作者特稿：微型断路器灭弧失效分析及性能优化设计

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联合主办

中国电工技术学会

北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室

联合承办

中国电工技术学会轨道交通电气设备技术专委会

国家高速列车技术创新中心

《电气技术》杂志社

会议日期/地点

2019年10月25-27日/山东青岛

导语

微型断路器是低压用户安全用电的关键器件，灭弧能力是关键性能。

► DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.L80736  ◀

研究背景

微型断路器是配合电能表使用，并具有切断负荷功能的低压电器，是支持营销业务的重要环节，是配电网的重要组成部分，也是保障用户用电安全的一道防线。由于微型断路器一般与电能表一起安装在表箱内部，用于切断负荷，并需要在短路大电流情况下，耐受一定时间的大电流。其质量好坏、智能化程度及可靠性，直接关系到客户的服务和电网安全。

截止2016年8月底，国家电网公司已安装智能电能表2.4亿只，每只智能电能表对应了一只微型断路器，据不完全统计表箱中各配用电设备失效率约为0.04%，其中由微型断路器引起的失效约占50%左右，而由于灭弧性能不足导致的失效约占微型断路器失效的60%。

论文所解决的问题及意义

本文综合优化设计方法可明显提升微型断路器的灭弧性能和分断能力，减少微型断路器的燃弧时间和分断时间，有效提高微型断路器的可靠性、安全性和稳定性，有效解决微型断路器灭弧失效的难题，可产生较好的经济效益和社会效益，具有较强的应用价值和推广价值。

论文方法及创新点

针对目前居民用微型断路器故障频发，灭弧能力严重不足的问题，开展了微型断路器灭弧失效分析及性能优化研究。在分析微型断路器灭弧失效机理的基础上，提出了优化设计技术路线图，建立了微型断路器失效仿真模型，分析并给出了关键优化参数的取值，对提出的四种设计方案进行仿真，得出仿真结果。

在对仿真结果分析的基础上，从灭弧栅、上引弧片和下引弧片的结构、材料设计入手，提出了提高微型断路器灭弧性能的优化设计方法。

优化设计主要体现在三个方面：

• 一是通过对灭弧栅进行优化设计，将灭弧栅片数量提升到13片，提高微型断路器的灭弧能力；

• 二是通过对引弧片材质进行优化，将上引弧片下段和下引弧片材质改进为钨铜合金，减少微型断路器内金属蒸汽的产生；

• 三是通过对引弧片结构进行优化设计，尽量减少下引弧片的上端尺寸，防止弧光烧蚀微型断路器其它部件。

结论

（1）本文提出了微型断路器优化设计技术路线图，建立了失效仿真模型，分析并给出了关键优化参数的取值，对比仿真结果可知，本文综合优化设计方法可有效降低燃弧时间，提高微型断路器的灭弧性能。

（2）通过对优化前后的微型断路器样品在相同试验环境下进行试验分析可知，试品优化后比优化前分断时间和燃弧时间均显著减少，焦耳积分明显降低，试验结果与仿真结果相符。仿真和实验结果表明，本文提出的优化设计方案可明显提升微型断路器的灭弧性能和分断能力，有效提高微型断路器的可靠性、安全性和稳定性，有效解决微型断路器灭弧失效的难题。

引用本文

熊德智, 陈向群, 杨杰, 薛阳, 张蓬鹤. 微型断路器灭弧失效分析及性能优化设计[J]. 电工技术学报, 2019, 34(11): 2333-2332. Xiong Dezhi, Chen Xiangqun, Yang Jie, Xue Yang, Zhang Penghe. Arc Extinguishing Failure Analysis and Performance Optimization Design of Miniature Circuit Breaker. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(11): 2333-2332.

团队介绍

熊德智

博士，高级工程师，研究方向为智能配电网、电测量技术等；牵头及参与省部级科研项目10余项；申请专利80余项；发表SCI等高水平科技论文40余篇；获省部级科技进步奖一等奖1项、二等奖3项、三等奖1项；牵头及参与10余项行标、企标、团标的制修订工作。

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