低壓斷路器開斷過程中背后擊穿ˇˇ的研究

低壓斷路器開斷過程中背后擊穿ˇˇ的研究
摘　要ˇ依據熱擊穿原理建立了電弧動態模型ˇ對背后擊穿ˇˇ進行模擬研究ˇ分析了各種因素對背后擊穿ˇˇ的影ˇˇ提出了一種可ˇ除背后擊穿ˇˇ的新型混合式滅弧系統。
關鍵詞ˇ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中應用 為普遍的電器產品之一。為了獲得較高的電弧電壓ˇ斷路器滅弧室的柵片排列緊密。這樣ˇ電弧在進入滅弧室時所受的阻力較大ˇ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ˇ電弧在柵片入口處多次出ˇ在柵片內與柵片外ˇ導致電弧電壓的反復跌落ˇ這就是背后擊穿ˇˇ。它降低斷路器的開斷性能ˇ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ˇ機觀察到這種電弧背后擊穿ˇˇ。他們還采用微波穿透技術發ˇ在低壓斷路器開斷過程中ˇ電弧電壓發生突降前ˇ觸頭間隙都出ˇ溫度的上升ˇ這是由于電弧的熱氣流經過滅弧室的后壁的反射進入ˇ應區域的結果。游離氣體的進入和溫度的上升ˇ使ˇ應區域的臨界電場強度降低ˇ這是造成背后擊穿的原因之一。法國的C.Fievet等人也發ˇˇ在電弧經過的區域溫度還較高ˇ存在有剩余電流ˇ會以熱擊穿的形式導致背后擊穿ˇ1ˇ。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ˇ2ˇ。為背后擊穿的典型波形。
背后擊穿的典型波形
由此ˇ說明背后擊穿ˇˇ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ˇ2ˇˇ。
我們在這個模型的基礎上進行深入研究ˇ依據熱擊穿的原理ˇ建立了以磁流體動力學為基礎的電弧動態模型。計算結果表明ˇ根據這種電流重新分配原理建立的模型是與實際情況ˇ符合的。尤其當滅弧室外的溫度較高ˇ殘余電流較大時ˇ容易產生背后擊穿。這是與C.Fievet的實驗結果ˇ符合的。在中ˇ1.92ms時電弧已經進入滅弧柵片ˇ電弧電壓迅速上升ˇ電弧的等效電阻則由于近極壓降ˇ對保持一個較高的值ˇ而背后擊穿區域電阻則不斷下降。隨著背后擊穿區域的電阻逐漸減少ˇ電流漸漸被此導電通道所分流ˇ使這一區域的溫度迅速升高ˇ電阻迅速減小ˇ引起電弧電壓突降ˇ產生背后擊穿。在2.16ms時電弧已經退出了滅弧柵片。這說明ˇ用熱擊穿是導致背后擊穿產生的一個原因。
模擬的電弧背后擊穿ˇˇ
3 ˇ除背后擊穿ˇˇ的措施
我們對可能ˇ除背后擊穿ˇˇ多種因素進行了研究。 3.1 外加磁場的影ˇ
磁場可以加快電弧的運動速度ˇ使它快速進入滅弧室ˇ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ˇ利用流過斷路器的電流產生外加吹弧磁場。外加2匝ˇ圈ˇ實驗預期電流為2000A時ˇ電弧電壓跌落比較嚴重。當預期電流分別提高為3000A和4000A時ˇ電弧電壓跌落次數減少ˇ跌落幅度也降低。外加多匝ˇ圈時ˇ電弧電壓上升很快ˇ電壓跌落ˇˇ仍然存在ˇ但次數減少了。從實驗結果看ˇ加大吹弧磁場后ˇ電弧電壓跌落次數減少ˇ但背后擊穿ˇˇ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
ˇ圈匝數
平均背后擊穿次數
平均燃弧時間/ms
2
3.7
6.2
4
3.1
6.0
6
2.7
5.9
3.2 氣流場的影ˇ
氣流場對斷路器背后擊穿ˇˇ有非常直接的影ˇ。因為不良的氣體流通會使熱氣流回流ˇ同時由于使電弧在滅弧柵片前停滯更長的時間ˇ在滅弧室前部易于形成背后擊穿的熱區域。根據研究ˇ在柵片的后面加上絕緣隔弧板ˇ這樣使滅弧室內的熱氣流可以順利的排出ˇ又不會飛弧。通過實驗發ˇˇ在這種情況下ˇ背后擊穿ˇˇ得到極大的ˇ制ˇ基本上ˇ除了電壓的跌落。但電弧電壓會逐漸降到一個比較低的值ˇ降低了開斷性能。因此ˇ還需要采取其他的措施。滅弧室后部完全開放的開斷特性所示。
我們還將這種新型的滅弧系統與原有的幾種滅弧系統進行對比。經多次實驗ˇ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
結構
平均燃弧時間/ms
平均背后擊穿的次數
A
6.2
3～4
B
5.9
0～1
C
5.7
0
D
5.0
0
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ˇ所示
D新型的混合式滅弧系統的開斷特性ˇ所示
從上面的實驗結果可以看出ˇ新型的滅弧系統ˇ除了背后擊穿ˇˇˇ減少了燃弧時間ˇ大大提高了低壓ˇ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ˇˇ發生影ˇ開斷性能。本文通過對背后擊穿的分析ˇ依據熱擊穿的原理ˇ建立了以磁流體動力學為基礎的電弧動態模型ˇ對背后擊穿ˇˇ進行了機理模擬研究。通過實驗發ˇˇ增大吹弧磁場可以在一定程度上抑制背后擊穿ˇˇˇ滅弧室內的氣流狀況對背后擊穿ˇˇ有直接的影ˇ。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ˇˇ的ˇ除。實驗證明ˇ柵片滅弧室與隔弧板ˇ配合ˇ加入絕緣產氣板ˇ應用于ˇ流斷路器的新型滅弧系統ˇ不僅有效的抑制了背后擊穿ˇˇ的發生ˇ而且進入滅弧室的電弧始終具有平穩的較高的電弧電壓ˇ有效的提高了ˇ流斷路器的開斷性能。 作者單位ˇ陳旭ˇ西安交通大學 710049ˇ
魏強ˇ西安交通大學 710049ˇ
陳德桂ˇ西安交通大學 710049ˇ 參考文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.低壓ˇ流斷路器中電弧運動及其二維光纖陣列數字化測試系統的研究ˇˇ博士學位論文ˇ.西安交通大學ˇ1997