牟明川 张 博 赵 虎 郭晓雪 张立昌

无极性直流微型断路器电寿命评估研究

牟明川1张 博1赵 虎2郭晓雪1张立昌3

（1. 西安工程大学电子信息学院，西安 710600；2. 西北工业大学自动化学院，西安 710114；3. 西安工程大学工程训练中心，西安 710600）

低压断路器是低压交直流配电系统控制和保护的主要器件，电气寿命是衡量其性能的指标之一。相较于低压交流断路器，直流断路器没有电流过零灭弧特征，其灭弧及寿命评估不易。本文研究无极性直流微型断路器电寿命评估，阐述了无极性直流微型断路器结构，搭建试验平台进行电弧特性分析和电寿命试验，并建立电寿命预测模型。试验结果表明，电弧对触头的稳定燃烧是断路器电寿命减少的主要原因，本文所提出的静触头烧蚀量与燃弧能量积累量的线性模型可有效预测断路器电寿命。

无极性；直流微型断路器；燃弧时间；燃弧能量

0 引言

近年来，随着城市牵引车辆、光伏发电、风力发电、电动汽车等分布式电源的发展，直流微型断路器在这种分布式低压配电网中的保护和控制作用愈加重要[1-2]。与交流断路器不同，直流断路器在开关过程中没有电流过零特性，因而灭弧能力较差，对低压直流配电系统及其元件损害较大，需要附加磁吹的直流灭弧功能。传统的有极性直流断路器的电弧具有方向性，灭弧受限；而采用无极性直流断路器则可以提高灭弧能力，延长其使用寿命。对直流微型断路器进行电弧特性研究和电寿命评估是应用无极性直流微型断路器的必要前提。

在分断电弧过程中产生的飞弧对断路器及系统的危害严重[3]。文献[4]分别在动触头与静触头合闸点一侧安装永磁铁、两侧安装永磁铁以N-S极性放置两种方案。单磁铁时，磁通沿径向扩散，有效磁通密度因与到接触点的距离二次方成反比而减小，串联布置双磁体可增加接触点的磁通密度从而加快电弧的熄灭。文献[5]分析了强弱性永磁铁在不同位置对电弧电动力的影响，通过仿真试验证明强磁性永磁铁在拐角铁片处的电动力最强，表明在该处进行灭弧效果最佳。文献[6]在横向磁场作用下，电弧被驱逐到电极边缘，获得了更好的灭弧效果。文献[7]采用两种不同形状的钕铁硼做研究，灭弧时间都得到了改善。文献[8]分别采用“T”形和矩形导磁板结构的外加磁吹装置进行仿真研究，研究表明“T”形导磁板具有较好的开断能力。显然，外加磁吹装置不是优选方案，文献[9]建立了纵向磁场，得出随纵向磁场增大，阴极与阳极鞘层的电场强度减小，有利于电弧熄灭的结论。

微型断路器的电寿命会随开断次数的增加而减少，因而对微型断路器进行寿命评估与预测能够有效避免因其失效而引发的一系列事故。文献[10]利用累积燃弧能量与开断次数的关系对接触器进行了寿命预测。文献[11]利用累积电弧烧蚀量和开断次数的关系对高压直流继电器进行了电寿命预测。文献[12]利用累积触头磨蚀量和开断次数的关系构建了交流接触器寿命预测模型。这种寿命评估与预测方法主要利用选取的特征量随触头开断次数线性变化的特点，简单有效，但是对于不同的触头材料，需要重新进行电寿命试验来修正关系系数。

与此同时，利用趋势特征量构建寿命评估与预测模型的研究也成为热点。文献[13-14]利用超程时间构建了继电器寿命预测模型。文献[15-16]利用电弧电压和电弧电流的数据挖掘，采用触头质量损耗、燃弧能量积累量和吸合时间特征量反映开关电器寿命劣化趋势，建立了剩余寿命预测模型。

然而，在直流断路器的电弧分析与寿命预测研究中，大多是针对有极性直流微型断路器。为解决直流微型断路器的灭弧方向性问题，本文提出无极性直流微型断路器的结构设计，并对该类断路器进行电弧特性分析和寿命预测建模。首先，对无极性直流微型断路器结构进行阐述；其次，搭建电弧特性试验平台和电寿命预测试验平台；最后，对32A的无极性直流微型断路器进行电弧特性分析和电寿命试验，并对其电寿命进行建模。

1 结构设计

无极性直流微型断路器结构及磁铁触头相对位置示意图分别如图1、图2所示。

1—进线接线座 2—软连接线 3—动触头 4—静触头 5—脱口机构 6—手柄 7—线圈 8—出线接线座 9—静跑弧道 10—灭弧室 11—灭弧栅片 12—隔弧壁 13—动跑弧道 14—永磁铁 15—热双金属片

