摘要：分析和討論了近期低壓電器的若干新技術(shù)，如斷路器單斷點(diǎn)與雙斷點(diǎn)分?jǐn)嗉夹g(shù)及其系列結(jié)構(gòu)方案比較、永磁接觸器與智能操作結(jié)合更加節(jié)能、根據(jù)電弧測(cè)試與氣吹機(jī)理設(shè)計(jì)新型滅弧室、虛擬樣機(jī)的應(yīng)用提高了斷路器分?jǐn)嗄芰?。這些新技術(shù)有助于低壓電器的技術(shù)創(chuàng)新。

關(guān)鍵詞：分?jǐn)嗉夹g(shù)；電弧測(cè)試；虛擬樣機(jī)

     引言

      電力事業(yè)發(fā)展對(duì)低壓開關(guān)電器質(zhì)和量的要求越來越高，這就促進(jìn)低壓電器向高性能和小型化發(fā)展，而技術(shù)創(chuàng)新和新技術(shù)的應(yīng)用是支撐這種發(fā)展的重要基礎(chǔ)。氣吹和雙斷點(diǎn)技術(shù)的應(yīng)用，促進(jìn)了新一代低壓斷路器開發(fā)；永磁接觸器及其智能控制大幅度提高了接觸器的性能，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能；新的電弧測(cè)試技術(shù)有助于改進(jìn)滅弧室的設(shè)計(jì)；虛擬樣機(jī)技術(shù)建立了低壓電器嶄新的研發(fā)平臺(tái)。

      單斷點(diǎn)與雙斷點(diǎn)分?jǐn)嗉夹g(shù)的比較與兩種低壓斷路器系列結(jié)構(gòu)分析

      自20世紀(jì)90年代中期雙斷點(diǎn)和氣吹技術(shù)得到應(yīng)用和推廣后，繼施耐德公司NS系列之后，國(guó)際上大公司如ABB、GE、LG、金鐘-默勒等在新世紀(jì)都分別推出了自已的雙斷點(diǎn)分?jǐn)嘈孪盗兴芰贤鈿な綌嗦菲鳎∕ouldedCaseCircuitBreaker,MCCB）,其中有ABB的Tmax,GE的RecordPlus，金鐘-默勒的MZN，這些旋轉(zhuǎn)雙斷點(diǎn)結(jié)構(gòu)都采取每極有單獨(dú)滅弧小室的結(jié)構(gòu)，以保證滅弧室后端的封閉，并在觸頭區(qū)放置產(chǎn)氣材料，以實(shí)現(xiàn)氣吹。圖1為幾個(gè)公司630A規(guī)格新系列產(chǎn)品與傳統(tǒng)單斷點(diǎn)產(chǎn)品的分?jǐn)嘈阅軐?duì)比。
 
      單斷點(diǎn)的MCCB1和MCCB2是目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上出售的性能較好的兩種產(chǎn)品，由圖1可明顯看出：雙斷點(diǎn)的分?jǐn)嘈阅苓h(yuǎn)高于單斷點(diǎn)，它能做到Icu ＝Ics ,特別是690V時(shí)，單斷點(diǎn)分?jǐn)嘈阅芨汀?/p>

      雙斷點(diǎn)結(jié)構(gòu)雖有尺寸小、性能高的優(yōu)點(diǎn)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工藝要求高，在性能上也有不足之處：首先，由于要保證兩個(gè)觸點(diǎn)處可靠接觸，其觸頭反力較大，加上力臂短，故在分?jǐn)嗟皖A(yù)期短路電流時(shí)，觸頭斥開后易產(chǎn)生回落現(xiàn)象。市場(chǎng)上Eaton公司額定電流相同的雙斷點(diǎn)與單斷點(diǎn)產(chǎn)品各一臺(tái)，在低預(yù)期電流條件下以振蕩回路供電進(jìn)行短路分?jǐn)嘣囼?yàn)。由分?jǐn)嗖ㄐ慰闯觯瑔螖帱c(diǎn)能正常分?jǐn)?，而雙斷點(diǎn)則產(chǎn)生動(dòng)觸頭跌落現(xiàn)象，導(dǎo)致燃弧時(shí)問加長(zhǎng)，更甚者使動(dòng)靜觸頭重新閉合而熔焊，該現(xiàn)象說明雙斷點(diǎn)結(jié)構(gòu)在低預(yù)期短路電流分?jǐn)鄷r(shí)，分?jǐn)嘈阅芊炊陀趩螖帱c(diǎn)。另一個(gè)問題是，兩個(gè)斷口間接觸情況和分?jǐn)噙^程是否能保持一致。西安交通大學(xué)對(duì)一無專門滅弧小室的雙斷點(diǎn)MCCB進(jìn)行了測(cè)試，用二維光纖陣列快速攝像系統(tǒng)測(cè)得兩個(gè)斷口電弧運(yùn)動(dòng)圖像，由圖可明顯看出兩個(gè)斷口處電弧進(jìn)入柵片過程的不一致。

      為減弱動(dòng)觸頭跌落現(xiàn)象和兩個(gè)斷口接觸的不平衡，旋轉(zhuǎn)雙斷點(diǎn)斷路器需設(shè)計(jì)專門的觸頭斥開后的卡住機(jī)構(gòu),并且轉(zhuǎn)軸和動(dòng)導(dǎo)電桿之間不采用剛性連接，這兩方面各公司都有自己的專利。

