浅析小型断路器分断能力的改进

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（浙江正泰电器股份有限公司，浙江 温州 325600）

摘要：小型断路器广泛地运用于终端供电线路中，其中一个关键的技术指标是分断能力，分断能力的高低决定了电器保护的有效性。文章介绍了分断过程中电弧产生的机理、合理设计出气孔以及灭弧栅结构等方面的内容，从而达到提高小型断路器的分断能力的目的。

关键词：小型断路器；电弧；分断能力；出气孔；灭弧栅

中图分类号：TM564

文献标识码：A

文章编号：1009-2374（2012）25-0031-03

在目前状况下，小型断路器正朝着分断能力高、体积小和模数化的趋势发展。国内小型断路器产品的分断能力大部分处于4.5～6kA，而且分断能力可靠性不高，制约了小型断路器的发展。如何在维持现有生产工艺与技术不变的情况下，通过对小型断路器的相关结构进行优化改进来提高其分断能力及可靠性成为关注的焦点。因此，我们可以以电弧的产生机理来考虑如何通过工艺改进达到提高分断性能的目的。

1　电弧的产生机理

小型断路器在闭合和断开电路时都可能产生电弧，但是为了实际应用的需要，我们大多数情况下仅仅关注和研究小型断路器在断开电路时产生电弧的机理。

小型断路器在分断过程中，动静触头的接触面积逐渐减少，其接触电阻和电流密度增大导致温度升高，动静触头在高温加热下被熔融而形成液态金属桥。随着动静触头的分离，液态金属桥的温度继续升高，直到被拉断并气化形成金属蒸气，此时释放到动静触头间的金属蒸气创造了热电离的条件，在动静触头间的电子与离子碰撞会产生电离，而且原子与原子的碰撞以及热辐射都会产生电离。当所加电源高于起弧电压时就会使熔融的液态金属桥产生电弧。

迅速的熄灭电弧是提高小型断路器分断性能的重要技术指标，现从以下几方面来对小型断路器的分断性能进行探讨。

2　合理设计出气孔的尺寸

20世纪以来，人们经历了由磁吹灭弧到气吹灭弧的认识，更加深入地研究了增大电弧运动驱动力的途径。通过设计合理的出气孔大小来保证灭弧栅内外压力差，也可以达到驱动电弧运动和冷却电弧，并且减小电弧的停滞时间，从而达到有效分断电弧的作用。

利用高温时气吹灭弧理论，对于燃烧的炽热电弧，根据能量平衡原理，电弧燃烧过程中，设在dt时间内，灭弧室内温度和压力上升所需的能量为：

d（mcVT+pV）=dE－dQ （1）

式中：m为灭弧室气体质量；cV为气体定容比热容；T为灭弧室内温度；p为灭弧室内的压力；V为灭弧室体积；Q为出气孔消耗的能量；E为电弧提供给灭弧室的能量。

其中，气体通过出气孔消耗的能量为：

dQ=K/（K－1）（p/ρ）αAρnνndt （2）

式中：K为气体绝热指数，对空气K=1.4；ρ为灭弧室气体密度；A为出气孔面积；α为气体摩擦和收缩系数；ρn和νn分别为出气孔的气体密度和速度。

电弧提供给灭弧室的能量为：

dE=Kpuarcidt （3）

式中：Kp为电弧能量转化为压力上升部分的比例系数；uarc为电弧电压；i为电弧电流。

由式（1）、（2）、（3）可得：

（4）

由上式可知dp/dt随出气孔面积A的减小而增大，即出气孔面积A减小有利于吹弧，但是灭弧室压力过大会导致外壳炸破等情况。此外，实践证明过度减少出气孔的面积将导致电弧的背后击穿现象，因此可适当增加出气孔的横截面积，并通过与缓冲区的配合来促进电弧的迅速熄灭。

基于以上理论，通过适当增加某种系列小型断路器的出气孔大小，使改进后的产品与未改进的产品均通以预期短路电流峰值为4kA的电流，试验结果数据如表1所示：

表1　试验结果数据

项目 Ip/kA I?t/kA?s Tmb/ms

更改前 4～5 60～80 7～9

更改后 3～4 40～60 5～7

通过表1可以看出，适当增加出气孔大小后与未进行更改的产品进行对比试验，电弧的峰值电流及能量明显降低，大大提高了小型断路器的分断性能。

3　灭弧栅的结构优化

灭弧装置是小型断路器的重要组成部分，对电弧的熄灭起到至关重要的影响，其灭弧能力决定了小型断路器的性能。而灭弧栅片是灭弧装置的关键部件，只有设计合理结构的灭弧栅片才能提高小型断路器的灭弧性能。

通过对传统灭弧栅结构以及分断过程电弧在灭弧室的走向情况的分析，对传统灭弧室结构进行了改进，其结构如图1所示：

传统灭弧栅 更改后灭弧栅

图1

将改进前与改进后的产品均通以预期短路电流峰值为4kA的电流，试验后的结果数据如表2所示：

表2　试验后的结果数据

项目 Ip/kA I?t/kA?s Tmb/ms

更改前 4～5 70～90 7～9

更改后 3～4 50～70 6～8

4　设计限流型触头装置

传统的小型断路器在出现短路故障时，一般通过四连杆机构解锁带动触头机构分开来断开电流，此种分断电路的方法分断时间较长，而且电弧产生的能量较大。可以设计一种触头装置，使其在短路电流达到一定范围时，通过动静触头产生的电动斥力来分开动静触头，以达到限流分断的目的，并可以有效地降低电弧的能量。

建立动静触头在闭合时处于平行状态的模型，如图2所示，假设触头间通过的电流为i。造成触头分开的斥力有动静触头间的电动斥力和回路电动斥力。

图2

根据Holm公式可知，触头受到的电动斥力为：

（5）

（6）

式中：Fc为触头间电动斥力；μ0为真空磁导率；D为触头接触面的直径；a为触头接触斑点的直径；Fj为作用在触头上的初压力；ξ为材料变形系数，在0.30～1.00之间，通常取0.45；Hb为触头材料的布氏硬度。