低壓斷路器開斷過程中背后擊穿現(xiàn)象的研究

　　低壓斷路器是低壓配電系統(tǒng)中應(yīng)用最為普遍的電器產(chǎn)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(jìn)入滅弧室時(shí)所受的阻力較大，在柵片入口處停滯的時(shí)間也較長。近年來對(duì)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(nèi)與柵片外，導(dǎo)致電弧電壓的反復(fù)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(shí)間增長。1988年日本名古屋大學(xué)Yoshiyuki Ikuma等人首次用快速攝像機(jī)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(shù)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(jīng)過滅弧室的后壁的反射進(jìn)入相應(yīng)區(qū)域的結(jié)果。游離氣體的進(jìn)入和溫度的上升，使相應(yīng)區(qū)域的臨界電場(chǎng)強(qiáng)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(jīng)過的區(qū)域溫度還較高，存在有剩余電流，會(huì)以熱擊穿的形式導(dǎo)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(duì)背后擊穿的分析，依據(jù)熱擊穿的原理，建立了以磁流體動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)的電弧動(dòng)態(tài)模型，對(duì)背后擊穿現(xiàn)象進(jìn)行了機(jī)理模擬研究。采用先進(jìn)的高速光學(xué)測(cè)試設(shè)備及多通道示波器，對(duì)低壓斷路器模型作了大量的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)電磁場(chǎng)對(duì)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(jié)構(gòu)，形成不同氣體流動(dòng)狀況。實(shí)驗(yàn)證明，合理的氣體流動(dòng)狀況有助于電弧快速進(jìn)入滅弧室，使電弧電壓迅速上升，對(duì)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(jù)此提出了一種新型可消除背后擊穿現(xiàn)象的滅弧室結(jié)構(gòu)。

2 背后擊穿現(xiàn)象機(jī)理的研究分析 

　　近年來，人們通過現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)發(fā)現(xiàn)了低壓斷路器開斷中電弧運(yùn)動(dòng)的不穩(wěn)定性，在熄弧過程中電弧在滅弧室內(nèi)外多次轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致電弧電壓跌落，即背后擊穿現(xiàn)象。重燃后的電弧多次進(jìn)入滅弧室，直到熄弧。大量實(shí)驗(yàn)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(jīng)過滅弧室后壁的反射產(chǎn)生回流，相應(yīng)區(qū)域的電導(dǎo)增大，臨界場(chǎng)強(qiáng)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(dāng)電弧進(jìn)入滅弧室后，由于多個(gè)短弧的近極壓降，以及柵片外熱氣體電導(dǎo)較大，內(nèi)外電流在斷路器滅弧室內(nèi)外重新分配。通過用Rogowski線圈對(duì)電流的測(cè)量，發(fā)現(xiàn)當(dāng)電弧已經(jīng)離開起弧處幾個(gè)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(chǎng)強(qiáng)度及導(dǎo)電情況等有關(guān)。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?cè)谶@個(gè)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行深入研究，依據(jù)熱擊穿的原理，建立了以磁流體動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)的電弧動(dòng)態(tài)模型。計(jì)算結(jié)果表明，根據(jù)這種電流重新分配原理建立的模型是與實(shí)際情況相符合的。尤其當(dāng)滅弧室外的溫度較高，殘余電流較大時(shí)，容易產(chǎn)生背后擊穿。這是與C.Fievet的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合的。在圖2中，1.92ms時(shí)電弧已經(jīng)進(jìn)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(duì)保持一個(gè)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(dǎo)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(chǎn)生背后擊穿。在2.16ms時(shí)電弧已經(jīng)退出了滅弧柵片。這說明，用熱擊穿是導(dǎo)致背后擊穿產(chǎn)生的一個(gè)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(duì)可能消除背后擊穿現(xiàn)象多種因素進(jìn)行了研究。

3.1 外加磁場(chǎng)的影響 

　　磁場(chǎng)可以加快電弧的運(yùn)動(dòng)速度，使它快速進(jìn)入滅弧室，減少在滅弧柵片前的停滯時(shí)間。實(shí)驗(yàn)中在滅弧室兩側(cè)夾兩塊導(dǎo)磁片，利用流過斷路器的電流產(chǎn)生外加吹弧磁場(chǎng)。外加2匝線圈，實(shí)驗(yàn)預(yù)期電流為2000A時(shí)，電弧電壓跌落比較嚴(yán)重。當(dāng)預(yù)期電流分別提高為3000A和4000A時(shí)，電弧電壓跌落次數(shù)減少，跌落幅度也降低。外加多匝線圈時(shí)，電弧電壓上升很快，電壓跌落現(xiàn)象仍然存在，但次數(shù)減少了。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，加大吹弧磁場(chǎng)后，電弧電壓跌落次數(shù)減少，但背后擊穿現(xiàn)象依然存在。

　　實(shí)驗(yàn)中得到的結(jié)果以3000A為例如表1所示。

表1 不同吹弧磁場(chǎng)下的開斷特性

3.2 氣流場(chǎng)的影響

　　氣流場(chǎng)對(duì)斷路器背后擊穿現(xiàn)象有非常直接的影響。因?yàn)椴涣嫉臍怏w流通會(huì)使熱氣流回流，同時(shí)由于使電弧在滅弧柵片前停滯更長的時(shí)間，在滅弧室前部易于形成背后擊穿的熱區(qū)域。根據(jù)研究，在柵片的后面加上絕緣隔弧板，這樣使滅弧室內(nèi)的熱氣流可以順利的排出，又不會(huì)飛弧。通過實(shí)驗(yàn)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(huì)逐漸降到一個(gè)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