基于链式电弧模型的低压断路器开断特性仿真

尽管低压电器各个部件特性的仿真已日趋成熟，但由于电弧数学模型的限制，低压断路器开断过程的仿真尚有待于进一步研究工作，MHD电弧数学模型当前是国内外研究的热点，但由于这种模型目前最高在几千安培开断电流下仿真，电流再大就不易收敛，并且这种模型尚不能与触头斥开、机构运动等开断过程各个阶段相耦合，所以为了实现低压电器开断全过程的仿真，国内外都采用简单的电弧数学模型，6.11.2节介绍了西安交通大学提出的链式电弧模型，这里进一步举例说明它在优化设计断路器触头灭弧系统中的应用。研究对象为一额定电流等于250A的两面斥结构塑壳断路器，为了优化触头灭弧系统参数，对它进行开断特性仿真，取预期短路电流为10kA，两面斥的触头系统结构特点是在短路电流作用下动、静触头都能在电动力作用下斥开，提高限流作用，我国多个系列高分断塑壳断路器都采用这种结构，其结构如图6-81所示，图6-81中O₁为动导杆的旋转轴，O₂为静导杆的旋转轴。在短路电流的作用下，除了动导杆能绕O₁轴斥开外，静导杆也可以绕O₂轴斥开。

图6-81 研究对象

图6-82是计算得到的动、静导杆以及操作机构主轴在开断过程中的转角曲线。图6-82中，L₁和L₂分别为静、动导杆的对地转角，L₃为动、静导杆之间的夹角。

图6-82 开断过程中的动、静导杆以及主轴转角

图6-83是对应图6-82中A、B、C三个点的三种触头和操作机构的典型运动状态：A点表示动、静导杆在短路电流的作用下开始被斥开。此时，由于脱扣器尚未动作，操作机构保持静止状态不动。B点对应静导杆的最大打开位置。操作机构的主轴在C点赶上动导杆并防止其发生回落。在此之前，静导杆已经回落到其最初位置。

图6-84为10kA预期短路电流下，通过实验得到的电弧电压、电流波形与仿真结果的对比情况。对比仿真与实验结果发现：仿真结果基本上能反应实验波形的变化趋势，由此证明了仿真结果的可信性。

图6-83 两面斥开断过程中几个典型运动状态(www.xing528.com)

a）点A b）点B c）点C

图6-84 仿真值与实验值对比

利用建立的两面斥综合模型可以分析各种参数对开断性能的影响，实现优化设计，这里来研究静触头的触头压力对开断性能的影响。对同一台断路器取三种不同的静触头压力，分别为8N、25N和无穷大（相当于单面斥）。利用前面介绍的方法，计算短路电流为10kA时这三种样机的开断电压、电流波形，得到计算结果如图6-85所示。从仿真的电弧电压波形来看，静触头压力越低，静触头斥得越快，因而电弧电压也上升得越快，达到的电弧电压峰值也越高，从电流波形看，限流效果也越好。

图6-85 不同静触头压力时两面斥的电弧电压、电流对比

a）电弧电压 b）电弧电流

（责任编辑：姜婧婧）