基于灭弧系统改进设计的塑壳断路器分断能力提升研究

摘要

塑壳断路器是能接通、承载和分断正常电路条件下的电流，也能在规定的非正常条件下（例如过载或者短路）接通、承载一定时间电流和分断故障电流的一种机械开关电器。广泛应用于低压配电系统中，是低压电网系统中重要的配电电器之一。随着现代工业的发展，电力工业进一步发展，电网的容量不断提高，线路中预期最大短路电流的值也变得越来越大，一旦断路器不能可靠分断就会造成触头熔接、爆炸等事故，严重的甚至会威胁到电气操作人员的人生安全。因此需要不断提高塑壳断路器的分断能力，从而不断提高其切断故障电流的能力。
　　本课题就是应市场需求基于原本一款分断指标为50kA的断路器产品，为提髙其分断能力到70kA，选择对其中的灭弧系统进行设计优化，基于电弧开断过程的理论研宄，从电动斥力、电弧磁吹力和电弧电压入手通过四个方面展开研宄：（1)分断故障电流时利用不同静触杆的形状来提髙故障电流对动触杆产生的斥开力矩;(2)有无磁吹片结构、磁吹片的形状以及在灭弧室内的位置对电弧进入灭弧室内所受磁吹力的影响；（3)灭弧栅片的数量、形状以及在灭弧室内的排列方式对电弧电压的影响；（4)有无气吹片结构以及气吹片所使用的材质对电弧电压的影响；通过这些研究提出多种设计方案并借助ANSYS和Fluent仿真分析软件进行初步的计算和比较。
　　根据以上不同方案的仿真比较结果，确定初步的优化设计方案并制作样机在25℃室温415v交流电压及功率因数为0.2的条件下进行极限运行短路分断实验。利用Teamplus软件抓取试验过程中的波形，计算出峰值电流和电弧能量并针对分断实验过程中以及后续电寿命、介电、特性以及温升试验出现的问题进一步展开分析及研宄，一一找出对应的解决方案后进一步优化设计方案。
　　研究成果得到了一种改进后的灭弧系统：优化了灭弧室的栅片排布并结合使用电机槽磁吹结构以及气吹片，克服了之前样机实验过程中遇到的难题。最终采用改进后灭弧系统的断路器产品顺利通过了分断测试的全部试验，实现了产品分断能力由50kA提升至70kA的目标，该研宄成果对后续塑壳断路器中灭弧系统的开发及改进提供了参考意见。

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