图8-12 SMCB工作原理图正常工作时，由于辅助电流回路限流电阻的存在，负载电流主要通过主电流回路；短路开断过程中，其限流性能主要是通过主动触头的快速打开后电流迅速向辅助回路转移，并依靠限流电阻的作用来实现。而当短路发生在SMCB和下级MCB之间时，主回路和辅助回路的双金属片均可能在短延时后动作，从而使机构解锁并实现短路分断。......
2023-06-15
MCB仿真分析：优化与探究
【摘要】：在仿真中，采用动网格技术模拟动触头的运动过程，为了考虑栅片切割电弧后近极压降，模型中在栅片周围包含一层0.1mm厚度的鞘层，鞘层模型采用图8-22所示的非线性电阻。图8-64 MCB灭弧室内温度的分布a）0.05ms b）0.5ms c）3.5ms d）6.5ms图8-65 MCB电弧电压随时间变化的曲线
文献[30]基于三维MHD方法，对真实MCB产品进行了仿真计算，预期短路电流10kA，为了简化计算，缩短计算时间，在计算过程中对模型做了一定的假设和简化处理，假设电弧处于LTE状态，并为层流，铁磁栅片认为是线性的铁磁材料，起弧过程不包括在计算模型中，电弧起始时刻，在动静触头之间有很小的间隙，并设一均匀分布的高温条，从而使电流在动静触头之间流通。在仿真中，采用动网格技术模拟动触头的运动过程，为了考虑栅片切割电弧后近极压降，模型中在栅片周围包含一层0.1mm厚度的鞘层，鞘层模型采用图8-22所示的非线性电阻。
图8-63所示为仿真计算流程图，初始化电弧时，在动静触头之间初始化一个半径为1mm，温度为10000K的圆柱状温度条，然后求解MHD模型中描述流体运动的质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程以及描述电磁场的麦克斯韦方程、辐射模型。在求解这些方程的过程中，各参数是相互耦合的，通过求解电位方程可以得到电弧电压值，然后判断电流是否过零，如果电流还未过零，则计算时间增加一个时间步长dt，随后动触头根据设定运动一定的角度，在动触头的这一位置处，继续求解MHD方程，直到电流过零，计算停止。
图8-63 计算流程图
图8-64为计算得到不同时刻断路器中温度的分布图像，图8-65为仿真得到的电弧电压和实验得到的电弧电压随时间变化的曲线，由图可以看出，随着动触头的打开，电弧在气吹和洛伦磁力的作用下向栅片运动，电弧电压开始上升，由于电弧还没有进入栅片，故电弧电压较小，在0.5ms时，电弧开始进入栅片，电弧电压进一步升高；在3.5ms时，电弧充满整个栅片区域，被栅片完全切割冷却，电弧电压达到200V左右，随后电弧在栅片中运动，被栅片冷却，电弧温度下降，电流过零前，电弧电压维持在一个较高的数值，从而降低了弧后重燃的可能性。由于MCB中，当电弧电压大于系统电压时，由于限流作用，电弧电流减小，因此最大电流为8kA，小于预期短路电流。此计算模型针对实际断路器产品，虽然计算模型有一定的简化，并未考虑电极和栅片的烧蚀，但也能反映出整个电弧的运动过程，尤其是较好的模拟了电弧被栅片切割成多段短弧的过程，对优化断路器的设计提供了参考。
图8-64 MCB灭弧室内温度的分布
a）0.05ms b）0.5ms c）3.5ms d）6.5ms
图8-65 MCB电弧电压随时间变化的曲线
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