万能式断路器灭弧结构研究分析

摘要：对于万能式断路器来说，电路的断通和正负转换是通过电器中的执行零件、主要靠触头及灭弧装置实现。稀有气体放电和电弧出现和消失和可以在触头连接和分断电路的过程中发现，这样暂缓电路的分断方式、烧毁触头，乃至整个用电器使用寿命都会受电弧影响，甚至严重时还会造成安全事故和生命危险。此篇文章主要讲述相关电弧的发起原因及万能式断路器灭弧结构，并详细分析了万能式断路器控制器供电电源问题，对于今后提高断路器分断指标，延长触头电寿命具有一定帮助。

关键词：万能式断路器 灭弧结构 供电电源

中图分类号：TM561文献标识码：A文章编号：1674-098X（2012）08（c）-0012-02

1 万能式断路器概述

对于断路器来说，其主要就是就是正常电路条件下的电流进行相关的接通、承载以及分断操作，还能接通、承载以及分断。框架式断路器是万能式断路器另一种叫法，主要是指有构件组装成一整体，其具有绝缘衬垫的框架结构底座，并且是一种多种结构变化方式、用途的断路器。

对于万能断路器来说，其为立体布置形式，在一块绝缘板上安装有触头系统、瞬时过电流脱扣器左右侧板等，根据上部的灭弧系统为依据，正前方和右侧面的操作部分，可以拥有“分”、“合”命令及人工切断装备。剥离脱扣器在左前方安装，而背部安装有与脱扣半轴相串的欠电压脱扣器。下方安装的则是热继电器或半导体脱扣器和欠电压延时装置部件。这以立体布置形式，以及底架、侧板、横梁组成框架的DW15系列万能式断路器为例进行说明，其底架上安装有每相触头系统，灭弧室装在上面。断路器右前方安装有操作机构，与触头系统相连是依靠主轴。电动操作机构根据方轴与机构衔接一体安装在断路器下方，从而成为断路器的充电或直接开合所备，充电后的开关由释能电磁铁接应。防回跳机构在左方板上方安装，除此之外，功能是防止断路器在切断时不稳。在断路器下方根据不同要求安装各种过电流脱扣器，另外在左侧也则有分励脱扣器及电动操作控制部件，和欠电压部件。对于欠电压、分励脱扣器而言，它们通过脱扣器并与放大机构衔接，这样做目的就是减小断路器的脱扣力。“1”“0”和“贮能”三种在指示面板上有显示断路器工作位置的指示牌，对辅助触头供用户联接二次回路用，另外，还有供开启及关闭用的按钮“1”“0”（均按下）。对于DW15-1000、1600断路器而言，附加正面手动操作手柄；而对于DW15-2500、4000而言，附加检修用的手动操作手柄（均可卸下）。

智能型万能式断路器的主要作用为电源设备免受过载、欠电压、短路，单相接地等故障的危害的同时，起到分配电能和保护线路及作用，使用环境为额定电压380V、660V，交流50Hz额定电流为200A-6300A的配电网络中，另外种智能保护功能，可做到选择性保护也是其另外一大特点，从而通过定电流及脱扣时间设定精确，避免不必要的停电，提高供电可靠性。

2 载流电路分断及电弧的形成过程

对于断路器动静触头的接触解析，在很多点在接触的基础上，由弹簧产生的接触动力，这样的条件情况中，触头或超程影响开始失去功能，但动触头朝着和静触头分离的方向运动，电路并未分断。在这样情况下，接触压力和超程处于逐渐减少状态，接触点于是变少。仅剩一个点接触在极限状态的情况下，这样已经达到最小的接触面积。考虑到非常巨大的非常巨大影响，此时的电阻和温温度都极具上升，致使触头关闭，即使如此但对于接触处的金属而言，已达到熔融形态。随之，动静触头间并未形成空档，动触头继续运动并完全脱离。金属桥内热量高度集中，液态金属的电阻率远大于固态金属，这样，材料的沸点就容易到达，这样就产生了爆炸式的金桥断裂，从而形成触头间隙[1，2]。