      為適應(yīng)用戶對(duì)分?jǐn)嘈阅芤蟮牟町?，各公司MCCB系列產(chǎn)品中都分成經(jīng)濟(jì)型、標(biāo)準(zhǔn)型、高分?jǐn)嘈秃统蘖餍偷阮悇e。對(duì)一個(gè)系列中各種類型結(jié)構(gòu)的選擇，目前有兩種方案：施耐德、ABB、GE、LG、金鐘-默勒等公司都采用雙斷點(diǎn)一統(tǒng)到底的方案，當(dāng)旋轉(zhuǎn)雙斷點(diǎn)結(jié)構(gòu)用于經(jīng)濟(jì)型和標(biāo)準(zhǔn)型時(shí)，采用簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低原材料要求來降低成本；而以三菱、富士和寺崎為代表的日本公司則以單斷點(diǎn)為主體結(jié)構(gòu)方案，以三菱WS新系列MCCB為例，250A以上結(jié)構(gòu)（見圖4）采用背后區(qū)域封閉結(jié)構(gòu)，提高了單斷點(diǎn)結(jié)構(gòu)分?jǐn)嘈阅埽?50A結(jié)構(gòu)（見圖5）采用每相有單獨(dú)滅弧小室，加上在滅弧室內(nèi)放置產(chǎn)氣材料來加強(qiáng)氣吹，這種結(jié)構(gòu)被稱為產(chǎn)氣材料侵蝕自動(dòng)氣吹技術(shù)。該系列中超級(jí)限流型則采用在傳統(tǒng)單斷點(diǎn)斷路器上附加限流頭，實(shí)現(xiàn)分?jǐn)鄷r(shí)多斷點(diǎn)分?jǐn)啵_(dá)到Icu＝Ics＝200kA。

      對(duì)一線圈電壓為24V的三氣隙永磁接觸器進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，在臨界吸上電壓時(shí)，與傳統(tǒng)直流操作的接觸器相似，鐵心的觸頭會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)，因而永磁接觸器更適合與智能操作結(jié)合起來組成智能永磁接觸器。圖9為帶電流反饋智能永磁接觸器框圖，交流輸入經(jīng)整流生，采用PWM方式，通過電力電子開關(guān)MOSFET給線圈供電，中央控制模塊接收線圈電流的反饋信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)MOSFET的控制，不同的線圈電流對(duì)應(yīng)不同的調(diào)制占空比，從而在電磁鐵吸合中保持線圈中通過的電流不變，這就不會(huì)產(chǎn)生一般直流電磁鐵在臨界吸合電壓下銜鐵抖動(dòng)現(xiàn)象。由仿真獲得的動(dòng)態(tài)過程電流的行程變化曲線如圖10所示。

      智能永磁接觸器還可通過吸合后改變占空比進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)節(jié)能，在吸合過程中，保持線圈電流Ix 不變，并使其對(duì)應(yīng)的吸力特性公稍高于反力特性，以降低動(dòng)鐵心的動(dòng)能；當(dāng)動(dòng)鐵心吸合后，線圈電流低，并保持在Ib以節(jié)能因而，智能永磁接觸器由于能實(shí)現(xiàn)動(dòng)鐵心的軟著陸，大幅度提高了接觸器的壽命，并能進(jìn)一步節(jié)能。
      虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用與推廣

      虛擬樣機(jī)技術(shù)改變了傳統(tǒng)以經(jīng)驗(yàn)和模仿為主的設(shè)計(jì)開發(fā)模式，是一種開關(guān)電器新的研發(fā)平臺(tái)，它不但可用于研制有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新產(chǎn)品，還可用于改進(jìn)老產(chǎn)品，例如某低壓電器生產(chǎn)廠依靠廠校合作，通過仿真把800A MCCB靜導(dǎo)電回路由原平板進(jìn)線靜導(dǎo)桿改成平行U形進(jìn)線扁平靜導(dǎo)桿（見圖16），這種改進(jìn)保持了原觸頭開距不變，強(qiáng)了吹弧磁場(chǎng)，增改進(jìn)的效果顯著，使分?jǐn)嗄芰τ?5kA增大至85kA（見圖17）。新能源的開發(fā)，力發(fā)電的推廣應(yīng)用，風(fēng)加上低壓電器的小型化和高性能，使額定電壓為690V的開關(guān)電器受到重視，該電壓等級(jí)的低壓電器工作的電壓峰值可高至1073V。另一方面，電器小型化涉及電器的發(fā)熱問題，而發(fā)熱又直接影響到電器的絕緣，因而新型電器的設(shè)計(jì)必須同時(shí)考慮絕緣和發(fā)熱的問題。長(zhǎng)期以來只有高壓電器才需要進(jìn)行電場(chǎng)仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)，但在新的形勢(shì)下，低壓電器的絕緣計(jì)算也變得重要起來。最近Rock-well公司的FREI等人用一種把三維場(chǎng)簡(jiǎn)化為二維場(chǎng)的簡(jiǎn)化計(jì)算方法，進(jìn)行了MCCB電場(chǎng)仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)。圖18為MCCB塑料底座上電極（雙金屬片和靜觸頭導(dǎo)體等）的布置，圖19為原設(shè)計(jì)仿真計(jì)算所得二維電場(chǎng)分布，圖20為優(yōu)化設(shè)計(jì)后的二維電場(chǎng)分布，比兩者可看出，對(duì)原設(shè)計(jì)最高點(diǎn)的電場(chǎng)達(dá)2.43kV/mm,而優(yōu)化設(shè)計(jì)后最高點(diǎn)的電場(chǎng)已降至1.24kV/mm其他各處電場(chǎng)也有明顯降低。