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摘要：为解决小容量分布式电源并网发电并提高其利用效率，美国北卡罗莱纳州立大学和亚利桑那州立大学提出一种环形微网，称为未来可再生电能传输和管理网络FREEDM（Future Renewable ElectricEnergy Delivery and Management）。在FREEDM框架下，各种可再生分布式电源、储能设备和负载通过固态变压器SST（Solid State Transformer）的各级交、直流母线与电网连接。当微型电网发生故障时，除了公用电网向故障点提供故障电流，各种分布式电源的存在将进一步升高故障点的短路电流，另外，由于SST热容量较低，要求迅速隔离故障，以减少短路电流的危害。
关键词：微型断路器；短路开端；电极烧蚀；仿真性；分析
1导言
微型断路器（Miniature Circuit Breaker，MCB）正常接通时，电磁铁的动、静铁心在反力弹簧的作用下处于分开状态；短路时，短路电流使线圈产生磁场，在磁场力作用下，动铁心与静铁心快速吸合，同时推动推杆撞击脱扣杆，使机构解锁；动触头由操作机构带动，同时与静触头逐渐分开并产生电弧。在此过程中，触头除受操作机构的影响外，还受到电动斥力的影响。作用在动触头上的电动斥力包括霍尔姆力和导电电路产生的洛仑兹力。
2仿真模型描述
不同条件下空气电弧对电极烧蚀的主要机制不同，对于金属单质材料，当电弧电流较小，例如十几安培时，电极烧蚀的主要机制为汽化；而当电弧电流增大到百安培及以上时，液体喷溅机制逐渐增强，成为电极烧蚀的主要机制。然而对于银氧化锡、银氧化镉等合金材料，当电流达到千安培时电极受热熔化后由于金属氧化物颗粒的存在液态熔池黏性增大使得液体喷溅受到抑制，因此电极汽化占主导。本文触头材料为银氧化锡，因此主要考虑在电弧作用下触头材料汽化引起的质量损失。建立二维仿真模型。静导电杆材料为铜，前端触头材料为银氧化锡。首先由上一时刻电极温度分布计算当前时刻电极材料的物性参数；同时根据上一时刻电极表面温度求解电弧与电极表面之间的能量平衡方程，得到当前时刻注入到电极内部的热流密度。然后将注入到电极内部的热流密度作为电弧与电极相互作用面上的边界条件，并结合当前时刻的物性参数求解电极热传导方程，可得当前时刻电极的温度分布。此刻的温度分布又可作为计算下一时刻的温度分布的初始值。此外，电弧在动静触头停滞时间（即仿真时间）以及电弧电流通过实验获得。电极物性参数的计算以及注入到电极内部的热流密度的求解涉及到电极受热发生的相变、电弧与电极表面之间相互作用的物理过程，下面分别讨论对这两个物理过程的处理方法。
2.1相变处理
对于电极的熔化过程，本文采用显热容法处理。由于合金材料不是在某一确定温度值下发生相变，而是在一定的温度区间内进行，因此可以认为在这个温度区间内存在一个较大的显热容。
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2.2电弧与阴极表面之间能量平衡方程
散热项主要包含不同温度下电极材料蒸发而耗散的能流密度、阴极向外发射电子消耗的能流密度以及电极向外辐射的能流密度。向外辐射的能流密度与前两者相比很小，可以忽略。
3电弧在触头之间停滞时间
3.1实验方法
