沈阳工业大学李静、郭沛鑫 等：基于改进结构的自激式直流空气断路器小电流开断能力提升方法

阅读提示：本文约 2300 字

大容量自激式直流空气断路器（SE-DCCB）广泛应用于轨道交通电力系统中。但SE-DCCB分断几百安小电流时自激磁场较小，导致电弧燃弧时间较长甚至开断失败。 沈阳工业大学电器新技术与应用研究所团队通过耦合自激线圈磁场的改进磁流体动力学（MHD）模型，仿真得出双气流涡旋和弧根黏滞是SE-DCCB开断小电流失败的主要原因。 为了提高SE-DCCB开断小电流的能力，团队成员对其结构进行改进，改进结构削弱了小电流开断时的双气流涡旋和弧根黏滞现象，从而缩短燃弧时间。同时，改进结构SE-DCCB能够减小电弧熄灭后重燃的概率，提升其开断小电流的性能。

研究背景

轨道交通机车通过接触网获得电力，列车制动过程中会产生反向电流回馈给接触网，因此保护装置需要双向开断直流电流。自激式直流空气断路器（Self-Excited DC air Circuit Breaker, SE-DCCB）采用串联励磁方式，可以实现机车电力系统的双向保护。

在实际工况下，SE-DCCB存在小电流工作状态的开断要求，自激磁场无法产生足够的磁吹力驱动电弧进入灭弧室，导致电弧长时间燃烧，对轨道交通电力系统和机车车辆造成安全威胁。

论文所解决的问题及意义

SE-DCCB灭弧室结构对燃弧过程中磁场、气流场和温度场等物理场的分布有很大影响，从而决定了电弧在灭弧室内的运动状态，影响SE-DCCB小电流开断性能。因此，对SE-DCCB灭弧室结构进行改进是解决其开断小电流电弧困难问题的可行方法。本文实现了自激磁场与磁流体动力学模型的实时双向耦合，能够有效地预测SE-DCCB小电流分断过程中的电弧行为。解决了轨道交通用大容量SE-DCCB自激开断小电流困难的问题。

论文方法及创新点

磁电耦合过程

根据SE-DCCB的自激工作原理，本研究通过Matlab调用COMSOL程序，实现电弧自激磁场计算和MHD模型耦合，其耦合求解流程如图1所示。

图1 耦合求解流程图

弧根拖尾现象是自激小电流开断失败的关键原因

如图2所示，60 ms时弧根反向延长，出现电弧拖尾现象，84.4 ms时刻，电弧温度下降，但是灭弧室入口处的温度仍然很高，电弧拖尾现象最严重。电弧弧根处温度较高，对跑弧道产生严重的烧蚀。电弧拖尾现象使得高温气体在灭弧室入口聚集，导致灭弧室入口区域介质恢复强度降低，增加了电弧重燃的概率。接下来，团队对SE-DCCB进行结构改进，破坏不利于自激小电流开断的弧根停滞因素。

图2 原始结构灭弧室中间截面磁场和温度分布

SE-DDCB的结构改进与小电流开断性能优化

团队设计的改进结构导磁板如图3所示。导磁板由整体变为分裂式，并且安装高15 mm，宽20 mm的导磁条。导磁条采用楔形结构，安装在导磁板和跑弧道的连接处。

图3 改进结构导磁板

团队对SE-DCCB开断不同小电流电弧进行了仿真。在原始结构和改进结构SE-DCCB中，电弧燃弧时间如图4所示。600 A电流下，改进结构SE-DCCB相比原始结构燃弧时间缩短了10.07%，300 A电流下，该值为23.46%。以上结果表明，改进结构普遍适用于不同等级小电流电弧的开断。

图4 不同小电流下燃弧时间

结论

SE-DCCB在开断小电流电弧的过程中，电弧弧根容易黏滞在跑弧道转角上，灭弧室入口处产生双气流涡旋会造成电弧拖尾现象，这是导致SE-DCCB 难以开断小电流的原因。

减小SE-DCCB 跑弧道转弯角半径可以抑制灭弧室入口处双气流涡旋的产生，从而削弱电弧拖尾现象，消除电弧拖尾带来的潜在的电弧重燃和开断失败问题。

团队介绍

电器新技术及应用研究所长年致力于电气工程领域科学研究和科研开发，主要研究方向包括现代电器设计理论及优化设计技术、电器检测理论及智能化控制技术、电器电弧与绝缘微观理论及开断技术、电器产品智能化等，主持完成、承担包括国家自然科学基金、辽宁省重大专项、辽宁“揭榜挂帅”重点项目等国家、省市级科研项目40余项，为电气工程领域高、低压电器领域企业（包括许继电气、北京电科院、东北电科院，云南电科院及北京双杰电气等）解决工程实际问题30余项，近五年科研经费超过1400万元。近年在国内外重要期刊及国际会议公开发表论文500余篇，被SCI、EI及ISTP三大检索收录300余篇。申请并获授权国家发明专利30余项，获省、部科技进步二等奖七项、三等奖四项等。

李静

博士，教授，博士生导师，研究方向为现代电器理论；气体放电理论；高电压绝缘技术。

彭世东

博士研究生，研究方向为电弧放电等离子体、直流开断技术。

本工作成果发表在2024年第22期《电工技术学报》，论文标题为“基于改进结构的自激式直流空气断路器小电流开断能力提升方法“。本课题得到国家自然科学基金项目和辽宁省教育厅面上项目的支持。

引用本文

李静, 郭沛鑫, 彭世东, 段薇, 曹云东. 基于改进结构的自激式直流空气断路器小电流开断能力提升方法[J]. 电工技术学报, 2024, 39(22): 7278-7290. Li Jing, Guo Peixin, Peng Shidong, Duan Wei, Cao Yundong. Enhance Small Current Breaking Performance of Self-Excited DC Air Circuit Breaker Based on An Improved Structure. Transactions of China Electrotechnical Society, 2024, 39(22): 7278-7290.

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