前言

基于新基建和“双碳”国策，光伏发电作为主要的新能源模式，迎来加速发展的契机。

直流塑壳断路器在光伏系统中提供最基本的隔离、承载和开断等保护功能。

光伏531新政出台，系统集成商纷纷提高直流汇流的总容量和能量密度，相继推出了DC1500V解决方案，但现有直流塑壳断路器多为交流产品派生，具备结构简单、性能可靠、成本较低等优点，但仍存在着诸多弊端，如短路分断能力低、飞弧剧烈、运行温升高等。

光伏发电系统的额定电压不断攀升，这与直流塑壳断路器在高电压下的灭弧能力不足的问题产生矛盾，如何进一步提升塑壳断路器开断直流电的能力成为了低压元器件从业者共同面临的难题，对此本文展开研究。

目前针对开关电弧特性的研究方法主要有数字化仿真和实验设计两种。

通过对国内外研究现状的解读可以发现。电弧数字化仿真的研究方法涉及多物理场耦合，极其复杂，现有的理论和数学模型并不能较为准确地进行解析。由于电弧至今尚无较为准确的数学模型，有些研究人员则是通过实验的方式对空气开关电弧进行研究，研究得到的结论对指导产品改进有一定的助力。

电弧研究时所需试验装置及样机的建设成本巨大，大多数的研究人员在对比验证时往往高度假设，选择性地去除了许多潜在相关变量，研究成果往往只能给出定性结论。例如行业权威教材《电器理论基础》和很多文献只能指出直流塑壳断路器可以通过提高电弧电压改善分断能力，无法定量给出最合适的电弧电压以满足产品的性能、制造成本和可用型腔体积的要求。前人的研究成果和总结的规律虽然可以对产品设计起到一定程度的指导作用，但适用性、实用性与准确度非常有限。

因此本文参考国内外已展示的电弧实验装置的设计基本原则与优劣，完成直流电弧实验平台的搭建工作后开展了一系列的实验研究。通过构建逐级递增的预期电弧电压，研究了电弧电压对直流塑壳断路器熄弧效果的影响，并给出了其极限熄弧条件的量化结果。

直流塑壳断路器熄弧原理

电弧是气体放电的一种形式，在空气介质中，开关电器触头打开时的电流和电压超过一定阈值后，动静触点之间就会产生电弧，如果灭弧不当存在安全隐患。

对于开关电器的从业者而言，研究开关电弧特性主要目的是为了更好地熄灭电弧。

基于上图可以得知，增大电弧电压是促进直流电弧熄灭切实有效的手段，由经验公式进一步可以得到增大电弧电压的方法：

（1）分割电弧，将电弧分割成小段，利用近极效应；

（2）拉长电弧，增大电弧的总长度l，利用弧柱压降；

（3）增大场强，增大电场强度E，利用弧柱压降。

直流电弧实验平台

2.1  实验平台总体设计

电弧实验平台主要由检测装置与试验基础断路器样机组成。电弧实验平台简图如下图所示。

2.2  检测装置

直流短路试验需要有资质的专业试验人员操作，同时为了确保实验参数可靠与一致性，所有实验委托上海电器设备检测所进行并全程参与监督。

2.3  电弧运动观测装置

得益于CCD感光半导体技术的长足进步，现代的高速摄影仪可以完整记录电弧运动状态的全过程，对研究分析电弧的运动规律与变化趋势帮助极大。

2.4  实验断路器样机

断路器是一个完整的产品，由不同的功能模块组成，断路器完成灭弧需要所有功能件的配合，样机如下图所示。

本文研究目的是通过构建逐级递增的预期电弧电压，分析电弧电压对断路器熄弧效果的影响，引入的变量和灭弧室相关，因此仅改变样机的灭弧单元配置，保持其他变量一致。

通过经验公式可知，调整灭弧室的栅片间距和数量就可以实现电弧电压的改变，其中栅片数量与电弧电压线性相关，为更好地实现预期电弧电压的等额变化，最终采取栅片厚度与间距不变，仅改变栅片数量的方式。试验用断路器截面与电弧拉长切割示意如下图所示。

3   实验研究

3.1  实验条件

实验电流：DC1600V@10500A，时间常数：5ms。灭弧室参数如下表所示。

3.2  实验结果

（1）A 样机 

A样机短路分断波形如下图所示：

A样机实验测得的电弧参数见下表所示：

分析：样机未能成功开断，持续燃弧，设备后备保护完成切断，电弧电压与电源电压比值（以下称弧压系数）为1.17，此时电弧电压已超过电源电压，理论上开关可以顺利完成开断，但是观察电流波形的下降段可以发现，短路电流较大时，其斜率的绝对值就变为零，电流出现极小值后反弹上升，电弧距离熄灭的趋势相去甚远。

（2）B 样机

B样机短路分断波形如下图所示：

B样机实验测得的电弧参数见下表所示：

分析：样机未能成功开断，持续燃弧，设备后备保护完成切断，弧压系数为1.29，对比发现灭弧室建立的电压提高后，虽然仍未开断10kA成功，波形斜率发生明显的变化，其电流接近过零前时，下降斜率的绝对值逐渐变小为零，出现很长一段拖尾电流，且数值非常小，此样机灭弧室建立的电弧电压接近了10kA 短路电流下的极限熄弧条件。

（3）C 样机

C样机短路分断波形如下图所示：

C样机实验测得的电弧参数见下表所示：

分析：样机成功开断，弧压系数为1.38，电流下降沿虽有波折，但是无明显的拖尾电流，结合B样机分断情况，分析可知，在现有样机工况下，其极限熄弧条件的弧压系数约为1.29~1.38。

（4）D 样机

D样机短路分断波形如下图所示：

D样机实验测得的电弧参数见下表所示：

分析：样机成功开断，弧压系数为1.5，燃弧时间较短，电流的下降延平滑，无拖尾电流，断路器熄弧效果较好。

研究还得到一组特定灭弧栅片组合对电弧特性影响的经验数据，在现有样机工况下，灭弧栅片厚度为1.5mm且间距为1.75mm 时，其气隙压降值如下表所示。

4   结论

本文通过单因素实验研究了电弧电压对直流塑壳断路器短路分断的影响。研究发现灭弧室建立的电弧电压与断路器的熄弧效果有强相关作用，弧压系数达到一定数值时，断路器才可成功完成开断。在现有样机工况下，直流塑壳断路器短路分断极限熄弧条件的电弧电压约为电源电压的1.29~1.38倍。当弧压系数相对较低时，断路器很难完成开断，且开断时限流曲线存在明显的拖尾电流，弧压系数进一步提高可以改善断路器的熄弧效果，缩短断路器的开断时间与燃弧时间，但是短路电流峰值几乎保持不变。

本文研究成果可以为直流塑壳断路器灭弧室的设计与优化工作提供理论指导，实现灭弧室配置最优解的快速选择。