分析金桥断裂的过程，空气或其他介质及金属蒸气在其空档中填满，且这些气体存在绝缘性质。于是，瞬时阻碍电流，同时过电压产生，击穿介质和金属蒸气，使电流以电火花放电，在间隙中流通电弧。然后，在各种熄弧因素作用影响下，以及随着动触头不断离开静触头，这样的非自持放电的电弧甚至能产生熄灭状态，这样触头分断到此为止，整个触头间隙成为绝缘体。此时就是触头的断开状态。对于两个触头行将接触或开始分离来说，工作环境为电流达0.25一lA，电压达12—20V、高温弧光将在触头间隙内出现，这便是电弧形成过程。联想到温度可达成千上万度，触头已经烧伤而迅速损坏，这样同时是有害的。另外，甚至触头熔焊破坏电器正常工作，而造成相关的火灾事故，酿成重大伤亡事故；对于通信设施的高次谐波的干扰问题也是存在的。

3 交流电弧的熄灭

在零休期间不发生热击穿，同时在零休期间不发生热击穿，同时在弧隙介质恢复过程总是优于电压恢复过程，这也不出击穿，上述条件是，交流电弧的熄灭条件。但是，最好的灭弧时机则是零休期间，这是因为一方面防止因热击穿引起电弧重燃，弧隙的输入功率几乎没有，加速电弧能量的散发在适当的措施下可以抑制热电离；另外一方面，较高的过电压而引起电击穿不容易出现，储能量很小，需借电弧散发的能量不大。反之，对于灭弧非常强烈情况来说，即使不致影响灭弧，对线路及其中的设备也很不利。这是因为产生很高的过电压，在在电流自然过零前就“截流”，强迫电弧熄灭的情况下。所以来说，在没有特殊要求情况下，灭弧强度不过强的灭弧装置经常采用，目的就是是为了电弧在零休期间、且是在电流首次自然过零时自然切断。

图1为分断交流电路时的各弧隙参数波形，从实际情况分析，交流电弧未必均能于电流首次自然过零时熄灭，而是有时需经2～3个半周期。这样在图1中，uh也不大，故电流在首次过零（t=t0）前其波形基本上仍属正弦波，触头刚分离（t=t0）时，弧隙小，uh也不大，同时在电流零处比电源电压U滞后δ=90°。这样情况下，介质强度ujf不大。弧隙被击穿，电弧重燃则发生在恢复电压uhf于不久后上升到大于燃弧电压uhf情况下，在第2个半周分析，弧隙增大uh和ujf增大，电流再过零（t=t2）时滞后角δ2<δ1。在uhf>ujf2时，弧隙再击穿，电弧重燃，往往是由于于ujf仍不够大的原因，当t=t3即电流第3次过零，δ3<δ2，此后弧隙更大。电弧不再重燃，电弧被熄灭，交流电路切断，可以通过ujf始终大于uhf得到。

4 万能式断路器控制器供电电源分析

随着电力系统的发展，发电、输电、配电和用电都提出了监测、控制、保护等方面自动化和智能化的要求。万能式断路器作为电力系统中重要的保护元件，其自动化和智能化是电器设备智能化的基础，而在万能式断路器控制器中，供电电源则是其心脏。笔者认为，在供电方案中应充分考虑高输入电压变化范围，输出电压低、功率小和成本低的特点，可选择的电路拓扑结构有单端正激变换器、单端反激变换器及双端的正反激变换器等[4，5]。

4.1 单端正激变换器

单端正激变换器在开关电源领域有着较为广泛的应用，它既可单路输出，也可多路输出。由于高频变压器的单向磁化特性，为实现变压器工作时的伏秒面积平衡，必须进行磁复位。常用的有有源箝位和谐振复位两种方式见图2、图3。

