- 頭條結構設計對于火藥輔助式開斷器開斷特性的影響2021-05-18 作者：周煜韜 莊勁武 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語現有熔斷器中的高速開斷器通常采用炸藥爆轟產生的沖擊波來進行爆破驅動，炸藥在實際應用中存在破壞力強、噪聲大、價格昂貴等缺陷，且炸藥型開斷器結構設計復雜、體積大、質量重。海軍工程大學電氣工程學院的研究人員周煜韜、莊勁武、武瑾、袁志方、張超，在2020年第5期《電工技術學報》上撰文，針對炸藥型開斷器存在的問題，設計采用燃燒做功的火藥輔助分斷的新型開斷器方案。研究結果表明，所提開斷器的仿真模型是正確的，三角形開孔可以有效減小火藥輔助式開斷器剛分時間及提升開斷弧壓。
混合型限流熔斷器相對其他限流裝置，具有限流能力強、分斷速度快、可靠性高及體積小巧等優點。高速開斷器是一種適用于混合型限流熔斷器的線路開斷裝置，主要功能是實現線路由通流狀態向燃弧狀態的快速轉換。正常工況下由高速開斷器承擔額定電流，通態損耗低；發生短路故障時，高速開斷器收到電流傳感檢測單元發出的分斷信號迅速分斷，將故障電流轉換至與其并聯的熔斷器或固態開關等限流開斷裝置，相當于將限流開斷裝置插入故障回路，從而實現故障電流保護。目前，應用較多的高速開斷器為爆炸式開斷器。
爆炸式開斷器是依靠炸藥爆炸產生的沖擊波來進行驅動，炸藥迅速爆炸分斷載流體從而實現電流轉移和電氣間隙形成。采用炸藥驅動存在如下局限性：①炸藥驅動威力大，對結構破壞力強、噪聲大同時伴有火花，需要使用金屬密閉式箱體封裝，致使整機體積大且質量重；②炸藥起爆所需能量高，必須由起爆器和雷管配合使用將其引爆，致使整個爆炸單元結構復雜、體積大、價格十分昂貴，經濟性差。
海軍工程大學電氣工程學院的研究人員針對炸藥型開斷器存在的問題，設計了采用燃燒做功的火藥輔助分斷的新型開斷器方案。該機構是一種利用火藥燃燒產生高溫高壓氣體的快速驅動機構，其具有結構簡單、體積小巧、質量輕、噪聲小、經濟性好和分斷速度快等優點。
圖1 基于火藥輔助分斷式開斷器的限流熔斷器組成
圖2 火藥輔助分斷式開斷器結構
圖3 兩種新型開斷器結構設計
為了實現快速分斷，火藥輔助分斷（Propellant-Assisted Interruption, PAI）式開斷器應該具有盡量短的剛分時間，同時開斷后應能立即建立較高的弧壓，便于短路電流由開斷器支路向滅弧熔斷器支路快速轉移。同時，混合型限流熔斷器方案中，額定通流主要由開斷器承擔，設計時應考慮其溫升特性。
研究人員在建立開斷器的熱電耦合模型和非線性動力學模型的基礎上，優化了開斷柵片的倒角方式及開斷器銀片的開孔形式。設計了火藥輔助分斷式混合型限流熔斷器試驗方案，完成了菱形開孔、三角形開孔這兩種銀片設計下的整機分斷試驗，并對比分析試驗結果。試驗獲取的開斷器結構設計對于開斷特性的影響規律，可用于指導火藥輔助分斷式開斷器的優化設計。
研究人員得出的主要結論如下：
- 1）非線性動力學仿真模型可以較為真實地模擬開斷器運動柵片切割銀片過程。
- 2）仿真顯示銀片菱形開孔及柵片雙邊倒角結構銀片斷裂伸長量大、剛分時間長，且柵片不能立即與滅弧室形成電弧擠壓；銀片三角形開孔及柵片單邊倒角結構銀片斷裂伸長量小，剛分時間短，柵片第一時間與滅弧室形成弧道擠壓，增大了開斷器弧壓。
- 3）設計了額定800V/300A裝置樣機，對兩種結構進行10kA短路電流開斷特性測試，結果顯示銀片三角形開孔及柵片單邊倒角結構相對銀片菱形開孔及雙邊倒角結構，剛分時間由148μs減小到125μs，降低了15.5%；弧壓由55V提高到79.5V，提升了30.8%；同時換流時間由24μs減小到13μs，降低了45.8%。試驗結果顯示三角形開孔設計可用于更大的系統短路電流分斷。
以上研究成果發表在2020年第5期《電工技術學報》，論文標題為“結構設計對于火藥輔助式開斷器開斷特性的影響”，作者為周煜韜、莊勁武、武瑾、袁志方、張超。
