低壓斷路器背后擊穿現(xiàn)象分析

　　低壓斷路器開斷時常有背后擊穿現(xiàn)象發(fā)生影響開斷性能。

    摘要：本文通過對背后擊穿的分析，依據(jù)熱擊穿的原理，建立了以磁流體動力學(xué)為基礎(chǔ)的電弧動態(tài)模型，對背后擊穿現(xiàn)象進行了機理模擬研究。

    關(guān)鍵詞：擊穿現(xiàn)象斷路器配電系統(tǒng)

    1引言

    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，電弧在進入滅弧室時所受的阻力較大，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，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，使燃弧時間增長。1988年日本名古屋大學(xué)YoshiyukiIkuma等人首次用快速攝像機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入相應(yīng)區(qū)域的結(jié)果。游離氣體的進入和溫度的上升，使相應(yīng)區(qū)域的臨界電場強度降低，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，會以熱擊穿的形式導(dǎo)致背后擊穿［1］。德國的ManfredLindmayer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。

    通過對背后擊穿的分析，依據(jù)熱擊穿的原理，建立了以磁流體動力學(xué)為基礎(chǔ)的電弧動態(tài)模型，對背后擊穿現(xiàn)象進行了機理模擬研究。采用先進的高速光學(xué)測試設(shè)備及多通道示波器，對低壓斷路器模型作了大量的實驗，發(fā)現(xiàn)電磁場對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)，形成不同氣體流動狀況。實驗證明，合理的氣體流動狀況有助于電弧快速進入滅弧室，使電弧電壓迅速上升，對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)象機理的研究分析

    近年來，人們通過現(xiàn)代測試技術(shù)發(fā)現(xiàn)了低壓斷路器開斷中電弧運動的不穩(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入滅弧室，直到熄弧。大量實驗都發(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，臨界場強減小，易于造成背后擊穿的發(fā)生。

    法國的C.Fievet等人發(fā)現(xiàn)［1］，當電弧進入滅弧室后，由于多個短弧的近極壓降，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線圈對電流的測量，發(fā)現(xiàn)當電弧已經(jīng)離開起弧處幾個毫秒之后，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、臨界電場強度及導(dǎo)電情況等有關(guān)。德國的ManfredLindmayer教授初步提出了一種基于熱擊穿的背后擊穿模型［2］?。