源箝位单端正激变换器是Vicor公司在1983年申请的专利，它突破了占空比不能超过在图4所示的双闭环控制系统中，电流开环50%的限制，使变压器能够双向磁化，提高了变压器的利用率，且通过降低变压器的磁化电感，通过漏感来实现主开关的零电压开通。2003年专利保护到期，此电路拓扑结构将有着大规模的市场前景，现在很多的控制芯片公司都瞄准了该拓扑结构，开发出了大量的控制芯片。谐振复位单端正激变换器对变压器的磁复位主要靠开关管的旁路电容或寄生电容。由于该电路结构较简单，考虑到开关管在开通时的雪崩能量，在输入电压较低的场合应用比较合适。

4.2 单端反激式变换器

单端反激式变换电路中高频变压器既起隔离作用又起电感轭流作用，因储能元件与负载并联，故称为并联型变换电路。同时也可以判断出，同正激式变换电路不同，变压器的铁芯工作在磁滞回线的另一侧，故称为反激式变换电路。

当控制电路使功率开关管导通时，由于同名端的关系，输出整流二极管不导通。当开关管截止时，变压器的副边绕组产生的感生电动势反向，使整流二极管导通，给电容器充电，同时负载上产生电压。在此电路中，开关管控制、副边绕组设计，都要遵循反激原则。同样，开关管的耐压和变压器的输入电压与电源输入电压相等，所以，反激变换电路同正变换电路一致，结构简单易实现，可适用中小功率的开关电源配置。

4.3 双端正反激式变换器

从普通的电路角度去理解变换器，则正激式变挽器实际上址电压源模式，因此，其输出滤波需加滤波电感；而反激式变换器址电流源模式，其输出滤波无需滤波电感，当把这两种变换器组合在一起时，既能实现出电压源的优点，又能表现电流源的优点，造就构成了双端正反激式变换器，从带LCD复位的烈端11反激式变换器可看出，既可采用两个变压器，也可采用一个变压器，当采用一变压器时，如同反激式变换器那样磁芯要加气隙。

随着CPU技术的不断发展，尤其是在万能式断路器控制器可靠性要求极高的场合，对供电电源要求也越来越高。开关电源在开关过程中所固有的电压和电流的瞬变及输出电压的质量对CPU能否可靠工作，将产生很大的影响，它是控制器能否通过EMC测试的关键所在。通信电源的角度，解剖国外万能式断路器控制器供电电源电路，提出几种供电方案，以便于共同交流。

5 结语

根据对电弧的产生原因和形成过程，及各种灭弧装置灭弧方法的研究和测试，采用纵向多曲无缝灭弧栅片排列、顶部3层导磁网板结构来实现断路器主回路大电流分断时灭弧是种有效可行途径。纵向多曲无缝的灭弧栅片实现短路时电弧电流每两片灭弧栅之间都产生50V电弧电压，这样整个灭弧装置产生电弧电压远大于网络电压，电弧就会熄灭，从而，断路器达到高分断能力；顶部3层导磁网板结构感生电流产生电磁力对飞出电弧起到阻止飞出作用，从而避免电弧飞出灭弧室。在灭弧室尺寸最小情况下，做到壳架电流最大，极限分断电流最高，并实现无飞弧。

参考文献

[1]马宏.交流断路器灭磁应用[J].低压电器，2001（4）.

[2]瓦力斯江·依米提.浅谈断路器及漏电断路器的合理使用[J].高科技与产业化，2008（10）.

[3]孙海涛，陈德桂，刘庆江.低压断路器触头系统电动斥力的计算[J].低压电器，2002（3）.

[4]毕强.PWM正激式零电压软开关及电源[J].电力电子技术，1994，28（4）.

[5]陈道炼，严仰光.零电压过渡PWM正激变换器的原理与设计[J].电力电子技术，1998，32（4）.

[6]GB14048.2-2008低压开关设备和控制设备第2部分：断路器[S].