摘 要：依據熱擊穿原理建立了電弧動態(tài)模型，對背后擊穿現(xiàn)象進行模擬研究，分析了各種因素對背后擊穿現(xiàn)象的影響，提出了一種可消除背后擊穿現(xiàn)象的新型混合式滅弧系統(tǒng)。
關鍵詞：低壓斷路器 背后擊穿 電弧
1 引言
低壓斷路器是低壓配電系統(tǒng)中應用最為普遍的電器產品之一。為了獲得較高的電弧電壓，斷路器滅弧室的柵片排列緊密。這樣，電弧在進入滅弧室時所受的阻力較大，在柵片入口處停滯的時間也較長。近年來對低壓斷路器的研究表明，電弧在柵片入口處多次出現(xiàn)在柵片內與柵片外，導致電弧電壓的反復跌落，這就是背后擊穿現(xiàn)象。它降低斷路器的開斷性能，使燃弧時間增長。1988年日本名古屋大學Yoshiyuki Ikuma等人首次用快速攝像機觀察到這種電弧背后擊穿現(xiàn)象。他們還采用微波穿透技術發(fā)現(xiàn)在低壓斷路器開斷過程中，電弧電壓發(fā)生突降前，觸頭間隙都出現(xiàn)溫度的上升，這是由于電弧的熱氣流經過滅弧室的后壁的反射進入相應區(qū)域的結果。游離氣體的進入和溫度的上升，使相應區(qū)域的臨界電場強度降低，這是造成背后擊穿的原因之一。法國的C.Fievet等人也發(fā)現(xiàn)，在電弧經過的區(qū)域溫度還較高，存在有剩余電流，會以熱擊穿的形式導致背后擊穿［1］。德國的Manfred Lindmayer教授初步提出了一種基于熱擊穿的背后擊穿模型［2］。圖1為背后擊穿的典型波形。
圖1 背后擊穿的典型波形
通過對背后擊穿的分析，依據熱擊穿的原理，建立了以磁流體動力學為基礎的電弧動態(tài)模型，對背后擊穿現(xiàn)象進行了機理模擬研究。采用先進的高速光學測試設備及多通道示波器，對低壓斷路器模型作了大量的實驗，發(fā)現(xiàn)電磁場對低壓斷路器中的背后擊穿現(xiàn)象有抑制作用。通過改變滅弧室前的跑弧區(qū)的結構，形成不同氣體流動狀況。實驗證明，合理的氣體流動狀況有助于電弧快速進入滅弧室，使電弧電壓迅速上升，對背后擊穿有抑制甚至消除作用，改善了限流器的開斷特性。據此提出了一種新型可消除背后擊穿現(xiàn)象的滅弧室結構。
2 背后擊穿現(xiàn)象機理的研究分析
近年來，人們通過現(xiàn)代測試技術發(fā)現(xiàn)了低壓斷路器開斷中電弧運動的不穩(wěn)定性，在熄弧過程中電弧在滅弧室內外多次轉移，導致電弧電壓跌落，即背后擊穿現(xiàn)象。重燃后的電弧多次進入滅弧室，直到熄弧。大量實驗都發(fā)現(xiàn)低壓斷路器開斷過程中，在背后擊穿現(xiàn)象發(fā)生前，在柵片滅弧室外都出現(xiàn)溫度的上升。這是由于電弧的熱氣流經過滅弧室后壁的反射產生回流，相應區(qū)域的電導增大，臨界場強減小，易于造成背后擊穿的發(fā)生。
法國的C.Fievet等人發(fā)現(xiàn)［1］，當電弧進入滅弧室后，由于多個短弧的近極壓降，以及柵片外熱氣體電導較大，內外電流在斷路器滅弧室內外重新分配。通過用Rogowski線圈對電流的測量，發(fā)現(xiàn)當電弧已經離開起弧處幾個毫秒之后，電弧初始區(qū)域仍然有幾安培的電流。
由此，說明背后擊穿現(xiàn)象與滅弧室外氣體溫度、臨界電場強度及導電情況等有關。德國的Manfred Lindmayer教授初步提出了一種基于熱擊穿的背后擊穿模型［2］。
我們在這個模型的基礎上進行深入研究，依據熱擊穿的原理，建立了以磁流體動力學為基礎的電弧動態(tài)模型。計算結果表明，根據這種電流重新分配原理建立的模型是與實際情況相符合的。尤其當滅弧室外的溫度較高，殘余電流較大時，容易產生背后擊穿。這是與C.Fievet的實驗結果相符合的。在圖2 中，1.92ms時電弧已經進入滅弧柵片，電弧電壓迅速上升，電弧的等效電阻則由于近極壓降相對保持一個較高的值，而背后擊穿區(qū)域電阻則不斷下降。隨著背后擊穿區(qū)域的電阻逐漸減少，電流漸漸被此導電通道所分流，使這一區(qū)域的溫度迅速升高，電阻迅速減小，引起電弧電壓突降，產生背后擊穿。在2.16ms時電弧已經退出了滅弧柵片。這說明，用熱擊穿是導致背后擊穿產生的一個原因。
圖2 模擬的電弧背后擊穿現(xiàn)象
3 消除背后擊穿現(xiàn)象的措施
我們對可能消除背后擊穿現(xiàn)象多種因素進行了研究。
3.1 外加磁場的影響
磁場可以加快電弧的運動速度，使它快速進入滅弧室，減少在滅弧柵片前的停滯時間。實驗中在滅弧室兩側夾兩塊導磁片，利用流過斷路器的電流產生外加吹弧磁場。外加2匝線圈，實驗預期電流為2000A時，電弧電壓跌落比較嚴重。當預期電流分別提高為3000A和4000A時，電弧電壓跌落次數減少，跌落幅度也降低。外加多匝線圈時，電弧電壓上升很快，電壓跌落現(xiàn)象仍然存在，但次數減少了。從實驗結果看，加大吹弧磁場后，電弧電壓跌落次數減少，但背后擊穿現(xiàn)象依然存在。
