低压断路器开断过程中背后击穿现象的研究

　　1 引言

　　低压断路器是低压配电系统中应用最为普遍的电器产品之一。为了获得较高的电弧电压，断路器灭弧室的栅片排列紧密。这样，电弧在进入灭弧室时所受的阻力较大，在栅片入口处停滞的时间也较长。近年来对低压断路器的研究表明，电弧在栅片入口处多次出现在栅片内与栅片外，导致电弧电压的反复跌落，这就是背后击穿现象。它降低断路器的开断性能，使燃弧时间增长。1988年日本名古屋大学Yoshiyuki Ikuma等人首次用快速摄像机观察到这种电弧背后击穿现象。他们还采用微波穿透技术发现在低压断路器开断过程中，电弧电压发生突降前，触头间隙都出现温度的上升，这是由于电弧的热气流经过灭弧室的后壁的反射进入相应区域的结果。游离气体的进入和温度的上升，使相应区域的临界电场强度降低，这是造成背后击穿的原因之一。法国的等人也发现，在电弧经过的区域温度还较高，存在有剩余电流，会以热击穿的形式导致背后击穿［1］。德国的Manfred Lindmayer教授初步提出了一种基于热击穿的背后击穿模型［2］。图1为背后击穿的典型波形。

　　

　　图1 背后击穿的典型波形

　　通过对背后击穿的分析，依据热击穿的原理，建立了以磁流体动力学为基础的电弧动态模型，对背后击穿现象进行了机理模拟研究。采用先进的高速光学测试设备及多通道示波器，对低压断路器模型作了大量的实验，发现电磁场对低压断路器中的背后击穿现象有抑制作用。通过改变灭弧室前的跑弧区的结构，形成不同气体流动状况。实验证明，合理的气体流动状况有助于电弧快速进入灭弧室，使电弧电压迅速上升，对背后击穿有抑制甚至消除作用，改善了限流器的开断特性。据此提出了一种新型可消除背后击穿现象的灭弧室结构。

　　2 背后击穿现象机理的研究分析

　　近年来，人们通过现代测试技术发现了低压断路器开断中电弧运动的不稳定性，在熄弧过程中电弧在灭弧室内外多次转移，导致电弧电压跌落，即背后击穿现象。重燃后的电弧多次进入灭弧室，直到熄弧。大量实验都发现低压断路器开断过程中，在背后击穿现象发生前，在栅片灭弧室外都出现温度的上升。这是由于电弧的热气流经过灭弧室后壁的反射产生回流，相应区域的电导增大，临界场强减小，易于造成背后击穿的发生。

　　法国的等人发现［1］，当电弧进入灭弧室后，由于多个短弧的近极压降，以及栅片外热气体电导较大，内外电流在断路器灭弧室内外重新分配。通过用Rogowski线圈对电流的测量，发现当电弧已经离开起弧处几个毫秒之后，电弧初始区域仍然有几安培的电流。

　　由此，说明背后击穿现象与灭弧室外气体温度、临界电场强度及导电情况等有关。德国的Manfred Lindmayer教授初步提出了一种基于热击穿的背后击穿模型［2］。

　　我们在这个模型的基础上进行深入研究，依据热击穿的原理，建立了以磁流体动力学为基础的电弧动态模型。计算结果表明，根据这种电流重新分配原理建立的模型是与实际情况相符合的。尤其当灭弧室外的温度较高，残余电流较大时，容易产生背后击穿。这是与的实验结果相符合的。在图2中，1.92ms时电弧已经进入灭弧栅片，电弧电压迅速上升，电弧的等效电阻则由于近极压降相对保持一个较高的值，而背后击穿区域电阻则不断下降。随着背后击穿区域的电阻逐渐减少，电流渐渐被此导电通道所分流，使这一区域的温度迅速升高，电阻迅速减小，引起电弧电压突降，产生背后击穿。在2.16ms时电弧已经退出了灭弧栅片。这说明，用热击穿是导致背后击穿产生的一个原因。

　　

