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1、提高断路器短时耐受电流完整版实用资料提高断路器短时耐受电流（完整版）实用资料(可以直接使用，可编辑 完整版实用资料，欢迎下载） 冯璟(1982,男,工程师,研究方向为低压电器。提高断路器短时耐受电流性能的研究和分析*冯璟1,2,季慧玉1(1上海电器科学研究所(集团,上海200063;2上海交通大学,上海200240摘要:阐述了断路器短时耐受电流的基本概念,分析了基于短路电流的力效应及热效应。通过研究相关设计参数及短路电流的特点,探索了如何提高断路器在短时耐受电流方面的性能。关键词:断路器;短时耐受电流;力效应;热效应;研究和分析中图分类号:TM 561文献标志码:B文章编号:1001-5531

2、(202110-0001-05Research and Analysis of Improving Circuit Breaker s Abilityof Short-time Withstand CurrentFENG Jing 1,2,JI Huiyu 1(1Shanghai Electrical Apparatus Research Institute (Group Co,Ltd,Shanghai 200063,China ;2Shanghai Jiaotong University ,Shanghai 200240,China Abstract :The basic concepts

3、of short-time withstand current was introducedBased on analysis of the force effect and the heat effect ,Through the research of design parameters and analysis of short-circuit characteristics ,It was explored how to improve circuit breaker s ability of short-time withstand currentKey words :circuit

4、 breaker ;short-time withstand current ;force effect ;heat effect ;reserch and analy-sis季慧玉(1965,女,教授级高级工程师,研究方向为低压电器。*基金项目:上海市科学技术委员会资助项目(09XD14212000引言随着社会的发展,人们对于电力的需求越来越大,对配电系统提出的要求也更高,一些大额定电流的断路器,如万能式断路器,一般都直接连接于电源上,且需要其能承受一段时间的高电流而不跳闸,以便能给电网中的其他下级断路器对故障作出反应并隔绝故障的时间,这样,就会使损失尽可能限制在局部范围内。因此,短时耐受电

5、流对于断路器而言,是一项极为重要的性能指标。GB 140482标准中对相应的短时耐受电流I cw 的要求是:断路器的额定短时耐受电流是制造厂在按该标准第8362条规定的试验条件下对断路器确定的短时耐受电流。对于交流电,其为有效值,预期短路电流的交流分量在短延时时间内认为是恒定的。与额定短时耐受电流相应的短延时,应不小于005s ,其优选值为:005s 01s 025s 05s 1s ,额定短时耐受电流应不小于相应的值,如表1所示。表1额定短时耐受电流的最小值额定电流I n /A额定短时耐受电流I cw 的最小值/kA2500250012I n 或5,取较大者30由于标准中所规定的短时耐受电流已

6、远不能满足当前的需求,因此,目前市场上不断推出I cw =100kA 甚至更高的断路器,以适应用户的需1要。本文通过对短路电流的力效应和热效应两方面的分析,以此来探索如何提高断路器的短时耐受电流。1短路电流的力效应当交变电流通过导体时,会在其周围产生交变磁场,磁场中的其他载流导体受到该磁场的作用而产生电动力,该电动力的大小与载流导体之间的间距和电流的大小有关。在供配电系统中,任何运行的设备或线路的载流导体之间都会有电动力的存在,当短路故障发生时,该电动力将是正常运行状态的数倍甚至几十倍,这样,就会造成设备或线路的机械损伤,若断路器的短时耐受能力不高,就可能引起灾难性的后果。由于电动力与电流瞬时

7、值的平方成正比,短路电流产生的电动力效应将更加严重。为满足电动力的要求,目前通常采用两种方案进行设计:保证系统中的所有原件都要能承受如此大的电动力;通过合理设计,达到电动力补偿的效果。对于较为复杂的电动力计算,一般还要采用计算机软件进行辅助分析。11电路电动力计算作用在导体上的力是电流与磁场相互作用的结果。事实上,电流单位A就是由2根平行导体通过同向电流而引起的吸力来定义的。1A就是当通过该电流时相距1m的2根导线产生的吸引力,为2107N/m。导体上受到的电动力可由毕奥沙伐定律来计算,为F=0i1i2l2d(1式中i1、i2两导体中电流瞬时值l平行导体长度d导体中心间距0磁导率常数,0=41