该实验平台主要包含LC振荡回路、激光补光成像系统和控制测量系统。LC振荡回路由电容器组、电抗器以及晶闸管串联组成，构成放电主回路。激光补光成像系统主要由连续激光器和高速摄影仪组成，二者配合以拍摄电弧和动触头在开断短路电流过程中的运动状态。控制测量系统主要由罗氏线圈、高压探头、示波器和数字延时脉冲发生器组成。对电容器组完成充电后手动触发数字延时脉冲发生器，该数字脉冲发生器将同时输出三路同步触发信号，触发晶闸管、高速摄影仪和示波器。当晶闸管被触发后则主回路导通，该回路中短路电流迅速增大，当短路电流超过一定值时微型断路器机构开始动作，脱扣器解锁，动静触头拉开，电弧在动静触头之间产生。晶闸管被触发的同时示波器被另一路信号触发，开始记录高压探头和罗氏线圈的信号，即电弧电压和电流信号。同样地，高速摄影仪被触发后则开始拍摄并记录微型断路器内部电弧以及动触头的运动，这样使得高速摄影仪和示波器同步分别记录电弧运动、电弧电压以及短路电流数据。由电弧运动图像可以得到电弧在触头之间产生和脱离触头的时刻，然后根据这两个时刻在电弧电流波形上截取对应的部分作为实验输入电流波形。此外，本文短路电流由LC振荡回路产生，通过晶闸管控制放电。由于晶闸管具有单向导电性，实验中电流波形仅有半个周波，因此整个电弧燃烧过程中微型断路器两个触头的极性保持不变。
3.2电弧停滞时间
短路电流为3kA条件下，由于断路器的限流作用，电流在4ms时刻达到峰值，该峰值约为3.6kA，根据高速摄影仪的拍摄结果确定电弧与电极的作用时间为0.98ms（3.12-4.10ms），从实验电流波形中提取3.12-4.10ms部分作为模型的输入电流。由于断路器的限流作用，电流在3.49ms时刻达到峰值，该峰值约为6.02k A，根据高速摄影仪的拍摄结果确定电弧与电极的作用时间为0.72ms（2.13-2.84ms），从实验电流波形中提取2.13-2.84ms部分作为模型的输入电流。
短路电流增大时脱扣器动作时刻提前、电动斥力增大使得生弧时刻提前；同时短路电流增大时吹弧磁场以及灭弧室内的压强增强，促使电弧运动加快。开断过程中电弧注入到阴极的能量可由公短路电流为3k A时电弧注入到电极的能量约为43.55J，而短路电流为6k A时电弧注入到电极的能量约为55.20J。
4结论
本文建立了综合考虑相变、电弧与电极表面之间能量平衡关系以及移动边界的电极烧蚀模型。搭建了基于激光补光实验平台并测量了样机短路开断过程中电弧停滞时间。基于该模型并利用实验测得的电弧停滞时间研究了微型断路器短路开断过程中电极烧蚀特性，主要得到以下结论：1）在电弧作用下电极温度迅速升高，当电极表面达到熔点之前其升华作用很微弱，可忽略不计；当电极表面达到熔点之后，烧蚀率开始缓慢增加，然而此时烧蚀体积仍然很小；而当电极表面达到沸点之后，烧蚀率迅速增加，同时烧蚀体积开始出现明显增加趋势。2）短路电流分别为3k A和6k A时，本文样机的电弧停滞时间分别为0.98ms和0.72ms，烧蚀质量分别为3.2mg和5.2mg。对比烧蚀质量实验数据与仿真结果，二者比较接近，验证了本文模型的正确性和有效性。3）分析了短路电流分别为3kA条件下电弧停滞时间以及触头材料中氧化物质量分数对电极烧蚀质量的影响，结果表明在0.5-1ms范围内随着电弧停滞时间的增加，触头烧蚀质量近似线性增加，并且斜率约为7.06mg/ms，因此减小电弧停滞时间可以有效减小电极烧蚀质量。对于氧化锡质量分数分别为8%、10%和12%的银氧化锡材料，随着电极材料中氧化锡质量分数的增加，电极烧蚀质量增加较平缓，三种不同电极材料的烧蚀质量在4.5-4.8mg之间，相差较小。
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论文作者:江山
论文发表刊物:《电力设备》2017年第32期
论文发表时间:2018/4/17
标签：电弧论文; 电极论文; 电流论文; 断路器论文; 触头论文; 时刻论文; 晶闸管论文; 《电力设备》2017年第32期论文;