(wěn)定，伴隨著輕微的擾動。由于電容值（1 F）大，時間常數(shù)就大，電弧在10 ms的燃弧時間內(nèi)雖電弧電流有略微的衰落，但衰落值在5 A以內(nèi)，對實驗的干擾較小。正常情況下，電弧電壓波動較小，此時獲得實驗結果有著較好的參考價值及說服力。但當間距＜0.5 mm時，部分組別實驗中電弧電壓出現(xiàn)如圖3（c）中的較大波動。

在已有近極壓降實驗測量工作［8］中，柵片間距范圍為1～5 mm時，所擬合的近極壓降值結果與相關工作有著很大的差別。因此本文實驗將柵片間距范圍進一步拓寬為0.1～5.0 mm，以探尋本文實驗中柵片間距組別的最優(yōu)解。為完成上述目標，分3組實驗探究近極壓降的分析最優(yōu)解。第1組實驗中，獲得柵片間距與電弧電壓的散點圖中的柵片間距為0.50 mm、1.00 mm、2.00 mm、3.00 mm和5.00 mm；第2組實驗中，增加對0.25 mm柵片間距的電弧電壓實驗探究；第3組實驗中，增加對0.10 mm柵片間距的電弧電壓實驗探究。柵片材料10號鋼、柵片厚度8 mm、電流等級250 A下不同柵片間距的電弧電壓如表1所示。

通過不同柵片間距下的燃弧實驗，可以得到一系列電弧穩(wěn)態(tài)燃燒時的電壓值，繪制穩(wěn)態(tài)燃弧電壓值隨柵片間距變化的散點圖，利用最小二乘法擬合的方式，建立穩(wěn)態(tài)燃弧值與柵片間距之間的函數(shù)關系曲線。此時，近極壓降可以認定為間距為0 mm時的電弧電壓值。

對3組實驗獲得的電弧電壓隨柵片間距變化的數(shù)據(jù)點集，擬合近極壓降。不同階段數(shù)據(jù)點探究近極壓降最優(yōu)解曲線如圖4所示。由圖4可知，電弧電壓均呈現(xiàn)隨著柵片間距增大而增大的趨勢，這是由于柵片間距增大，電弧拉長、電弧電阻增大。對比3組實驗擬合出的結果：當采用第1組實驗獲得數(shù)據(jù)點進行擬合時，電弧電壓與柵片間距的擬合曲線插值到0 mm時獲得的電弧電壓值即擬合得到的近極壓降值，約為22.27 V;第2組實驗中，將柵片間距0.25 mm的電弧電壓值加入曲線擬合的原始數(shù)據(jù)點集內(nèi)，擬合得到的近極壓降值約為15.66 V；第3組實驗中，將柵片間距0.10 mm的電弧電壓值加入數(shù)據(jù)點集，擬合得到的近極壓降值約為17.06 V，略大于第2組實驗下的近極壓降擬合值。

2"鐵磁性柵片的近極壓降影響因素研究

2.1"柵片材料對近極壓降的影響

實際應用工況中，考慮到鐵磁性材料的導磁性能有利于滅弧，并具備材料強度高、耐熱性好、韌性好等優(yōu)點，通常選取鐵磁性材料作為低壓開關電器滅弧室的柵片材料。本文選取了不同含碳量中典型的3種鐵磁性材料作為研究對象，探究不同鐵磁性材料對于近極壓降的影響。

將3種鐵磁性材料制成8 mm厚度柵片，在4 kA電流等級下，測量獲得各柵片材料在不同柵片間距下對應的電弧電壓值。不同材料在不同柵片間距下的電弧電壓如表2所示。

對每個柵片間距下的3組實驗數(shù)據(jù)取平均值作為該柵片間距下的電弧電壓值，以柵片間距為橫坐標、以電弧電壓為縱坐標繪制散點圖，通過最小二乘法擬合。不同柵片材料下電弧電壓隨柵片間距變化曲線如圖5所示。

圖5中，通過擬合得到的3種不同柵片材料在不同柵片間距下電弧電壓的變化曲線，呈現(xiàn)的整體變化趨勢存在差異：在較大柵片間距下，3種柵片材料的電弧電壓在相同柵片間距下均存在較大差距。其中10號鋼較為明顯，與其他材料的差距在2～3 V，環(huán)保鋼的電弧電壓稍高于DT4C的電弧電壓約1 V，這一差距或許是由于柵片材料中化學組分區(qū)別導致的性能差異；在較小柵片間距下，3種柵片材料的電弧電壓在相同柵片間距下幾乎無差距，如0.10 mm柵片間距下3種柵片材料的電弧電壓均約20 V。

對圖5中的擬合曲線進行插值到x=0時，可以獲得不同柵片材料下的近極壓降值。文獻［9］對于材料這一影響近極壓降的因素展開過研究，但選用材料的參考性更偏向于觸頭材料的應用，觸頭與柵片在電弧開斷中的作用不盡相同且用量不同，因此其在研究中選用的材料為銅、鐵、銅鎢合金及鎢。將擬合出的不同柵片材料下的近極壓降值，與其關于材料影響近極壓降的研究結果進行對比。不同柵片材料下近極壓降擬合值如圖6所示。