图2 N-N极性磁铁触头相对位置示意图

无极性直流微型断路器附加了隔弧壁、永磁铁、增磁铁片等元件。隔弧壁材料常用三聚氰胺或酚醛树脂，当电弧经过隔弧壁时产生高导热性气体，气体在周围产生的气流将高温迅速冷却下来，同时压缩电弧使其直径减小，加速灭弧过程。永磁铁以N-N或S-S同极性安放在动静触头合闸位置两侧。增磁铁片放于隔弧壁下方，起到增强磁场的作用，以增强引弧。

当断路器开断电流时，无论电流方向如何，电弧在动静触头之间产生，由于相对设置的永磁体在动静触头之间区域产生的磁场相互抵消，电弧主要在自身电流及动静触头导电结构产生的磁场下向弧角方向运动；待电弧运动至弧角上之后，由于隔弧壁侧面导磁体的设置会加强永磁体下方区域磁场对电弧的作用，靠近两侧隔弧壁区域的磁力线方向相反，无论电流正向还是反向流动，均会促使电弧靠近，将电弧推向灭弧室方向的一侧隔弧壁，从而实现对直流电流的引弧和分断。

2 灭弧原理

直流不同于交流的区别就是直流电流是一个恒定值，没有自然过零点，所以灭弧原理异于交流。直流电弧伏安特性与一般电阻伏安特性相反，即电压随着电流的增大呈现递减的趋势，所以电弧的直径会随着电流的升高而递增进而使电弧温度增加，导致电阻值减小。图3为简化直流电路，为电源的电动势，为电感，为电路电阻，CB为断路器，h为断路器两端电压，h为电路电流瞬时值。

图3 简化直流电路

当切断线路时，在动静触头上产生电弧，线路电压方程为

式中，h为电路电流瞬时值h对应的有效值。

由于电弧的热惯性和线路中储能元件的存在，电弧熄灭的时间会延长。从动触头与静触头分开到电弧熄灭所经历的时间代表燃弧时间，故将式（1）进行变换，并对等式两边进行时间积分，令积分时间区间为（0,），令=0，得

式中，h0为初始时刻回路电流有效值。

从式（2）可以看出，在直流电源和线路电阻一定的情况下，燃弧的能量与电感有很大的关系。线路中电感系数越大，电感储存的能量就越多，电弧的能量也就越大，即灭弧难度增加，故电感的储能特性增加了灭弧时间。

3 试验平台搭建

试验系统主要完成对无极性直流微型断路器分断过程中电弧电压和电流数据的采集，因分断时间极短，需要提高采样速率来保证采集数据的准确性，试验系统原理如图4所示。

图4 直流微型断路器试验系统原理

数据采集系统由两块数据采集卡和两个霍尔电压传感器构成，一个霍尔电压传感器用于测量触头间的电压，另一个霍尔电压传感器用于测量阻性负载两端的电压，其等同于测量回路电流信号。微型断路器合分闸操作机构由PLC、直流电机、接近开关和机械机构组成。灭弧室位置处外壳进行开口处理，并加装有机玻璃，便于拍摄，同时保证不改变试验样品的灭弧室气流场分布，降低试验误差。电弧分断研究试验及电寿命试验平台如图5所示。

1—阻性负载 2—PLC操作结构 3—直流电源 4—工控机 5—摄像机 6—断路器

4 试验及结果分析

4.1 试验条件

以额定电流32A进行电弧拍摄及数据采集，试验条件见表1。

表1 试验条件

4.2 电弧特性分析

图6、图7分别为直流微型断路器的电弧电压、电流波形及电弧转移图。

图6 电弧电压、电弧电流波形

图7 电弧转移图

在电弧分断过程中，根据电弧所处的不同位置可分为以下4个阶段：起弧阶段、稳定燃烧阶段、转移阶段、熄弧阶段。起弧阶段如图7（a）所示，在4.863ms，电弧在动静触头间产生，起弧电压为14.2V。稳定燃弧阶段如图7（b）所示，在4.963ms，电压缓慢上升，此时电弧在动静触头间稳定燃烧，随着动静触头的距离增大，电压区间为14.2～40.3V。转移阶段如图7（c）所示，在6ms，电弧开始向跑弧道转移，随着动静触头的开距迅速增大，电弧电压急速上升，从40.3V上升到130V左右。熄弧阶段如图7（d）所示，在6.213ms，电压值从130V左右下降到90V，此时电弧从动静触头间向跑弧道转移，在灭弧室形成电弧通道，造成短暂重击穿，导致电弧电压下降，随后电弧被灭弧室的灭弧格栅隔断，电弧熄灭，电压迅速上升到电源电压。

