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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(yōu)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(xiàn)線路由通流狀態(tài)向燃弧狀態(tài)的快速轉(zhuǎn)換。正常工況下由高速開斷器承擔額定電流，通態(tài)損耗低；發(fā)生短路故障時，高速開斷器收到電流傳感檢測單元發(fā)出的分斷信號迅速分斷，將故障電流轉(zhuǎn)換至與其并聯(lián)的熔斷器或固態(tài)開關(guān)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(xiàn)故障電流保護。目前，應(yīng)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(chǎn)生的沖擊波來進行驅(qū)動，炸藥迅速爆炸分斷載流體從而實現(xiàn)電流轉(zhuǎn)移和電氣間隙形成。采用炸藥驅(qū)動存在如下局限性：①炸藥驅(qū)動威力大，對結(jié)構(gòu)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(zhì)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(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、價格十分昂貴，經(jīng)濟性差。

海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院的研究人員針對炸藥型開斷器存在的問題，設(shè)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(gòu)是一種利用火藥燃燒產(chǎn)生高溫高壓氣體的快速驅(qū)動機構(gòu)，其具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小巧、質(zhì)量輕、噪聲小、經(jīng)濟性好和分斷速度快等優(yōu)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(jié)構(gòu)

圖3 兩種新型開斷器結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了實現(xiàn)快速分斷，火藥輔助分斷（Propellant-Assisted Interruption, PAI）式開斷器應(yīng)該具有盡量短的剛分時間，同時開斷后應(yīng)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(zhuǎn)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(shè)計時應(yīng)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(xué)模型的基礎(chǔ)上，優(yōu)化了開斷柵片的倒角方式及開斷器銀片的開孔形式。設(shè)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(shè)計下的整機分斷試驗，并對比分析試驗結(jié)果。試驗獲取的開斷器結(jié)構(gòu)設(shè)計對于開斷特性的影響規(guī)律，可用于指導(dǎo)火藥輔助分斷式開斷器的優(yōu)化設(shè)計。

研究人員得出的主要結(jié)論如下：

• 1）非線性動力學(xué)仿真模型可以較為真實地模擬開斷器運動?xùn)牌懈钽y片過程。
• 2）仿真顯示銀片菱形開孔及柵片雙邊倒角結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shè)計了額定800V/300A裝置樣機，對兩種結(jié)構(gòu)進行10kA短路電流開斷特性測試，結(jié)果顯示銀片三角形開孔及柵片單邊倒角結(jié)構(gòu)相對銀片菱形開孔及雙邊倒角結(jié)構(gòu)，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(jié)果顯示三角形開孔設(shè)計可用于更大的系統(tǒng)短路電流分斷。

以上研究成果發(fā)表在2020年第5期《電工技術(shù)學(xué)報》，論文標題為“結(jié)構(gòu)設(shè)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。