由圖6可知，本文實驗選取的鐵磁性材料中，環(huán)保鋼的近極壓降擬合值為18.20 V，10號鋼的近極壓降擬合值為17.30 V，DT4C的近極壓降擬合值為18.44 V。考慮到實驗誤差及曲線擬合誤差會對近極壓降值擬合值存在約1 V的誤差，本文認為3種材料的近極壓降值接近一致。文獻［10-11］的實驗結果中，銅鎢合金、銅、鐵3種材料的近極壓降都在約16.50 V，比本文實驗的近極壓降值整體低約1.70 V，這一差異本文認為是由于實驗環(huán)境不同造成的；鎢的近極壓降值約為14.00 V，與前幾種材料有著明顯的差異。綜合上述結果與分析，結合本文實驗與文獻［9-10］實驗，得出柵片材料對于近極壓降的影響結論：不同材料的近極壓降會存在差異，但并非每2種材料間的近極壓降都存在著差異。用3種典型的不同含碳量的鐵磁性柵片材料進行實驗探究，進而發(fā)現(xiàn)低壓斷路器中金屬柵片材料對于近極壓降的影響，不同含碳量的鐵磁性材料之間的近極壓降不存在差異。

2.2"柵片厚度對近極壓降的影響

實際工程應用中，滅弧室中的總近極壓降值應為柵片數(shù)量與單對柵片近極壓降的乘積，若總的近極壓降大到足以抵住電源電壓，則會起到很好的限制短路電流的作用?？紤]到開關電器本身結構的限制，滅弧室內(nèi)的金屬柵片的空間應合理分配。在設計滅弧室內(nèi)柵片數(shù)量時，塑殼斷路器一般取6～10片，框架式斷路器一般取15～20片，同時柵片厚度的選擇也是優(yōu)化結構設計的重要一環(huán)。實際的低壓斷路器滅弧室內(nèi)，金屬柵片厚度通常取10 mm以下，結合這一工況，在探究柵片厚度對近極壓降影響實驗中，選取2 mm、8 mm 2種柵片厚度。本節(jié)探究實驗在250 A電流等級下進行，選用由10號鋼、DT4C兩種材料分別制成的柵片。不同柵片厚度10號鋼和DT4C在不同柵片間距下的電弧電壓如表3所示。

表3中，對每組柵片間距下2種柵片厚度的穩(wěn)態(tài)燃弧電壓值做差值處理。不同柵片厚度下電弧電壓差值隨著柵片間距的變化如圖7所示。圖中電弧電壓差值為2 mm柵片厚度下的電弧電壓減去8 mm柵片厚度下的電弧電壓。由圖7可知，所有柵片間距組別下，2 mm柵片厚度的穩(wěn)態(tài)燃弧電壓與8 mm柵片厚度的穩(wěn)態(tài)電弧電壓的差值都維持在-0.18～0.30 V，可認為不同柵片厚度對穩(wěn)態(tài)電弧電壓值不產(chǎn)生影響。進而推得，柵片厚度對燃弧過程中電弧特性不產(chǎn)生影響。

2.3"電流等級對近極壓降的影響

本文選取250 A、2 kA、4 kA共3種電流等級，探究電流等級對近極壓降的影響。在上述3種電流等級下，選用10號鋼及DT4C分別定制

成的8 mm厚度柵片。不同電流等級下10號鋼和DT4C在不同柵片間距下的電弧電壓如表4所示。

將實驗測得的電弧電壓與柵片間距的數(shù)據(jù)點集，以柵片間距為橫坐標、以電弧電壓為縱坐標繪制成散點圖，通過最小二乘法擬合。不同電流等級下電弧電壓隨柵片間距變化曲線如圖8所示。對比圖8（a）、圖8（b）可得：當實驗中電流等級存在差異時，相同柵片間距下的穩(wěn)態(tài)燃弧電壓值也呈現(xiàn)比較明顯的差異，不論柵片材料為DT4C還是10號鋼，電流等級越大，相同柵片間距下的穩(wěn)態(tài)燃弧電壓值相應越大，尤其在柵片間距大的情況下，該差異更為明顯。推測這一差異是由電流等級引起的電弧特性差異。

整理最小二乘法擬合曲線，獲得近極壓降值并進行對比。不同電流等級下近極壓降的擬合值如圖9所示。由圖9可知，不論柵片材料是DT4C還是10號鋼，在250 A、2 kA、4 kA共3種電流等級下，電流等級對近極壓降幾乎不影響，10號鋼的近極壓降約17.40 V，DT4C的近極壓降約18.40 V。

3"結"語

金屬柵片切割電弧過程是影響斷路器滅弧性能的關鍵，當電弧進入金屬柵片區(qū)域后，柵片切割電弧使得電弧電壓提高，促進電弧熄滅，有利于斷路器的開斷。本文為了模擬柵片間的燃弧過程，搭建了一套簡化實驗裝置，并匹配了相應的操作流程。近極壓降的獲取依賴于不同柵片間距下的穩(wěn)態(tài)燃弧電壓值，得到電壓值之后繪制電弧電壓隨間距變化的散點圖，通過最小二乘法擬合得到曲線，曲線在間距為0 mm時的數(shù)值即為近極壓降的擬合值。通過實驗可以發(fā)現(xiàn)，3種不同材料的電弧電壓隨著柵片間距變化的趨勢是相同的：隨著柵片間距的增加，電弧電壓也逐漸上升。

在完成近極壓降的擬合之后，本文還探究了多種因素對近極壓降的影響。以鐵磁性柵片為例，分別研究柵片材料、柵片厚度和電流等級對近極壓降的影響。實驗結果表明，不同材料的柵片近極壓降存在差異，而柵片厚度和施加的電流等級則不會對柵片的近極壓降產(chǎn)生影響。

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收稿日期： 20240530