[科普中国]-灭弧栅片

简介

塑壳断路器是低压电网系统中重要的配电电器之一，当线路中遇到大的短路电流时，会在塑壳断路器动静触头间会产生一团温度极高、发出强光的电弧，影响其电寿命与可靠性，甚至会危及整个配电网的安全与可靠运行。

塑壳断路器的灭弧系统通常采用栅片灭弧， 将故障电弧分割成很多段小的电弧， 利用交流电弧的近阴极效应，通过增加电弧的电压来使故障电流下降来达到灭弧的效果，传统的做法通过增大触头开距，或者增加栅片的数量来提高，但这些做法会增加产品体积及成本。这些年虚拟样机技术在塑壳断路器产品上的应用及理论研究也越来越多，保持160A塑壳断路器现有灭弧系统尺寸不变的情况下，通过更改V型槽的深度及栅片镀层，提出5种方案并与无栅片借助ANSYS分析软件对这6种模型在分断试验过程中产生的电弧电压进行比较，得出最好的方案，最后通过实际试验与模拟结果进行比较1。

分断过程中的交流电弧160A塑壳断路器灭弧系统的组成，包含动触杆及触头、静触杆及触头、灭弧式上下壳、灭弧栅片及产气片。

在塑壳断路器分断过程中，电弧从产生到熄灭主要经历以下4个阶段：1)触头开始分离阶段。此阶段为限流机构动作时间，对限流型塑壳断路器主要指电动斥力随短路电流增长至电动斥力等于触头压力的时间， 此时触头尚未分开，电弧电压为零。2)电弧停滞阶段。这个阶段动触头打开，电弧电压接近极间压降，几乎不变。3)电弧运动阶段。电动斥力带动触头打开，电弧被拉长后开始进入灭弧栅片。这个时间差的长短决定了电弧的运动速度及电压增加速度。4)电弧熄灭阶段。电弧进入栅片后由于近极压降，使电弧电压迅速增长到峰值，电弧电压大于电源电压的瞬时值，电流被强制减少，电流减小至0，电弧熄灭。

灭弧栅片变更方案由于电弧电压由两部分组成，即电弧拉长后的弧柱压降以及近极压降，故增加电弧电压的传统做法是增加产品触头开距以及增加灭弧栅片的数量，但这些做法都会导致产品灭弧系统尺寸变大，成本增加。我们这里尝试通过改变栅片V型槽的深度h，以及两种表面处理即镀镍与镀铜，提出5个组合并与无灭弧栅片的情况一起比较得到6种栅片组合方案，其中栅片的原材料为冷轧钢DC012。

模型仿真分析电弧在灭弧室中运动过程，是一种涉及气流场、电场、磁场和热场的复杂物理现象，因而采用ANSYS耦合分析。由于灭弧系统为对称结构，这里为节约软件计算分析时间，只取其中一半的结构。其中动静触杆的材料均为铜，动静触头的材料为AgW，另外由于各个方案中的产气片不做变更，为计算及分析方便，下面的分析将其省略。ANSYS分析的一般步骤：创建几何→划分网格→物理定义→数值求解→后处理。

总结在不增加触头开距及灭弧栅片的情况下，通过改变灭弧栅片V型槽的深度与栅片表面镀层的变化进行排列组合，利用有限元分析软件对几种设计方案的电弧电压进行耦合分析，选出较好的设计方案，并进一步优化。根据最优设计方案制作样机，样机的试验结果与有限元分析结果比较基本吻合，可以指导后续类似产品灭弧系统的设计3。