周云红
（南京工程学院电力工程学院，江苏 南京 211100）
我国低压塑壳断路器的发展主要经历过以下几个阶段：上世纪（50～70）年代，第一代产品主要有仿苏联的DZ10、DZ15等产品，这些产品的短路分断能力仅有AC400V下的5kA左右；
（70～90）年代，第二代产品主要有DZ20等，短路分断能力提高到数十千安；
90年代至今，市面上大量使用的第三代仿日本产品，如常熟开关厂的CM1、CM3等，产品体积大大缩小，而短路分断能力也得到较大提高；
而新的第四代仿欧美产品，如正泰NM8等，短路分断能力可以达到150 kA。但是第四代产品，由于是双断点，成本较高，始终难以成为市场上的主力，所以，当前市场上的主力销售产品，还是以第三代单断点产品为主[1]。
因为市场上主要销售第三代产品，但是又需要较高的短路分断能力，所以许多企业和研究单位都在研究如何在不显著增加研发成本的基础上将单断点产品的短路分断能力大幅度提高。按照传统的开发模式，不能直接找出短路分断设计方案的薄弱点，若仍然以试错的方式反复排列组合研究方案，将既消耗大量研究经费，也消耗大量研发时间。针对有效提升塑壳断路器短路分断能力的方法开展研究，介绍了栅片电压测量分析法、电磁力有限元仿真法以及蒸汽喷射控制产气材料运用的原理和应用，综合运用以上设计方法，能够快速提高MCCB短路分断能力，方案切实可行，工程应用价值较好。
无论在交流还是直流中，都需要依靠灭弧栅片分割电弧的电弧电压跳跃来熄灭电弧。电弧电压公式为：
式中：Uarcm—电弧进入灭弧栅片后的电弧电压峰值；
U1—弧柱压降；
n—灭弧栅片数；
ΔU—极间压降。
栅片电压测量分析是一种非常有效的短路分断分析方法。利用栅片电压测量系统测量栅片电压，如图1所示。
图1 栅片电压测量设备Fig.1 Grid Voltage Measuring Equipment
该系统主要由电压∕电流测量探头、滤波保护模块、数据采集模块和数据存储分析软件组成，可以实现对短路分断过程中电弧电流∕电压以及栅片电压的采集，通过后处理软件可以获得栅片电压瞬时值与峰值、电流峰值、燃弧时间、热允通量、栅片电压差、平均电场强度等参数，还具备数据存储、生成试验报告等功能。该系统能定量分析和评估各灭弧栅片切割电弧的性能及电弧在灭弧室内的动态特性，帮助确定灭弧室设计的薄弱区域，为优化设计方案提供数据参考，是断路器先进数字化设计技术中有效的辅助测试设备[2-3]，测量原理，如图1（b）所示。
测量栅片电压前需要先对MCCB 的灭弧栅片进行处理，在每片栅片上焊上电线，如图2所示。
图2 断路器栅片上焊接电线Fig.2 Welding Wires on the Grid of Circuit Breaker
用于连接传感器作为电压测量点，输出电压数据（对于栅片比较多的产品，不需要每片栅片都焊上电线）。为了更好地说明该方法，选择一款分断能力不高的老款塑壳断路器进行短路分断试验，测试栅片电压。由短路分断试验设备输出测试电流，试验参数为AC220V∕10kA，共设置了6个不同的栅片测量电压点。
灭弧栅片电压测试结果，如图3所示。其横轴代表时间，单位是ms；
纵轴代表栅片电压，单位是V。可以看出：在试验初期，各个栅片电压测量点的电压是一样的，此时电弧尚未进入灭弧室；
在（2～6）ms时间段，电弧进入灭弧室，各栅片电压不同，表明各个栅片都在有效地切割电弧；
在（6～10）ms时间段，栅片电压测量点（1～3）的电压比较接近，但栅片电压测量点（4～6）的电压还是有明显的区别，说明电压测量点（1～3）所在的栅片不能有效切割电弧而电压测量点（4～6）所在的栅片能有效切割电弧；
在（10～14）ms时间段，所有测量点的栅片电压都开始接近，并趋于一致，说明此时电弧已经走出灭弧室。实际上，这个产品的操作机构动作速度约（13～14）ms，在施加低电流的情况下，动触头不斥开而达到最大开距所用时间为14ms，此刻电弧熄灭。
图3 灭弧栅片电压测试结果图形Fig.3 Graph of Gate Voltage Test Results
