低压直流断路器引弧板材料对电弧电动力的影响

刘 佳， 迟长春

(上海电机学院 电气学院, 上海 201306)

低压断路器是断开故障线路、保护电气设备的关键元件。断路器的电寿命，通俗来讲就是断路器的使用寿命，指通过额定电流时，断路器的可靠通断次数。由于开关断开时，在动静触头上会产生电弧，而电弧会造成触头材料磨损，进而使断路器电寿命降低。目前，断路器数量众多，可靠通断对电力设备能否正常运行起到决定作用。从经济角度出发，也希望延长电寿命，使其物尽其用[1]。

当额定电流通过低压断路器时，手动断开开关，在动静触头分离瞬间会产生电弧。在磁场作用下电弧受电动力牵引，最终进入灭弧室，电弧熄灭。对于直流低压断路器来说，不像交流系统有过零点，可以利用过零点灭弧，而直流系统并无过零点，必须采用一定的技术手段进行人工过零[2-7]。熄灭直流电弧的措施一般是提高电弧的伏安特性，采用外加磁场磁吹灭弧是诸多方法之一[8]。当低压直流断路器额定电流较小时，电弧自身产生的磁场小，受到的电动力也小，无法将电弧拉入灭弧室来提高电弧电压，采用外加永磁体的方式可以将电弧电动力大大提高，进而快速灭弧。由于电动力受磁场控制，故永磁体的摆放位置以及磁性强弱直接影响了灭弧效果。

本文根据电弧所受的电动力方向，确定了断路器触头断开之后电弧在运动过程中的4个典型位置，进而简化了电弧运动过程，建立了电弧运动模型，并用数字仿真软件对电弧电动力进行了仿真计算。利用Ansys软件计算出了引弧板材料为铁和铜下的电弧电动力，同时仿真出了引弧板材料为铁和铜的磁场分布，并利用磁理论对结果进行分析。

1 仿真计算模型

某型断路器结构示意图如图1所示。

图1 某型直流断路器结构示意图

本文采用Maxwell计算洛仑兹力。由于涡流对电动斥力的影响很小[9]，因此，采用静磁场来计算电流密度和磁通分布。根据导电回路进行三维电流密度分布仿真，对整个模型区域进行剖分，计算其产生的三维磁场；计算出作用在每一个单元上的电动斥力Fi，即

Fi=JiBi

(1)

式中：Ji为每个单元的电流密度；Bi为单元磁感应强度。

2 电弧电动力仿真计算

仿真电弧可简化为圆形柱体，因为电弧有导电性能，故设定材料为铜[10]。以电弧在磁场中会受到洛伦兹力的作用，再以力方向为依托，可以将繁杂的电弧运动过程简化为4个典型位置(见图2)。这4个位置可以划分为3个部分：① 动静触头断开之后，电弧在触头之间形成通道；② 电弧开始运动，但并未到达灭弧室；③ 电弧完全进入灭弧室。主回路流通的为额定电流，电弧所处的磁场中磁感线始终由内向外，由左手定则可知电动力的方向。

图2 4个典型位置电弧平面图

2.1 永磁体在引弧板下方时仿真电动力

2.1.1 引弧板材料为铁 图3是永磁体在引弧板下方时，引弧板材料为铁，仿真建模中将引弧板材料选为steel1010。图3中数据表示不同磁性永磁体的电弧电动力仿真数据。模型中的永磁体剩磁和矫顽力数值不尽相同。第1种永磁体的剩磁和矫顽力最大，剩磁1.22 T，矫顽力899 kA/m；第2种永磁体次之，剩磁0.77 T，矫顽力590 kA/m；第3种永磁体最小，剩磁0.7 T，矫顽力140 kA/m。观察图3中数据可大致得如下结论。

图3 3种永磁体的电弧电动力对比折线图

在引弧板下添加永磁体之后，所有的电弧电动力大大增强；对于无永磁体时的第4种电弧与其他三者数据相比要小。

无论永磁体磁性如何增强，图3中的第4种电弧的电动力大小均无变化，可知永磁体的磁性强弱对第4种电弧影响不大。

由于矫顽力越大，磁场强度越大，故电弧所受的电动力越大。对比图3中折线可得，第1种永磁体下的第1、第2和第3种电弧的电动力均大于第2、3种永磁体下的电弧电动力。

在引弧板材料为铁的情况下，永磁体磁性增强使前3种电弧的电动力均逐步上升，并成递增趋势。纵向来看a点由1.7 mN升至3.01 mN，b点由2.85 mN升至6.44 mN，c点由3.28 mN升至8.81 mN，d点始终在13.6 mN左右，即提高了灭弧过程中各个位置的电弧电动力，从折线图形横向观察可以看出，大致呈现一次函数的数值特性。

