低压断路器中触头区电弧停滞现象的研究

低压断路器中触头区电弧停滞现象的研究
摘要用二维光纤测试系统对开断过程中弧根的运动进行了观测，研究了多种因素对电弧运动及电弧停滞时间的影响，包括电极的极性对电弧停滞的影响；外加磁场对缩短电极的极性对电弧运动及电弧停滞时间的影响的作用；电极形状对电弧停滞的影响；阐明了电极特性与低压断路器开断特性的关系。
关键词低压断路器电弧弧根阴极阳极
1引言
低压断路器广泛用于工商业及民用中。在断路器开断过程中，首先脱扣机构动作，动触头和静触头分开产生电弧，经过停滞阶段，向前运动至灭弧栅片。当电弧进入栅片后，被分成的多个短弧的近极压降，使电弧电压迅速上升。一方面可以限制故障电流，另一方面限制故障能量，减少对电路及断路器的损坏。
大量实验证明，当触头打开产生电弧后，电弧并不是立刻离开触头，而是要停滞一定的时间。这段停滞延缓了限流，增加了触头的烧蚀。
从触头打开后，有一段时间电弧电压一直持续很低，这段时间与电弧的停滞时间是相对应的。本文定义这段从触头打开到电弧电压有明显上升之间的时间为电弧的停滞时间。只有将电弧的停滞时间减小到最小，才可能获得好的开断限流性能并使触头寿命延长。大量实验表明，一般弧柱是较容易移动的，而弧根则相对不易移动，因此，弧根成为电弧移动的制约因素。电弧横向运动时，阴极和阳极弧根的运动是不同的，阴极弧根的运动几乎是连续的，而阳极弧根的运动则成跳跃式运动［1］。近年来，研究人员已经作了不少在平行铜电极中电弧移动特性的研究工作。试验证明，电弧在阴极表面跨越间隙或台阶与其在阳极表面跨越间隙有着不同的特性。阴极弧根总是在电极表面连续运动，在遇到台阶时，它会爬到台阶的垂直部分。而阳极弧根可以跳过障碍［1］。
限流断路器模型及实验回路
2.1触头极性对电弧停滞时间的影响
通过对电弧运动的多次实验观测发现，电弧的停滞时间与动触头的极性有关。当动触头是阳极时，由于阳极弧根可以跳跃前进，因此电弧能够更快的运动到跑弧道上。而当动触头是阴极时，由于阴极弧根只能连续的运动，因此在触头上停滞的时间较长。
通过分别以动触头为阳极和阴极对比发现，动触头为阳极时，电压上升比动触头为阴极时要早。这说明电弧更早的脱离触头而上跑弧道。通过二维光纤电弧测试系统，我们获得两种不同情况下的电弧的运动图象所示。可看出：动触头为阳极时，电弧在停滞0.8ms时就移动到跑弧道上。而动触头为阴极时，电弧粘滞在引弧角，直到触头完全打开，这时，已经停滞了1ms以上。
动触头分别为阳极和阴极时电弧的运动
通过大量的实验，我们得到了两种情况下开断特性对比数据，如表所示。
表动触头为阴极和阳极时开断特性对比
动触头为阴极 动触头为阳极
电弧平均停滞时间/ms 0.93 0.75
平均燃弧时间/ms 5.8 5.6
我们可以看出，动触头为阳极时，由于电弧较快的转移到跑弧道，无论是电弧平均停滞时间还是燃弧平均时间都比动触头为阴极时有所缩短。
2.2外加磁场对电弧停滞时间的影响
一般的交流电器，开断时动触头的极性是随机的，因此，如果能够减小触头的极性对电弧停滞时间的影响，使触头在开断时无论动触头是阳极还是阴极，电弧都能尽快的离开触头，移动至跑弧道上，这对于提高开断性能是十分有益的。
为此，本文对断路器模型外加了磁场，通过实验发现：当外加磁场后，无论是以阳极为动触头还是以阴极为动触头，电弧的停滞时间都缩短了。不仅如此，以阳极为动触头与以阴极为动触头时电弧的停滞时间差距也缩短了，所示，原来相差大于1ms而现在小于0.7ms。因此，对于一般的交流电器，外加磁场后，无论是以阳极为动触头还是以阴极为动触头，电弧的停滞时间都缩短了，减小了触头的极性对电弧在触头上的停滞时间的影响，使触头在开断时无论动触头是阳极还是阴极，电弧都能够尽快的离开触头，移动至跑弧道上。
外加磁场对电弧停滞时间的影响
2.3触头的形状对电弧停滞时间的影响
本文对矩形、尖形、半圆形触头进行实验，通过多次实验发现，不同形状的触头，电弧停滞时间是不同的，所示。若触头是矩形，则动触头为阴极时电弧的滞留时间较长；若触头是尖形，则动触头为阴极时与动触头为阳极时电弧的滞留时间差别不大；若触头是半圆形，则动触头为阴极时电弧停滞时间最短，动触头为阳极时电弧停滞时间较长。从实验结果也可以看出，对于动触头为阴极时电弧运动有利的形状往往对动触头为阳极时电弧运动并不一定有利。
触头形状对电弧停滞时间的影响
3结论
本文用二维光纤测试系统对开断过程中弧根的运动进行观测，研究了电极的极性对电弧停滞时间的影响。实验证明如下。
(1)改变动触头的极性影响电弧的停滞时间。当动触头是阴极时，电弧将停留在动触头上，到动触头完全打开后才运动到跑弧道上；当动触头是阳极时，电弧将较快的移动到跑弧道上，电弧停滞时间比动触头是阴极时短。通过对动触头为阳极和阴极时的开断过程中电弧的运动观察证明了电极与限流断路器开断特性的关系。
(2)外加横向磁场有利于电弧滞留时间的缩短，而且对于不同极性的动静触头，当外加上横向磁场时，有助于缩短不同极性电弧停滞时间上的差距。
(3)不同的触头形状对电弧的滞留时间有影响，一般动触头为阴极时电弧的滞留时间要长于动触头为阳极时，但当动触头形状为尖形时，动触头为阴极时与动触头为阳极时电弧的滞留时间基本上一样。从实验结果也可以看出，对于动触头为阳极时电弧运动有利的形状往往对动触头为阴极时电弧运动并不有利。在实际的应用中应该适当考虑。
国家自然科学基金资助项目。
陈旭（西安交通大学710049）
魏强（西安交通大学710049）