沈阳工业大学科研人员在耦合磁场直流空气断路器栅片特性对灭弧性能的影响研究上取得新进展

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直流空气断路器是直流输配电系统中的关键设备之一，在城市轨道交通、舰船推进、电动车充电等领域得到了广泛应用。传统的直流空气断路器通过器壁产气的方式吹弧，当开断电流较小时，器壁产气量不足，难以驱动电弧进入栅片，无法实现快速开断，有时甚至会出现开断失败的情况，给设备安全带来巨大隐患。因此对于需要实现快速分断的场合，应采用具有永磁体吹弧装置的断路器。

具有永磁体吹弧装置的断路器，栅片材料和结构会影响磁场在灭弧室内的空间分布，同时也会对灭弧室内气流场产生影响，进而影响电弧的运动过程。直流空气断路器通过栅片建立近极压降完成限流开断，栅片决定了断路器的灭弧性能。在耦合外部磁场的条件下对不同材料和结构的栅片进行灭弧性能研究，可以发现外磁场对直流空气电弧的影响规律，探究电弧调控方法，从而指导直流空气断路器设计，达到开断电流范围更广，且能够快速开断的目的。

早期对电弧的研究多以实验为主，近年来，有关电弧研究的实验方法也逐渐多样化，主要包括通过高速摄像机拍摄电弧动态演变过程及测量电弧电压电流曲线、电弧光谱特性分析、测量电弧作用下触头的烧蚀量与质量转移、观测触头微观形貌。对于具有外部磁吹装置的断路器，由于导磁板的存在，导致拍摄电弧时存在阻挡点，该实验方法受到限制。

近年来，为了深入探究电弧的物理机理，人们进行了大量的仿真工作，通过建立电弧模型，分析复杂的电弧过程，提出新的电弧调控措施。由于空气电弧建模涉及复杂的灭弧室结构和多物理场耦合，计算量大，早期的仿真多建立简化模型来研究电弧运动特性，忽略近极鞘层的作用。

空气断路器主要通过栅片建立近极压降完成限流开断，随着计算机性能的提高，人们开始在简化模型的基础上考虑近极鞘层的作用，提出近极区鞘层假设。近年来，为了更加真实地预测电弧在灭弧室内的运动过程，学者们建立了包含完整灭弧室的整体模型并考虑近极鞘层的作用。磁场与气流场是影响电弧运动的重要因素。由于在耦合永磁体空间磁场的情况下建立包含完整灭弧室的电弧模型，难以保证算法的数值稳定性且计算量大幅增加，因此现有模型都是考虑定磁的作用，未考虑灭弧室内空间磁场分布。

特种电机与高压电器重点实验室（沈阳工业大学电气工程学院）、国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院的彭世东、李静、曹云东、刘树鑫、于龙滨，在2022年第21期《电工技术学报》上撰文，建立了永磁体作用下灭弧室内磁场的计算模型与电弧磁流体动力学（MHD）模型，实现了两者的耦合。在此基础上，对永磁体作用下栅片材料与栅片结构对电弧动态特性的影响进行了仿真，同时考虑电源极性的影响，得出了永磁体作用下灭弧室内磁场的空间分布、电磁耦合作用下灭弧室内温度分布与气流分布，提取了灭弧室内平均温度与电弧燃弧时间等关键参数，讨论了栅片材料与栅片结构对电弧特性的影响。

图1 直流空气断路器灭弧室结构

他们的研究结果表明，外施磁场作用下铁栅片会造成灭弧室内磁短路现象。相同仿真条件下，含铁栅片的灭弧室燃弧时间最长；动触头作为阳极更有利于弧根跃迁，燃弧时间缩短；当分断电流相同时，铜-绝缘栅片对电弧的冷却效果最佳；栅片倾角可以改变气流场分布，从而影响燃弧时间。

图2 仿真耦合流程

进一步的研究结论如下：

1）直流空气断路器灭弧室内的磁场分布受栅片材料磁导率的影响，高磁导率的材料会短路灭弧室内的磁场，造成灭弧室内磁场分布不均匀，栅片间磁感应强度小，难以驱使电弧运动。在外磁场吹弧断路器中使用铁栅片，燃弧时间明显增长。在含外磁场吹弧装置的断路器中，栅片应采用磁导率与空气接近的材料。

2）含铁栅片的灭弧室内电弧燃弧时间最长，电弧熄灭时灭弧室内温度最高。含铜-绝缘栅片的灭弧室内电弧熄灭时温度最低，其对电弧的冷却效果最佳，可利用此特性合理设置绝缘栅片来调控灭弧室内温度。

3）栅片倾角0°情况下电弧熄灭时灭弧室内平均温度最低，其对灭弧室内气流场阻碍最小。栅片倾角5°情况下燃弧时间最短。可通过合理设置栅片倾斜角度来调控灭弧室内气流场，达到电弧在灭弧室内快速被栅片切割的目的。

4）动触头作为阳极时，动触头上的弧根更容易发生跃迁，电弧燃弧时间缩短；动触头作为阴极时，燃弧时间增加，电弧燃弧后期散失的热量多，可有效抑制弧后重击穿现象。在需要快速开断的应用场合，可以采取动触头作为阳极的设计；在对稳定性要求较高的应用场合，可采取动触头作为阴极的设计。

研究人员指出，该项科研成果可为新型栅片材料的探索与研发提供理论依据，对优化灭弧室与栅片结构从而实现断路器快速分断具有一定意义。

本文编自2022年第21期《电工技术学报》，论文标题为“耦合磁场直流空气断路器栅片特性对灭弧性能的影响研究”。本课题得到国家自然科学基金、辽宁省重大科技专项和辽宁省教育厅面上项目的支持。

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