　　图2 模拟的电弧背后击穿现象

　　3 消除背后击穿现象的措施

　　我们对可能消除背后击穿现象多种因素进行了研究。

　　3.1 外加磁场的影响

　　磁场可以加快电弧的运动速度，使它快速进入灭弧室，减少在灭弧栅片前的停滞时间。实验中在灭弧室两侧夹两块导磁片，利用流过断路器的电流产生外加吹弧磁场。外加2匝线圈，实验预期电流为2000A时，电弧电压跌落比较严重。当预期电流分别提高为3000A和4000A时，电弧电压跌落次数减少，跌落幅度也降低。外加多匝线圈时，电弧电压上升很快，电压跌落现象仍然存在，但次数减少了。从实验结果看，加大吹弧磁场后，电弧电压跌落次数减少，但背后击穿现象依然存在。

　　实验中得到的结果以3000A为例如表1所示。

　　表1 不同吹弧磁场下的开断特性

　　

　　3.2 气流场的影响

　　气流场对断路器背后击穿现象有非常直接的影响。因为不良的气体流通会使热气流回流，同时由于使电弧在灭弧栅片前停滞更长的时间，在灭弧室前部易于形成背后击穿的热区域。根据研究，在栅片的后面加上绝缘隔弧板，这样使灭弧室内的热气流可以顺利的排出，又不会飞弧。通过实验发现，在这种情况下，背后击穿现象得到极大的限制，基本上消除了电压的跌落。但电弧电压会逐渐降到一个比较低的值，降低了开断性能。因此，还需要采取其他的措施。灭弧室后部完全开放的开断特性如图3所示。

　　

　　图3 灭弧室后部完全开放的开断特性

　　为此，我们直接在灭弧室栅片间插入产气绝缘材料，同时在灭弧室后部加上隔弧板，如图4中所示。在电弧的高温作用下，发出大量的绝缘物蒸气，这样由于限制了电弧弧根的扩张，并借助绝缘物产生的蒸气，使电弧弧根周围压力进一步提高，控制了电极发射出的金属蒸气的喷流运动方向。此外，绝缘物产生的气体冷却电弧弧柱，使电弧电阻上升，电弧电压提高。 来源:

　　

　　图4 新型的混合式灭弧系统

　　采用这种窄缝灭弧室，即栅片与隔弧板相配合的混合式灭弧室。经多次实验获得的限流断路器开断电弧电压电流波形图，以及用二维光纤阵列电弧测试系统所观察到的电弧运动图象都明显看出，这种结构完全抑制了背后击穿的发生，并且一旦电弧进入栅片灭弧室，则电弧电压始终保持一个较高的值，燃弧时间以及允通能量都是最小的。新型的混合式灭弧系统的开断特性如图5所示。

　　

　　图5 新型的混合式灭弧系统的开断特性

　　我们还将这种新型的灭弧系统与原有的几种灭弧系统进行对比。经多次实验，得出表2所示的对比结果。

　　表2 多种灭弧室开断特性的对比

　　

　　A——一般情况的开断特性

　　B——采用窄缝与栅片配合时的开断特性

　　C——单独采用隔弧板的开断特性，如图3所示

　　D——新型的混合式灭弧系统的开断特性，如图5所示

　　从上面的实验结果可以看出，新型的灭弧系统消除了背后击穿现象，减少了燃弧时间，大大提高了低压限流断路器的开断性能。

　　4 结论

　　低压断路器开断时常有背后击穿现象发生影响开断性能。本文通过对背后击穿的分析，依据热击穿的原理，建立了以磁流体动力学为基础的电弧动态模型，对背后击穿现象进行了机理模拟研究。通过实验发现，增大吹弧磁场可以在一定程度上抑制背后击穿现象，灭弧室内的气流状况对背后击穿现象有直接的影响。改善热气流的回流以及在灭弧室内的滞留有利于背后击穿现象的消除。实验证明，栅片灭弧室与隔弧板相配合，加入绝缘产气板，应用于限流断路器的新型灭弧系统，不仅有效的抑制了背后击穿现象的发生，而且进入灭弧室的电弧始终具有平稳的较高的电弧电压，有效的提高了限流断路器的开断性能。