2.1.2 引弧板材料为铜 如图4所示，永磁体在引弧板下方时，引弧板材料为铜，仿真建模中将引弧板材料选为copper。图4中数据表示不同磁性永磁体的电弧电动力仿真数据。模型中的永磁体剩磁和矫顽力数值同样不尽相同，仍与上述引弧板为铁时的情况完全一致，设置为第1种永磁体的剩磁和矫顽力最大，剩磁1.22 T，矫顽力899 kA/m；第2种永磁体次之，剩磁0.77 T，矫顽力590 kA/m；第3种永磁体最小，剩磁0.7 T，矫顽力140 kA/m。

图4 3种永磁体的电弧电动力对比折线图

观察图4中数据可大致得如下结论：

在引弧板的材料改变为铜后，永磁体磁性增强，图4中的第4种电弧的电动力大小均无变化，可知不仅永磁体的磁性强弱对第4种电弧影响不大，引弧板的材料对其也无影响。在引弧板下添加永磁体之后，所有的电弧电动力大大增强；由于无永磁体时的第4种电弧与其他三者数据相比很小，可知有无永磁体对第4种电弧有一定影响。

由于矫顽力越大，磁场强度越大，故电弧所受的电动力越大。对比图4中折线可得，第1种永磁体下的第1、第2和第3种电弧的电动力均大于第2、3种永磁体下的电弧电动力。

在引弧板材料为铜的情况下，永磁体磁性增强使前3种电弧的电动力均逐步上升，并成递增趋势。纵向来看a点由2.83 mN升至5.90 mN，b点由10.89 mN升至26.31 mN，c点由12.10 mN升至27.43 mN，d点始终在13.60 mN左右，即提高了灭弧过程中各个位置的电弧电动力，从折线图型横向观察可以看出，b点到c点的上升率相比于a点到b点上升率减弱了。

2.2 分析模型的磁场分布

断路器中的磁场包括两部分：① 由磁铁产生的外加磁场(见图5)。② 电流产生的磁场(见图6)。图5是在引弧板下加了永磁体之后的磁场分布图，加上外界磁场激励，电弧周围的磁场由有到无，由弱到强，有了灭弧作用。通过在电弧周围读取电磁场数据，可知当引弧板材料为铜时，电弧周围的磁场比引弧板为铁时的磁场要强。从数据上来看，引弧板材料为铜时断路器磁场强度大约在0.4～0.6 T，引弧板材料为铁时断路器磁场强度大约在0.1～0.15 T，可知用铜材料会将磁场强度增强5倍左右。图6为无永磁体时的断路器磁场分布图，在没有外加磁场激励的情况下，磁场是由电流产生，磁场回路只是在铁芯、磁轭中流动。由图6可见，磁场并没有在电弧周围，拉弧效果微弱，或者说并无灭弧效果。

图5 引弧板材料为铁时断路器磁感线分布数据图

图6 无永磁体时的断路器磁场分布图

为了容易理解，以超导体为例，超导体是完全抗磁体(需要在液氮营造的超低温环境下才有如此的性质)，外加磁场无法进入或大范围地存在于超导体内部[11-13]。图7为抗磁体磁感线分布示意图。

图7 抗磁体磁感线分布示意图

铁为顺磁体，外加磁场可以进入其内部，如图7(a)所示；相反铜为抗磁体，抗磁电流磁场，如图7(b)所示；抗磁效果虽不比超导体，但是同样可以将磁铁产生的磁场一部分“排斥”体外，如图7(c)所示，这样的结果就是使铜表面的磁场强度要大于铁物质表面的磁场强度[16]。这样引弧板材料为铜时，电弧周围的磁场比引弧板为铁时的磁场要强，即电弧电动力也会增大。

3 结 论

本文基于Ansys软件对某低压直流断路器的简化电弧运动进行了电动力仿真计算，考虑了永磁体的磁性以及引弧板材料对电弧电动力的影响并进行了理论分析，得出如下结论。

(1) 在引弧板下添加永磁体之后，所有的电弧电动力大大增强；由于无永磁体时的第4种电弧与其他三者数据相比很小，可知有无永磁体对第4种电弧有一定影响。

(2) 无论永磁体磁性如何增强，第4种电弧的电动力大小均无变化，在引弧板的材料改变为铜后，第4种电弧的电动力大小也无变化，可知不仅永磁体的磁性强弱对第4种电弧影响不大，引弧板的材料对其也无影响。

(3) 第1种永磁体下的第1、第2和第3种电弧的电动力均大于第2、3种永磁体下的电弧电动力，即磁性越强，电弧电动力越大。

(4) 将引弧板材料改为铜之后，电弧电动力比引弧板材料为铁时增强了1倍左右，拉弧效果大大提高，从磁场分布图以及磁理论上也分析了增长的原因。