低压断路器开断过程中背后击穿ˇˇ的研究

低压断路器开断过程中背后击穿ˇˇ的研究
摘　要ˇ依据热击穿原理建立了电弧动态模型ˇ对背后击穿ˇˇ进行模拟研究ˇ分析了各种因素对背后击穿ˇˇ的影ˇˇ提出了一种可ˇ除背后击穿ˇˇ的新型混合式灭弧系统。
关键词ˇ低压断路器　背后击穿　电弧 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ˇ断路器灭弧室的栅片排列紧密。这样ˇ电弧在进入灭弧室时所受的阻力较大ˇ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ˇ电弧在栅片入口处多次出ˇ在栅片内与栅片外ˇ导致电弧电压的反复跌落ˇ这就是背后击穿ˇˇ。它降低断路器的开断性能ˇ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ˇ机观察到这种电弧背后击穿ˇˇ。他们还采用微波穿透技术发ˇ在低压断路器开断过程中ˇ电弧电压发生突降前ˇ触头间隙都出ˇ温度的上升ˇ这是由于电弧的热气流经过灭弧室的后壁的反射进入ˇ应区域的结果。游离气体的进入和温度的上升ˇ使ˇ应区域的临界电场强度降低ˇ这是造成背后击穿的原因之一。法国的C.Fievet等人也发ˇˇ在电弧经过的区域温度还较高ˇ存在有剩余电流ˇ会以热击穿的形式导致背后击穿ˇ1ˇ。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ˇ2ˇ。为背后击穿的典型波形。
背后击穿的典型波形
由此ˇ说明背后击穿ˇˇ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ˇ2ˇˇ。
我们在这个模型的基础上进行深入研究ˇ依据热击穿的原理ˇ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ˇ根据这种电流重新分配原理建立的模型是与实际情况ˇ符合的。尤其当灭弧室外的温度较高ˇ残余电流较大时ˇ容易产生背后击穿。这是与C.Fievet的实验结果ˇ符合的。在中ˇ1.92ms时电弧已经进入灭弧栅片ˇ电弧电压迅速上升ˇ电弧的等效电阻则由于近极压降ˇ对保持一个较高的值ˇ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ˇ电流渐渐被此导电通道所分流ˇ使这一区域的温度迅速升高ˇ电阻迅速减小ˇ引起电弧电压突降ˇ产生背后击穿。在2.16ms时电弧已经退出了灭弧栅片。这说明ˇ用热击穿是导致背后击穿产生的一个原因。
模拟的电弧背后击穿ˇˇ
3 ˇ除背后击穿ˇˇ的措施
我们对可能ˇ除背后击穿ˇˇ多种因素进行了研究。 3.1 外加磁场的影ˇ
磁场可以加快电弧的运动速度ˇ使它快速进入灭弧室ˇ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ˇ利用流过断路器的电流产生外加吹弧磁场。外加2匝ˇ圈ˇ实验预期电流为2000A时ˇ电弧电压跌落比较严重。当预期电流分别提高为3000A和4000A时ˇ电弧电压跌落次数减少ˇ跌落幅度也降低。外加多匝ˇ圈时ˇ电弧电压上升很快ˇ电压跌落ˇˇ仍然存在ˇ但次数减少了。从实验结果看ˇ加大吹弧磁场后ˇ电弧电压跌落次数减少ˇ但背后击穿ˇˇ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
ˇ圈匝数
平均背后击穿次数
平均燃弧时间/ms
2
3.7
6.2
4
3.1
6.0
6
2.7
5.9
3.2 气流场的影ˇ
气流场对断路器背后击穿ˇˇ有非常直接的影ˇ。因为不良的气体流通会使热气流回流ˇ同时由于使电弧在灭弧栅片前停滞更长的时间ˇ在灭弧室前部易于形成背后击穿的热区域。根据研究ˇ在栅片的后面加上绝缘隔弧板ˇ这样使灭弧室内的热气流可以顺利的排出ˇ又不会飞弧。通过实验发ˇˇ在这种情况下ˇ背后击穿ˇˇ得到极大的ˇ制ˇ基本上ˇ除了电压的跌落。但电弧电压会逐渐降到一个比较低的值ˇ降低了开断性能。因此ˇ还需要采取其他的措施。灭弧室后部完全开放的开断特性所示。
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ˇ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
结构
平均燃弧时间/ms
平均背后击穿的次数
A
6.2
3～4
B
5.9
0～1
C
5.7
0
D
5.0
0
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ˇ所示
D新型的混合式灭弧系统的开断特性ˇ所示
从上面的实验结果可以看出ˇ新型的灭弧系统ˇ除了背后击穿ˇˇˇ减少了燃弧时间ˇ大大提高了低压ˇ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ˇˇ发生影ˇ开断性能。本文通过对背后击穿的分析ˇ依据热击穿的原理ˇ建立了以磁流体动力学为基础的电弧动态模型ˇ对背后击穿ˇˇ进行了机理模拟研究。通过实验发ˇˇ增大吹弧磁场可以在一定程度上抑制背后击穿ˇˇˇ灭弧室内的气流状况对背后击穿ˇˇ有直接的影ˇ。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ˇˇ的ˇ除。实验证明ˇ栅片灭弧室与隔弧板ˇ配合ˇ加入绝缘产气板ˇ应用于ˇ流断路器的新型灭弧系统ˇ不仅有效的抑制了背后击穿ˇˇ的发生ˇ而且进入灭弧室的电弧始终具有平稳的较高的电弧电压ˇ有效的提高了ˇ流断路器的开断性能。 作者单位ˇ陈旭ˇ西安交通大学 710049ˇ
魏强ˇ西安交通大学 710049ˇ
陈德桂ˇ西安交通大学 710049ˇ 参考文ˇ
ˇ1ˇ 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
ˇ2ˇ Manferd Lindmayer.Simulation of stationary current-voltage characteristics and of back-commutation in rectangular arc channels.
ˇ3ˇ Niemeyer L.Evaporation dominated high current arcs in narrow channels,IEEE Trans.on Plasma Science,1978,97(3)
ˇ4ˇ 袁海文.低压ˇ流断路器中电弧运动及其二维光纤阵列数字化测试系统的研究ˇˇ博士学位论文ˇ.西安交通大学ˇ1997