8、07 Wb(Am1F导体间的相互作用力由式(1可知,两导体间的电动力与导体中的电流i1、i2,磁导率常数成正比,还与导体间的几何位置所决定的常数成正比。对于复杂几何形状的电动力计算,则需要在计算机的帮助下才能完成。12Holm力计算实际上,在宏观环境下的动、静触头面接触在微观下仅是点接触,在这些接触点上就会造成电流收缩集中,从而产生Holm力,该力的计算公式为FH=04i2lnAHF槡K(2式中FH动触头所受Holm力0真空中的磁导率A动、静触头间的接触面积触头接触系数H触头材料的布氏硬度FK触头预压力目前所说的电动力通常是上述两者之和,如果触头一旦被电动力斥开,其斥力会随触头间隙的增加而迅速

9、减小。但是,如果触头斥力足够大,使得触头分开一定距离并产生电弧,则电弧区被加热的气体所产生的力足以维持触头处于该开距下。这种在触头间距离很近的情况下产生的电弧有时叫悬浮电弧,其能使触头材料严重磨损,严重时还可能导致触头熔焊。因此,设计时要避免该情况发生,故需要考虑给触头足够的压力,以保证其可靠闭合。2短路电流的热效应断路器需能经受短路电流的考验,在一定时间内,断路器承受短路电流引起的热作用而不致损伤的能力称为断路器的热稳定性。特别是在短耐中,由于触头区域温度非常高,使触头和相邻动、静等电杆出现材料软化的现象,这样,就可能造成触头压力的进一步下降,情况严重时,会引起触头熔焊或断开。因此,有必要对

10、短路电流的热效应进行研究,寻找出与之有关的参数,进而优化断路器相应的参数,提高断路器的短时耐受能力。21未通电时当导体中无电流通过时,根据热平衡原理,导体的温度应等于其周围环境的温度,即=0式中导体温度0周围环境温度22正常工作时电气设备在正常工作时,由于导体中有电流通过,就会在导体电阻中产生损耗,将部分电能转2化成热能,这些热量一部分使导体温度升高,另一部分会散失在周围环境中,散失速率的快慢与导体跟周围环境温差相关。当发热与散热达到平衡时,温度达到稳定值,此时=N且NNmax式中N导体正常工作时的温度Nmax导体长期最高允许工作温度除架空导线和裸母线外,Nmax主要取决于被覆盖在导体上的绝缘

11、材料的热性能。Nmax的物理意义是:若电气设备的实际工作温度长期超过Nmax,其寿命将会缩短。一般,当实际工作温度N每超过Nmax8时,其寿命就会缩短50%,在电工界俗称“8”定则。23短路发生后从短路发生时起,由于短路电流IkI c(I c是计算电流,发热量急剧增大,导体温度也因而急剧上升,直到过电流保护动作并切断短路电流,此时,导体温度达到短路后的最高值k,要求:kkmax式中kmax导体最高允许温度kmax的物理意义是:一旦温度超过该值,电气设备将会因过热而永久损坏。kmax的常见值一般约在200 300。短路被切除后,导体温度会逐步下降至环境温度。24短路时导体最高温度k的确定在计算前

12、,先对计算作出下列假设:(1由于短路持续时间很短,散热较少,故可认为在短路持续时间内导体上的热力过程为一绝热过程。(2由于温度上升速度快、幅度大,故导体电阻R、比热C等均不是常数,而是温度的函数,记作R=R(,C=C(。(3实际短路电流的变化是很复杂的,短路电流的变化过程不易准确计算,故在此仅考虑标准中所规定的短时耐受电流的大小及时间。上述假设可能会带来一定的计算误差,如(1中对于“绝热”假定,就会使计算结果偏于保守(即计算温度高于实际温度,但该计算至少给出了一个温度上限,至于该上限值的准确度,可通过试验和理论分析不断改善。由于假设为绝热过程,使得导体发热全部用来使温度上升,其热平衡方程为It