通过对电弧运动过程的分析得出，稳定燃烧阶段是电弧对触头烧蚀最为严重的阶段，也是造成断路器电寿命减少的主要原因。

4.3 电寿命试验分析

在电寿命试验中，对断路器电流正反向分别进行5 000次开断合闸数据提取及处理后，分析得到特征量变化趋势分别如图8、图9所示。

图8 正向电流特征量变化趋势

图9 反向电流特征量变化趋势

从图8和图9可以看出，超程、静触头烧蚀量、动触头烧蚀量随着开断次数的增加而减少，超程从1.91mm下降到1.32mm，静触头厚度从0.52mm下降到0，动触头厚度从4.62mm下降到4.3mm，与电流方向无关。接触电阻在不同电流方向下产生不同的变化趋势。通过分析得出静触头烧蚀量最能反映断路器的开断次数。

通过对采集的电弧电压数据进行分析，提取电弧在动静触头间的燃弧时间，并计算出燃弧能量积累量。电弧在动静触头间的燃弧时间分布如图10所示。

图10 燃弧时间分布

从图10分析得出，燃弧时间具有分散性，正向燃弧时间在1ms左右，反向燃弧时间在1.3ms左右。根据每时刻的电弧电压、电弧电流及燃弧时间，通过式（3）计算出每次开断的燃弧能量积累量。

式中：t1为起弧时刻；t2为电弧转移时刻；u(t)为t时刻的电弧电压瞬时值；i(t)为t时刻的电弧电流瞬时值。燃弧能量积累量曲线如图11所示。

从图11可以看出，燃弧能量积累量随着开断次数的增加而增加，并近似成线性关系。

4.4 电寿命预测模型构建

根据上述分析得到，静触头烧蚀量与燃弧能量积累量最能表征断路器开断次数。将静触头烧蚀量与燃弧能量积累量建立一定关系，进一步对其进行在线检测处理即可得出断路器寿命。静触头烧蚀量与燃弧能量积累量的关系曲线如图12所示。

图12 静触头烧蚀量与燃弧能量积累量关系曲线

通过建立静触头烧蚀量与燃弧能量积累量的关系，得出静触头烧蚀量与燃弧能量积累量基本成线性关系。利用线性拟合得到静触头烧蚀量与燃弧能量积累量的线性模型。依据无极性直流微型断路器静触头烧蚀量与燃弧能量积累量的线性模型及相应的阈值评估其电寿命，可以将难以在线监测的触头烧蚀量转换为较易在线监测的燃弧能量积累量，并在8A、16A、63A等不同电流等级下验证了模型的准确性，有效实现了无极性直流微型断路器电寿命在线评估。

5 结论

本文对无极性直流微型断路器进行了电弧特性试验和电寿命试验，通过试验结果分析得到以下结论：

1）稳定燃烧阶段是电弧对触头烧蚀最为严重的阶段，也是造成断路器电寿命减少的主要原因。

2）在开断过程中，电弧在动静触头上的燃弧时间与开断次数没有必然联系，具有分散性。

3）静触头烧蚀量、燃弧能量积累量随着断路器开断次数的增加成线性关系，表征明显。

4）静触头烧蚀量与燃弧能量积累量存在线性关系，建立的线性数学模型适用于预测不同电流等级下无极性直流微型断路器的电寿命。

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Study on electrical life evaluation of non-polarized direct current miniature circuit breakers

MOU Mingchuan1ZHANG Bo1ZHAO Hu2GUO Xiaoxue1ZHANG Lichang3

(1. School of Electronic and Information Engineering, Xi’an Polytechnic University, Xi’an 710600; 2. School of Automation, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710114；3. Engineering Training Centre, Xi’an Polytechnic University, Xi’an 710600)

Low-voltage circuit breakers are the main components of the control and protection of low-voltage AC and DC power distribution systems, and their electrical life is one of the performance indicators for measuring circuit breakers. Compared with low-voltage AC circuit breakers, DC circuit breakers have no current zero-crossing arc extinguishing feature, and its arc extinguishing and life evaluation are not easy. This paper studies the evaluation of the electrical life of the non-polarized DC miniature circuit breaker. The structure of the non-polarized DC miniature circuit breaker is explained. The arc characteristic analysis and electrical life test are carried out on the test platform, and the electrical life prediction model is established. The test results show that the stable combustion of the contacts by the arc is the main reason for the reduction of the electrical life of the circuit breaker. The proposed linear model of static contact ablation and arcing energy accumulation is effective in predicting its electrical life.

non-polarized; DC miniature circuit breaker; arc duration; arc energy

2021-09-10

2021-09-14

牟明川（1996—），男，四川省富顺县人，硕士研究生，主要研究方向为直流微型断路器电寿命评估。

西安市科技协会青年托举计划（095920201324）