基于电弧电压的直流塑壳断路器熄弧特性研究

doi:10.16628/j.cnki.2095-8188.2026.06.008

摘要/Abstract

摘要：

低压直流塑壳断路器的短路熄弧条件尚不明确,不同灭弧室配置对应的产品开断性能缺乏定量评价依据。针对此问题,提出一种基于电弧电压的直流塑壳断路器短路开断性能评价方案,通过变更灭弧室栅片数量构建不同预期电弧电压。系统研究了1 500 V/5 kA、750 V/20 kA和750 V/10 kA 3种不同试验参数下,平均弧压对断路器熄弧效果的影响规律。试验结果表明,3种试验参数下断路器可靠熄弧的临界平均弧压系数分别为0.45、1.13、0.89,对应灭弧室所需栅片数量分别为30、34、30片。该研究成果可为低压直流塑壳断路器灭弧室的设计与优化工作提供理论指导,助力实现灭弧室配置最优解的快速筛选。

关键词: 直流塑壳断路器, 短路开断, 熄弧条件, 电弧电压

Abstract:

The short-circuit arc extinguishing conditions of low-voltage DC molded case circuit breakers remain unclear, and no quantitative evaluation criterion is available for the breaking performance of products equipped with different arc extinguishing chamber structures. To solve this problem, an evaluation method for short-circuit breaking performance of DC molded case circuit breakers based on arc voltage is proposed. Different target arc voltages are obtained by adjusting the quantity of arc plates inside the arc extinguishing chamber. It systematically studies the influence of average arc voltage on the arc extinguishing performance of circuit breakers under three test conditions: 1 500 V/5 kA, 750 V/20 kA and 750 V/10 kA. Test results indicate that the critical average arc voltage coefficients for reliable arc extinction under the three working conditions are 0.45, 1.13 and 0.89, and the corresponding required numbers of arc plates for the arc extinguishing chamber are 30, 34 and 30 respectively. The research conclusions can offer theoretical guidance for the design and optimization of arc extinguishing chambers of low-voltage DC molded case circuit breakers, and support rapid screening of the optimal matching scheme for arc extinguishing chamber layout.

Key words: DC molded case circuit breaker, short-circuit breaking, arc extinction condition, arc voltage

中图分类号:

TM56

张森林, 张亦和, 王冰青. 基于电弧电压的直流塑壳断路器熄弧特性研究[J]. 电器与能效管理技术, 2026, 0(6): 67-75.

ZHANG Senlin, ZHANG Yihe, WANG Bingqing. Research on Arc Extinguishing Characteristics of DC Molded Case Circuit Breaker Based on Arc Voltage[J]. LOW VOLTAGE APPARATUS, 2026, 0(6): 67-75.

图/表 18

图1

图2

图3

图4

图5

图6

图7

表1

表2

表3

表4

图8

表5

试验B波形分析结果

样机序号	试验结果	灭弧室编号	通断时间T_break/ms	开断能量I²t/(kA²·s)	燃弧时间T_arc/ms	K_5.0	K_7.5	K_10.0
1	开断成功	③	25.820	1 528.50	19.036	0.79	0.81	0.85
2	开断失败	③	47.127	1 554.60	42.354	0.77	0.86	0.92
3	开断失败	③	40.562	1 937.30	34.200	0.84	0.83	0.84
4	开断成功	③	25.223	1 026.60	20.604	1.07	1.09	1.08
5	开断成功	③	23.681	946.83	20.895	1.14	1.08	1.09
6	开断失败	③	43.399	832.85	34.765	1.14	1.13	1.13
7	开断成功	④	27.428	1 511.30	20.644	1.00	1.04	1.09
8	开断成功	④	22.702	881.08	20.978	1.14	1.07	1.13
9	开断成功	④	21.600	1 239.90	16.999	1.10	1.17	1.18
10	开断成功	④	20.267	852.70	15.947	1.12	1.17	1.21
11	开断成功	④	19.750	916.00	15.238	1.00	1.11	1.21
12	开断成功	④	20.266	852.73	15.802	1.12	1.17	1.21
13	开断成功	④	19.747	916.00	15.278	1.00	1.11	1.21
14	开断成功	④	19.839	757.44	15.499	1.32	1.26	1.27
15	开断成功	④	19.836	757.44	15.538	1.25	1.26	1.27
16	开断成功	⑤	18.531	1 028.60	12.255	1.16	1.32	1.36
17	开断成功	⑤	20.578	943.67	14.311	1.36	1.39	1.36
18	开断成功	⑤	19.477	1 125.50	14.250	1.33	1.38	1.38
19	开断成功	⑤	19.715	1 498.90	13.000	1.11	1.34	1.40
20	开断成功	⑤	18.403	1 265.90	11.878	1.21	1.35	1.40
21	开断成功	⑤	20.692	1 439.30	11.874	1.31	1.43	1.47
22	开断成功	⑤	18.752	1 288.70	11.549	1.04	1.50	1.52
23	开断成功	⑤	16.415	905.36	11.572	1.45	1.58	1.58
24	开断成功	⑥	15.639	914.00	9.630	1.50	1.56	1.56
25	开断成功	⑥	19.177	1 182.10	10.484	1.66	1.60	1.60
26	开断成功	⑥	16.955	1 132.60	10.568	1.65	1.68	1.68
27	开断成功	⑥	16.981	1 279.10	10.035	1.29	1.69	1.77
28	开断成功	⑥	17.664	1 198.90	8.913	1.78	1.83	1.83
29	开断失败	⑥	59.871	1 710.30	55.520	2.08	1.95	1.84
30	开断成功	⑥	15.590	1 046.20	10.541	1.87	1.87	1.87
31	开断成功	⑥	15.203	936.39	8.900	1.92	1.92	1.92

