低壓斷路器開(kāi)斷過(guò)程中背后擊穿ˇˇ的研究

低壓斷路器開(kāi)斷過(guò)程中背后擊穿ˇˇ的研究
摘　要ˇ依據(jù)熱擊穿原理建立了電弧動(dòng)態(tài)模型ˇ對(duì)背后擊穿ˇˇ進(jìn)行模擬研究ˇ分析了各種因素對(duì)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(tǒng)。
關(guān)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(tǒng)中應(yīng)用 為普遍的電器產(chǎn)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(jìn)入滅弧室時(shí)所受的阻力較大ˇ在柵片入口處停滯的時(shí)間也較長(zhǎng)。近年來(lái)對(duì)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(nèi)與柵片外ˇ導(dǎo)致電弧電壓的反復(fù)跌落ˇ這就是背后擊穿ˇˇ。它降低斷路器的開(kāi)斷性能ˇ使燃弧時(shí)間增長(zhǎng)。1988年日本名古屋大學(xué)Yoshiyuki Ikuma等人首次用快速攝ˇ機(jī)觀察到這種電弧背后擊穿ˇˇ。他們還采用微波穿透技術(shù)發(fā)ˇ在低壓斷路器開(kāi)斷過(guò)程中ˇ電弧電壓發(fā)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(jīng)過(guò)滅弧室的后壁的反射進(jìn)入ˇ應(yīng)區(qū)域的結(jié)果。游離氣體的進(jìn)入和溫度的上升ˇ使ˇ應(yīng)區(qū)域的臨界電場(chǎng)強(qiáng)度降低ˇ這是造成背后擊穿的原因之一。法國(guó)的C.Fievet等人也發(fā)ˇˇ在電弧經(jīng)過(guò)的區(qū)域溫度還較高ˇ存在有剩余電流ˇ會(huì)以熱擊穿的形式導(dǎo)致背后擊穿ˇ1ˇ。德國(guó)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(shuō)明背后擊穿ˇˇ與滅弧室外氣體溫度、臨界電場(chǎng)強(qiáng)度及導(dǎo)電情況等有關(guān)。德國(guó)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?cè)谶@個(gè)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行深入研究ˇ依據(jù)熱擊穿的原理ˇ建立了以磁流體動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)的電弧動(dòng)態(tài)模型。計(jì)算結(jié)果表明ˇ根據(jù)這種電流重新分配原理建立的模型是與實(shí)際情況ˇ符合的。尤其當(dāng)滅弧室外的溫度較高ˇ殘余電流較大時(shí)ˇ容易產(chǎn)生背后擊穿。這是與C.Fievet的實(shí)驗(yàn)結(jié)果ˇ符合的。在中ˇ1.92ms時(shí)電弧已經(jīng)進(jìn)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(duì)保持一個(gè)較高的值ˇ而背后擊穿區(qū)域電阻則不斷下降。隨著背后擊穿區(qū)域的電阻逐漸減少ˇ電流漸漸被此導(dǎo)電通道所分流ˇ使這一區(qū)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(chǎn)生背后擊穿。在2.16ms時(shí)電弧已經(jīng)退出了滅弧柵片。這說(shuō)明ˇ用熱擊穿是導(dǎo)致背后擊穿產(chǎn)生的一個(gè)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(duì)可能ˇ除背后擊穿ˇˇ多種因素進(jìn)行了研究。 3.1 外加磁場(chǎng)的影ˇ
