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秀秀科技结构设计对于火药辅助式开断器开断特性的影响

现有熔断器中的高速开断器通常采用炸药爆轰产生的冲击波来进行爆破驱动 ， 炸药在实际应用中存在破坏力强、噪声大、价格昂贵等缺陷 ， 且炸药型开断器结构设计复杂、体积大、质量重 。 海军工程大学电气工程学院的研究人员周煜韬、庄劲武、武瑾、袁志方、张超 ， 在2020年第5期《电工技术学报》上撰文 ， 针对炸药型开断器存在的问题 ， 设计采用燃烧做功的火药辅助分断的新型开断器方案 。 研究结果表明 ， 所提开断器的仿真模型是正确的 ， 三角形开孔可以有效减小火药辅助式开断器刚分时间及提升开断弧压 。
混合型限流熔断器相对其他限流装置 ， 具有限流能力强、分断速度快、可靠性高及体积小巧等优点 。 高速开断器是一种适用于混合型限流熔断器的线路开断装置 ， 主要功能是实现线路由通流状态向燃弧状态的快速转换 。 正常工况下由高速开断器承担额定电流 ， 通态损耗低；发生短路故障时 ， 高速开断器收到电流传感检测单元发出的分断信号迅速分断 ， 将故障电流转换至与其并联的熔断器或固态开关等限流开断装置 ， 相当于将限流开断装置插入故障回路 ， 从而实现故障电流保护 。 目前 ， 应用较多的高速开断器为爆炸式开断器 。
爆炸式开断器是依靠炸药爆炸产生的冲击波来进行驱动 ， 炸药迅速爆炸分断载流体从而实现电流转移和电气间隙形成 。 采用炸药驱动存在如下局限性：①炸药驱动威力大 ， 对结构破坏力强、噪声大同时伴有火花 ， 需要使用金属密闭式箱体封装 ， 致使整机体积大且质量重；②炸药起爆所需能量高 ， 必须由起爆器和雷管配合使用将其引爆 ， 致使整个爆炸单元结构复杂、体积大、价格十分昂贵 ， 经济性差 。
海军工程大学电气工程学院的研究人员针对炸药型开断器存在的问题 ， 设计了采用燃烧做功的火药辅助分断的新型开断器方案 。 该机构是一种利用火药燃烧产生高温高压气体的快速驱动机构 ， 其具有结构简单、体积小巧、质量轻、噪声小、经济性好和分断速度快等优点 。
秀秀科技结构设计对于火药辅助式开断器开断特性的影响
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图1基于火药辅助分断式开断器的限流熔断器组成
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图2火药辅助分断式开断器结构
秀秀科技结构设计对于火药辅助式开断器开断特性的影响
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图3两种新型开断器结构设计
为了实现快速分断 ， 火药辅助分断（Propellant-AssistedInterruption,PAI）式开断器应该具有尽量短的刚分时间 ， 同时开断后应能立即建立较高的弧压 ， 便于短路电流由开断器支路向灭弧熔断器支路快速转移 。 同时 ， 混合型限流熔断器方案中 ， 额定通流主要由开断器承担 ， 设计时应考虑其温升特性 。
研究人员在建立开断器的热电耦合模型和非线性动力学模型的基础上 ， 优化了开断栅片的倒角方式及开断器银片的开孔形式 。 设计了火药辅助分断式混合型限流熔断器试验方案 ， 完成了菱形开孔、三角形开孔这两种银片设计下的整机分断试验 ， 并对比分析试验结果 。 试验获取的开断器结构设计对于开断特性的影响规律 ， 可用于指导火药辅助分断式开断器的优化设计 。
研究人员得出的主要结论如下：
1）非线性动力学仿真模型可以较为真实地模拟开断器运动栅片切割银片过程 。 2）仿真显示银片菱形开孔及栅片双边倒角结构银片断裂伸长量大、刚分时间长 ， 且栅片不能立即与灭弧室形成电弧挤压；银片三角形开孔及栅片单边倒角结构银片断裂伸长量小 ， 刚分时间短 ， 栅片第一时间与灭弧室形成弧道挤压 ， 增大了开断器弧压 。 3）设计了额定800V/300A装置样机 ， 对两种结构进行10kA短路电流开断特性测试 ， 结果显示银片三角形开孔及栅片单边倒角结构相对银片菱形开孔及双边倒角结构 ， 刚分时间由148μs减小到125μs ， 降低了15.5%；弧压由55V提高到79.5V ， 提升了30.8%；同时换流时间由24μs减小到13μs ， 降低了45.8% 。 试验结果显示三角形开孔设计可用于更大的系统短路电流分断 。 【秀秀科技结构设计对于火药辅助式开断器开断特性的影响】以上研究成果发表在2020年第5期《电工技术学报》 ， 论文标题为“结构设计对于火药辅助式开断器开断特性的影响” ， 作者为周煜韬、庄劲武、武瑾、袁志方、张超 。


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