實驗中得到的結果以3000A為例如表1所示。
表1 不同吹弧磁場下的開斷特性
3.2 氣流場的影響
氣流場對斷路器背后擊穿現(xiàn)象有非常直接的影響。因為不良的氣體流通會使熱氣流回流，同時由于使電弧在滅弧柵片前停滯更長的時間，在滅弧室前部易于形成背后擊穿的熱區(qū)域。根據研究，在柵片的后面加上絕緣隔弧板，這樣使滅弧室內的熱氣流可以順利的排出，又不會飛弧。通過實驗發(fā)現(xiàn)，在這種情況下，背后擊穿現(xiàn)象得到極大的限制，基本上消除了電壓的跌落。但電弧電壓會逐漸降到一個比較低的值，降低了開斷性能。因此，還需要采取其他的措施。滅弧室后部完全開放的開斷特性如圖3所示。
圖3 滅弧室后部完全開放的開斷特性
為此，我們直接在滅弧室柵片間插入產氣絕緣材料，同時在滅弧室后部加上隔弧板，如圖4中所示。在電弧的高溫作用下，發(fā)出大量的絕緣物蒸氣，這樣由于限制了電弧弧根的擴張，并借助絕緣物產生的蒸氣，使電弧弧根周圍壓力進一步提高，控制了電極發(fā)射出的金屬蒸氣的噴流運動方向。此外，絕緣物產生的氣體冷卻電弧弧柱，使電弧電阻上升，電弧電壓提高。 來源:http://www.tede.cn
圖4 新型的混合式滅弧系統(tǒng)
采用這種窄縫滅弧室，即柵片與隔弧板相配合的混合式滅弧室。經多次實驗獲得的限流斷路器開斷電弧電壓電流波形圖，以及用二維光纖陣列電弧測試系統(tǒng)所觀察到的電弧運動圖象都明顯看出，這種結構完全抑制了背后擊穿的發(fā)生，并且一旦電弧進入柵片滅弧室，則電弧電壓始終保持一個較高的值，燃弧時間以及允通能量都是最小的。新型的混合式滅弧系統(tǒng)的開斷特性如圖5所示。
圖5 新型的混合式滅弧系統(tǒng)的開斷特性
我們還將這種新型的滅弧系統(tǒng)與原有的幾種滅弧系統(tǒng)進行對比。經多次實驗，得出表2所示的對比結果。
表2 多種滅弧室開斷特性的對比
A——一般情況的開斷特性
B——采用窄縫與柵片配合時的開斷特性
C——單獨采用隔弧板的開斷特性，如圖3所示
D——新型的混合式滅弧系統(tǒng)的開斷特性，如圖5所示
從上面的實驗結果可以看出，新型的滅弧系統(tǒng)消除了背后擊穿現(xiàn)象，減少了燃弧時間，大大提高了低壓限流斷路器的開斷性能。
4 結論
低壓斷路器開斷時常有背后擊穿現(xiàn)象發(fā)生影響開斷性能。本文通過對背后擊穿的分析，依據熱擊穿的原理，建立了以磁流體動力學為基礎的電弧動態(tài)模型，對背后擊穿現(xiàn)象進行了機理模擬研究。通過實驗發(fā)現(xiàn)，增大吹弧磁場可以在一定程度上抑制背后擊穿現(xiàn)象，滅弧室內的氣流狀況對背后擊穿現(xiàn)象有直接的影響。改善熱氣流的回流以及在滅弧室內的滯留有利于背后擊穿現(xiàn)象的消除。實驗證明，柵片滅弧室與隔弧板相配合，加入絕緣產氣板，應用于限流斷路器的新型滅弧系統(tǒng)，不僅有效的抑制了背后擊穿現(xiàn)象的發(fā)生，而且進入滅弧室的電弧始終具有平穩(wěn)的較高的電弧電壓，有效的提高了限流斷路器的開斷性能。
作者單位：陳旭（西安交通大學 710049）
魏強（西安交通大學 710049）
陳德桂（西安交通大學 710049）
參考文獻 來源:http://tede.cn
［1］ Fievet C,Petit P,et al.Residual conduction in low voltage circuitbreaker.The Eleventh International Conference on Gas Discharges and TheirApplications,Chuo University,Tokyo,1995
［2］ Manferd Lindmayer.Simulation of stationary current- voltage characteristics and of back-commutation in rectangular arc channels.
［3］ Niemeyer L.Evaporation dominated high current arcs in narrow channels,IEEE Trans.on Plasma Science,1978,97（3）
［4］ 袁海文.低壓限流斷路器中電弧運動及其二維光纖陣列數字化測試系統(tǒng)的研究：［博士學位論文］.西安交通大學，1997