13、2Rd t=Cm d(3式中It短路电流全电流的有效值,为时间的函数R温度为时的导体电阻,R=0(1+lAC温度为时导体的比热,C=C(1+m导体质量,m=msl00时导体的电阻率电阻率的温度系数C0时导体的比热比热的温度系数l导体的长度A导体的截面m导体材料的比重式(3左边为导体在d t时间内的发热,右边为导体温度增加d所需要吸收的热量,将各参数量表达式代入,有:lA2It2d t=Cm01+1+(d(4两边积分,得lA2t k0It2d t=C0m0t kN1+1+(d(5式中tk短路持续时间N正常运行时的温度k短路结束时的温度首先,分析式(5右边,设原函数为A(,且A(k=Ak,A(N=

14、AN,则lA2t kIt2d t=AkAN(6A(=Cm02ln1+(+(7由式(7给出与A(的关系,如图1所示。图1中,该曲线的应用方法是:首先,先根据N查出AN,将AN代入,则Ak=lA2t k0I2t d t+A N;然后,根据Ak查出k,并与k比较,就可知道是否满足热稳定性要求。3 图1与A(的关系图3短时耐受电动力仿真计算基于上述分析研究,将新一代双断点断路器的触头灭弧系统作为研究对象,通过三维有限元分析软件Ansys,计算其在短路电流为85kA时动、静触头及触桥所受到的电动力大小,保证断路器在该短路电流下动、静触头不被斥开,并且不发生熔焊现象;然后,根据所计算的数据,就可设计出合理

15、的触头反力弹簧。31计算模型首先,从UG中导入计算模型,包括动触头、静触头片、触桥片、外接母排、栅片等部分。其中,栅片为铁磁材料,其他部分为非铁磁材料。导入模型如图2所示 。1外接母排;2触桥片;3静触头片;4动触头;5栅片图2断路器触头灭弧系统实体模型由于从计算机辅助设计软件CAD中导入的实体模型不能直接进行分析计算,需先经过加工处理,去掉不必要的细节,并根据计算需要进行某些简化。经过处理后,该断路器灭弧室在三维有限元分析软件Ansys中的计算模型如图3所示,此时的动、静触头为闭合状态 。1外接母排;2触桥片;3静触头片;4动触头;5栅片图3断路器触头灭弧系统电动斥力计算模型32计算结果由灭

16、弧室的形状可见,电流在其中流过时的截面并不处处相等,即电流密度不均匀,计算中分3步:(1静态电流传导分析。通过计算得到动、静触头中的电流密度分布,如图4所示 。图4断路器触头灭弧系统载流导体电流密度分布(2灭弧室磁场计算。通过计算得到灭弧室内的空间磁场分布,并计算静触头所受总电动斥力和各并联触头上的分布电动斥力及触桥所受电动斥力。(3计算动触头和触桥处的Holm力。由于触头在宏观环境下的面接触实际上在微观下仅仅是点接触,在这些接触点上就会造成电流集中,从而产生Holm力,其本质仍然是电动斥力,该力可采用公式计算。通过计算得到灭弧室的磁通分布,然后计算4动触头所受电动斥力为Fchi=J sB d

17、 v(8FH =04I2lnAHF槡k(9式中Fchi电路电动斥力Js电流密度B磁感应强度v体积FHHolm力0真空磁导率I电流A触头接触面积系数,取03 06H布氏硬度Fk触头预压力电动斥力为Fchi 和FH两力之和。静触头所受电路电动力矩为3988Nm,与被斥开方向相反,相对于动触头为吸力,归算到静触头中心线上的力为3988/00515=774N;总的Holm力为225 264N的斥力,故总的电动斥力为510 549N。触桥所受电路电动斥力为1208N,与被斥开方向相反,为吸力;总的Holm力为115 134N的斥力,故总电动斥力为1074 1093N。根据该数据可知,每相的触头压力约为1