栅片电压测量点（1～3）测量的是灭弧室底部的栅片电压，可见灭弧室底部的栅的切割电弧的效果不是很好。灭弧室底部的栅片或者与之配合的导磁块在设计上可能不是很合理，致使电弧发生了轻微的背后击穿现象。但是，由于其它灭弧栅片还能发挥切割电弧的作用，因此产品最终仍能勉强完成短路分断。
进一步观察短路分段试验后灭弧栅片的烧损情况，也印证了上述栅片电压测试的结果。灭弧室底部区域的栅片烧损较严重（图中已圈出），如图4所示。因此，栅片电压测量分析方法可以为我们研究短路分断效果，提供一个非常直观的检测途径。
图4 灭弧栅片烧损情况Fig.4 Burning Loss of Arc Extinguishing Grid
较早期产品开发过程中，由于技术条件还不够成熟，尽管研发人员都清楚，通过在静触头中排布一定的导磁片可以增加电磁力，从而在短路分断过程中帮助动触头在操作机构还没有脱扣动作时，斥开得更快（在短路分断时，操作机构动作时间约为10ms，如果动触头依靠大的相反方向电流而产生的电动斥力，则会斥开得更加快速，达到5ms左右，可以减少承受短路电流的时间，从而提高短路分断能力）。但因为每一种设计方案，都需要大量的短路试验来验证，而在实际研发过程中不大可能针对所有排列组合的情况都进行试验，因此往往会错失一些最佳的设计方案。
根据测试电压∕电流的不同，一次短路分断试验的价格一般约几千元。设计时要考虑的参数有触头、灭弧室栅片、银点、导磁块形状等，有的排列组合高达几十种，而且每种方案还需要进行机械寿命、电寿命、短路分断、温升、环境试验等。
即使在多种方案中第一次就能恰巧寻找到成功方案，一个规格产品的研发试验费用也至少需要几十万元，许多中小型企业往往是承担不起的，因此多数会选择使用经典的老结构，以规避设计风险。
当前随着仿真技术越来越成熟，很大程度上能解决这个问题。同样是对于第1节所述产品，针对原型、静触头缺口填满、无上导磁块、无上下导磁块、引弧缩短共5种不同的电磁力设计结构，利用MAXWELL进行有限元分析计算电弧吸力。把电弧分成近、中、远三个区域，依次给出电磁吸力的计算结果，如图5所示。其横轴为灭弧栅片序号，（1～10）分别表示从下至上的栅片；
纵轴为电弧吸力，单位N。在设计时，希望灭弧栅片对电弧的吸力尽可能大，而观察图5（c）～图5（f）四种方案发现，采用静触头缺口填满或无上导磁块的方案时，近、中、远三处的电弧吸力整体比较大，是符合对电弧吸力的期望的。但静触头缺口填满的方案，在实际操作中因为缺口在静银点的正下方，不方便焊接静银点，所以选择无上导磁块的方案作为改进方案。
图5 电弧吸力Fig.5 Arc Suction
对原型、无上导磁块、无上导磁块∕U型下导磁块、无上导磁块∕U型下导磁块缩短共4种电磁力设计结构，如图6所示。利用MAXWELL进行有限元分析计算电动斥力，仿真结果分别为7N、9N、3N、1N。可以发现：将静触头的上导磁块去除，可以增加电动斥力；
而下导磁块改为U型，是不利于产生电动斥力的。
图6 四种电磁力结构Fig.6 Four Electromagnetic Structures
在这个设计中，上导磁块起初是为了在横向起到一定引弧作用，但是却使电弧吸力发生了减小，观察图5（b）可以发现左侧有一段明显的远电弧，在从下至上第（1～3）号栅片处，电弧吸力变小。这是因为电弧在吹出灭弧室时，发生了被上导磁块吸回来的现象，在第1 节中栅片电压测量也印证了同样的结果。以此得出，若去除上导磁块，电弧吸力将增加。同时，由图5（d）可以看出，去除上导磁块，在电弧吸力增加的同时，电动斥力也增加了，这有利于减少动触头斥开时间。
目前还没有非常好的能用于仿真蒸汽喷射控制（Vapour Jet Control，简称VJC）产气技术的软件，通常需要进行试验得出。研究发现，为一些原本没有产气零件的老款产品简单地加上产气材料后，其短路分断性能都会有一定提高。所以VJC产气技术是一种非常简单有效的提高短路分断能力的方法[4]。
《低压电弧系统中产气材料的作用及其选择》中指出，POM、PA66均是比较好的产气材料[5]。但当前进一步研究发现，比如同样是PA66材料，不同牌号的产气性能都不尽相同。某种牌号的PA66可能完全没有产气效果，而其他牌号的PA66又有着不同的产气效果。