表5

图9

图10

表6

图11

表7

参考文献 12

[1]	陈德桂. 直流开断技术的进展与新型直流断路器[J]. 电器与能效管理技术, 2014(21):1-5.
[2]	刘路辉, 叶志浩, 付立军, 等. 快速直流断路器研究现状与展望[J]. 中国电机工程学报, 2017, 37(4):966-977.
[3]	郑怿, 赵攀, 王山石. 机车用直流接触器灭弧系统设计[J]. 电力机车与城轨车辆, 2016, 39(6):42-47.
[4]	顾惠民, 孙吉升. 低压直流断路器在光伏系统的应用分析[J]. 电器与能效管理技术, 2016(22):10-16.
[5]	荣命哲, 杨飞, 吴翊, 等. 直流断路器电弧研究的新进展[J]. 电工技术学报, 2014, 29(1):1-9.
[6]	孙昊, 荣命哲, 马瑞光, 等. 空气介质直流断路器的现状[J]. 低压电器, 2013(20):8-10.
[7]	李学琳, 蒋顾平, 施晓蓉. 提升直流塑壳断路器短路分断能力的设计研究[J]. 电器与能效管理技术, 2021(7):45-50.
[8]	彭陈仡, 程少勇, 付志超. 塑壳断路器的交、直流短路分断特性对比研究[J]. 电器与能效管理技术, 2021(6):73-78.
[9]	周云红, 黄银芳, 李志宏. 光伏用直流塑壳断路器的过载保护特性研究[J]. 电器与能效管理技术, 2018(22):65-69.
[10]	孙昊, 周柳君, 张新宇, 等. 低压断路器中铁磁性栅片的近极压降影响因素[J]. 电器与能效管理技术, 2024(8):21-26.
[11]	周玮, 臧春艳, 何俊佳. 电气参数和机械参数对继电器直流电弧的影响[J]. 中国电机工程学报, 2006(19):151-155.
[12]	李静, 关明旭, 刘树鑫, 等. 直流空气电弧作用下触头熔蚀过程及其对开断特性影响[J]. 高电压技术, 2022, 48(4):1531-1541.

试验编号	开断成功次数	开断失败次数	通断时间/ms		开断能量/(kA²·s)		燃弧时间/ms
试验编号	开断成功次数	开断失败次数	上限	下限	上限	下限	上限	下限
A	13	2	79.762	30.662	568.80	273.58	70.583	21.781
B	27	4	59.871	15.203	1 937.31	832.85	42.354	8.993
C	2	1	169.298	18.299	621.65	481.70	165.320	13.716

样机序号	试验结果	灭弧室编号	通断时间T_break/ms	开断能量I²t/(kA²·s)	燃弧时间T_arc/ms	K_5.0	K_7.5	K_10.0
1	开断失败	①	73.983	568.80	65.111	0.32	0.35	0.38
2	开断失败	①	79.762	441.49	70.583	0.24	0.36	0.40
3	开断成功	①	65.635	468.83	53.575	0.29	0.37	0.41
4	开断成功	②	40.333	340.43	31.172	0.29	0.37	0.45
5	开断成功	②	38.979	287.72	28.523	0.31	0.40	0.46
6	开断成功	②	49.259	342.64	39.726	0.35	0.42	0.47
7	开断成功	②	41.158	401.12	28.188	0.35	0.42	0.47
8	开断成功	③	37.276	320.90	25.958	0.36	0.45	0.51
9	开断成功	③	30.850	276.26	21.880	0.38	0.46	0.53
10	开断成功	③	57.810	438.18	48.757	0.39	0.45	0.49
11	开断成功	③	32.316	277.57	21.781	0.39	0.48	0.53
12	开断成功	④	35.812	341.78	24.914	0.44	0.49	0.53
13	开断成功	④	30.662	273.58	21.985	0.42	0.52	0.57
14	开断成功	④	49.284	369.70	36.799	0.39	0.48	0.55
15	开断成功	④	35.693	359.76	23.696	0.34	0.55	0.67