18、100N。4短时耐受电流温升仿真计算相对于断路器在恒定电流下的稳态温升,短时耐受电流温升计算有以下特点:(1电流大。会在触头接触电阻处产生非常高的温升。(2持续时间短。一般断路器从冷态达到稳态温升需数h,而短时耐受电流持续时间仅为1s。由于电流随时间变化,在集肤效应和邻近效应的影响下,通过各并联触头片的电流并不相等,不能利用Holm公式计算Holm力,而需采用触头间的导电桥模型来计算各并联触头的瞬态电动斥力,然后计算短时耐受电流温升。41模型简化温升计算模型中,只取载流导体部分,同时,为了进一步减少单元数 ,对载流导体的外形进行简化,如图5所示。1外接母排;2触桥片;3静触头片;4静触点;5动

19、触头;6动触头图5万能式断路器短时耐受电流温升计算模型具体步骤是:(1简化后,载流导体各部分的外部尺寸保持不变(长宽高;(2载流导体各部分之间的接触面积保持不变(导体之间的热传导不变;(3载流导体外表面的面积不变(载流导体与空气的热交换不变。42计算结果计算结果表明,如果短时耐受电流达到85kA 时,1s后的最高温升出现在动、静触头间的接触面上,为1057;除接触点及其附近外的导电杆部分温升相对低,最外仅为769,其他大部分区域温升约不超过100。t=1s时的载流导体总的温度分布如图6所示。据此,可以确定最终的动触头厚度和静触头片及相应的触点大小。5结语经研究分析发现,要有效提高断路器的短时耐

20、受性能,可从短路电流的力效应和热效应两方面入手,通过Ansys仿真分析软件,针对断路器的该两方面进行研究分析的过程中发现,采取以下措(下转第9页5研究与分析 低压电器（2021No 10） 3 结 语 Recovery characteristics of hydrogen spark gap switC 1993 ches Albuquerque，NM，USA： IEEE， 4 MORAN S L，HARDESTY L W Highrepetitionrate hydrogen spark gap San Diego，CA，USA： Publ C by IEEE， 1990 5 YALAND

21、IN M I，LYUBUTIN S K， OULMASCOULOV M R，et al High peak power and high average power subnanosecond modulator operating at a repetition frequency of 3 5 kHz IEEE Transactions on J Plasma Science， 2002， 30（5 I） ： 17001704 6 殷毅 高功率氢气开关的初步研究D 长沙：国 2006 防科学技术大学， 7 YI Y，LIU J，ZHONG H，et al Influences of gas

22、 gap parameters on the voltage rise time of pulse modulator J Gaodianya Jishu / High Voltage Engineering， 2021， 34（7） ： 14321435 8 SHIBA Y，MORISHITA Y，KANEKO S，et al Study N of DC circuit breaker of H2 - 2 mixture gas for high voltage IEEJ Transactions on Power and Energy， J 2021， 128（11） ： 14071413

23、 9 王其平 电器电弧理论M 北京：机械工业出版 1989 社， 收稿日期： 2021 01 11 本文选用 H2 和空气开关样机， 在航空 270 V 大电流条件下， 对直流电弧的燃弧特性进行试验 、 研究、 分析可知： （1） 随着电弧电流的增大， 2 和空气电弧燃 H 弧时间变长， 电弧能量也随之增加。 （2） 在相同电流下， 2 电弧燃弧时间远小于 H H 空气电弧燃弧时间， 2 电弧能量比空气电弧能量 低。 （3） H2 开关灭弧能力强于空气开关， 具有体 积小的优势， 适用于大容量航空供电系统。 【参 考 文 献】 1 RUTBERG P G， KOLIKOV V A Invest

24、igation of electric discharge systemsJ IEEE Transactions on Magnetics， 2021， 45（1） ： 423429 2 TRACY P T，BURCH J H，ALTGILBERS L L，et al Nanosecond sparkgap switches CSanta Fe，N M， United states： Inst of Elec and Elec Eng Comput2021 er Society， 3 GRROTHAUS M G，MORAN S L， HARDESTY L W 檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿

25、檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿 （ 上接第 5 页） （1） 控制动、 静触头在触点处的接触压力， 可 从而提高断路器的 明显改善触头的动热稳定性， 短时耐受性能； （2） 选用配比合理的触头材料， 可以增加断 路器的导电性能， 且对于改善断路器的热容量也 。 会有很大帮助 【参 考 文 献】 1 冯慈璋 电磁场 北京：高等教育出版社， M 1983 2 GB 14048 22002 低压开关和控制设备 第 2 部分 图6 t = 1 s 时双断点断路器载流导体温升分布图 S 断路器 2002 3 张冠生 电器学 北京：机械工业出版社， M 1980 收稿日期： 202

26、1 04 15 施， 可有效提高断路器短时耐受性能 ： 檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿 欢迎在线投稿 ： / / lva chinaelc cn 9 智 课 网 雅 思 备 考 资 料 雅思阅读培养短时记忆力的必要性-智课教育出国考试本文为大家带来雅思阅读培养短时记忆力的必要性的相关介绍。雅思阅读文章的特点大家都知道,篇幅长是众所周知的,而题型多样也是确实存在的,所以在1个小时的时间内容完成3篇文章近2700字的阅读,并完成40道题的作答是相当艰巨的任务,所以短时记忆的重要性就非常值得注意了,一起来看看详细内容吧!首先,来了解一下为什么

27、要培养短时记忆力。众所周知,短时记忆力是指看完特定内容后在较短时间内保持记忆的能力,如记忆单词通常都是通过短时记忆记住的,如果不多加温习和容易就忘记了。在雅思考试中,特别是阅读部分,考生尤其需要这种短暂记忆能力。因为,雅思阅读文章多半都是学术类论文,篇幅较长,内容也比较深刻复杂,考生一遍看过往往难以留下足够的印象,之后解题如果还要返回再仔细看,往往会花费大量考试时间。如果能通过第一次阅读就把文章内容和结构大致记住,解题时就能更有针对性地找到问题涉及的文章内容,提升答题速度和正确率,而这种记忆能力,就是我们提到的短暂记忆能力。然后,需要了解一下培养短时记忆力的步骤。虽然人的记忆能力是因人而异,各

28、不相同的,但是有时候记忆力也是能够培养的。而短时记忆力也是可以通过特定方法逐步培养出来的,考生只要在雅思阅读备考阶段按照正确的方法坚持练习,养成良好的阅读习惯,短时记忆力就能够得到明显的提升,在做题速度和效率方面都会有所体现。练习具体步骤如下:1. 快速阅读记住文章结构,仔细研读首尾段,归纳总结文章大意。2. 回文阅读每段段首,做段落大意归纳总结。3. 开始读题,边读题边回想刚刚归纳的文章大意和各段内容,和题目信息配对,定位重点段落。4. 在练习的时候,建议考生读完题后回忆一下文章内容,看看能够记住多少,最好能够用笔快速笔记的方法记忆下来。快速做简单的题目;如果题目涉及到具体细节,比如某段某行

29、中有关于特定内容的描述说明等,就马上定位到文章当中的相关部分找寻答案。 5. 然后,根据不清楚的内容和较难的题目回文定位到原文,根据上下文做题;如果还是无法解答题目,那么就做个标记,猜个答案然后继续下面的题。这样的步骤完成以便之后,检查做对的题目和回忆中的信息是否正确,看看哪里不足,哪里记错了,归纳总结,下次谨记不足之处并改正。需要提醒大家的是在每一个步骤的实施过程中考生都应该心中有数,分配好时间,尽量在规定的时间内容完成每一步,以免影响下面的文章阅读。以上就是雅思阅读培养短时记忆力的必要性介绍,可以看到这不仅是记忆力的培养其实也是做题方法的练习和实践,可谓一举两得。希望大家能够关注,选取值得参考的地方运用到自己的雅思阅读备考中。 用修正的短时自相关检测语音的基音周期一、实验目的1熟悉前一个实验程序以及中心削波的意义。.2用Matlab实现用修正的短时