但是，因为同一种产气材料只要牌号确定，其产气效果和其他性能也是能确定的，所以，可以根据具体的短路分断情况，选取合适的产气材料。如某款PA66材料，其产气效果非常好，但是熔点只有200°C，那么这种材料就非常适合高电压∕低电流的直流短路分断。能量是断路器专用术语，用电流的平方与通电时间的乘积I2t来代表电流在一定时间内能量的大小。能量与内阻的乘积I2Rt就是热量。如果能量过高，虽然产气效果好，但是熔化的产气材料会粘连触头。但如果在低电压∕高电流的交流短路分断中，选用某款PA46的材料，其产气效果不如之前的那款，但材料熔点有295°C，不会产生许多熔化的产气材料去粘连触头，就很好地提升了产品的短路分断能力[6]。
以第1节中介绍的产品作为研究对象，对比增加产气材料与改变电磁力后的短路分断性能，试验结果，如表1所示。其中“极限短路分断电流Icu”是在相应的电流下，进行“O-CO”两次操作（O即open表示断开，CO即close-open表示合闸后断开）。而“运行短路分断电流Ics”是在相应电流下，进行“O-CO-CO”三次操作[7]。可见，通过表中所列几种改进方法，产品的短路分断能力提升很大，但成本却没有本质的增加。
表1 实验结果Tab.1 Experimental Results
由于该产品原有短路分断性能为极限短路分断电流Icu=35kA，因此Icu=40kA的短路分断试验是不能通过的，对其进行Icu=40kA 的测试，“O”的波形，如图7所示。可以看到其短路分断全分断时间Tmb=6.5ms。当给其增加了产气材料，Icu=40kA 的短路分断试验就可以通过了。“O”的波形图，如图8所示。可以看出增加产气材料后，其他零件都没有变化，但全分断时间Tmb=5.7ms。因此产气材料对于提升短路分断能力是有一定帮助的。
图7 原型短路分断波形图Fig.7 Short Circuit Breaking Waveforms of Prototype
图8 增加产气材料短路分断波形图Fig.8 Short Circuit Breaking Curves After Adding Gassing Material
在增加了产气材料的基础上，再将上导磁块去除，产品不仅通过了Icu=40kA 的短路分断试验，还达到Icu=50kA、Ics=40kA 的短路分断试验。在测试40kA的短路分断试验时，“O”的波形图，如图9所示。从图中发现增加产气材料和将上导磁块去除的双重效果下，全分断时间Tmb=5.0ms。由于随着短路分断的时间逐步减小，产品能承受的电弧能量也相应减小，因此最终改进方案能够通过更高的短路分断电流，提升塑壳断路器的短路分断能力。
图9 增加产气材料，去除上导磁块短路分断波形图Fig.9 Short Circuit Breaking Curves After Adding Gassing Material and Removing the Upper Magnetic Block
综上所述，如按照传统的开发模式，不能直接找出短路分断设计方案的薄弱点，仍然以试错的方式反复排列组合研究方案，将是一种既消耗大量研究经费，也消耗大量研究时间的方法。利用现代化的研究方法，则可以用尽可能短的时间发现问题原因，有限元仿真能计算出不同方案下的电磁力，快速验证方案的可行性和有效性，最终佐以真实短路分断试验来验证修改方案，这就能大大提高研发效率。
塑壳断路器的核心功能是短路分断，提高短路分断能力，是市场上对断路器类产品的持续需求。与多年前有限的条件限制不同，在科学技术日益发展的今天，塑壳断路器的短路分断能力提升设计方法和手段，也变得越来越数字化，开发速度也不断提升。国内开发若停留在以前以模仿为主的技术水平上，始终是不能走到技术的前沿的，只有掌握新的开发技术，不断提高设计水平，才能设计出有竞争力的产品。
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