磁場(chǎng)可以加快電弧的運(yùn)動(dòng)速度ˇ使它快速進(jìn)入滅弧室ˇ減少在滅弧柵片前的停滯時(shí)間。實(shí)驗(yàn)中在滅弧室兩側(cè)夾兩塊導(dǎo)磁片ˇ利用流過(guò)斷路器的電流產(chǎn)生外加吹弧磁場(chǎng)。外加2匝ˇ圈ˇ實(shí)驗(yàn)預(yù)期電流為2000A時(shí)ˇ電弧電壓跌落比較嚴(yán)重。當(dāng)預(yù)期電流分別提高為3000A和4000A時(shí)ˇ電弧電壓跌落次數(shù)減少ˇ跌落幅度也降低。外加多匝ˇ圈時(shí)ˇ電弧電壓上升很快ˇ電壓跌落ˇˇ仍然存在ˇ但次數(shù)減少了。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看ˇ加大吹弧磁場(chǎng)后ˇ電弧電壓跌落次數(shù)減少ˇ但背后擊穿ˇˇ依然存在。
實(shí)驗(yàn)中得到的結(jié)果以3000A為例如表1所示。 表1 不同吹弧磁場(chǎng)下的開(kāi)斷特性
ˇ圈匝數(shù)
平均背后擊穿次數(shù)
平均燃弧時(shí)間/ms
2
3.7
6.2
4
3.1
6.0
6
2.7
5.9
3.2 氣流場(chǎng)的影ˇ
氣流場(chǎng)對(duì)斷路器背后擊穿ˇˇ有非常直接的影ˇ。因?yàn)椴涣嫉臍怏w流通會(huì)使熱氣流回流ˇ同時(shí)由于使電弧在滅弧柵片前停滯更長(zhǎng)的時(shí)間ˇ在滅弧室前部易于形成背后擊穿的熱區(qū)域。根據(jù)研究ˇ在柵片的后面加上絕緣隔弧板ˇ這樣使滅弧室內(nèi)的熱氣流可以順利的排出ˇ又不會(huì)飛弧。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)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(huì)逐漸降到一個(gè)比較低的值ˇ降低了開(kāi)斷性能。因此ˇ還需要采取其他的措施。滅弧室后部完全開(kāi)放的開(kāi)斷特性所示。
我們還將這種新型的滅弧系統(tǒng)與原有的幾種滅弧系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)ˇ得出表2所示的對(duì)比結(jié)果。 表2 多種滅弧室開(kāi)斷特性的對(duì)比
結(jié)構(gòu)
平均燃弧時(shí)間/ms
平均背后擊穿的次數(shù)
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(kāi)斷特性
B采用窄縫與柵片配合時(shí)的開(kāi)斷特性
C單獨(dú)采用隔弧板的開(kāi)斷特性ˇ所示
D新型的混合式滅弧系統(tǒng)的開(kāi)斷特性ˇ所示
從上面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出ˇ新型的滅弧系統(tǒng)ˇ除了背后擊穿ˇˇˇ減少了燃弧時(shí)間ˇ大大提高了低壓ˇ流斷路器的開(kāi)斷性能。 4 結(jié)論
低壓斷路器開(kāi)斷時(shí)常有背后擊穿ˇˇ發(fā)生影ˇ開(kāi)斷性能。本文通過(guò)對(duì)背后擊穿的分析ˇ依據(jù)熱擊穿的原理ˇ建立了以磁流體動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)的電弧動(dòng)態(tài)模型ˇ對(duì)背后擊穿ˇˇ進(jìn)行了機(jī)理模擬研究。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)ˇˇ增大吹弧磁場(chǎng)可以在一定程度上抑制背后擊穿ˇˇˇ滅弧室內(nèi)的氣流狀況對(duì)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(nèi)的滯留有利于背后擊穿ˇˇ的ˇ除。實(shí)驗(yàn)證明ˇ柵片滅弧室與隔弧板ˇ配合ˇ加入絕緣產(chǎn)氣板ˇ應(yīng)用于ˇ流斷路器的新型滅弧系統(tǒng)ˇ不僅有效的抑制了背后擊穿ˇˇ的發(fā)生ˇ而且進(jìn)入滅弧室的電弧始終具有平穩(wěn)的較高的電弧電壓ˇ有效的提高了ˇ流斷路器的開(kāi)斷性能。 作者單位ˇ陳旭ˇ西安交通大學(xué) 710049ˇ
魏強(qiáng)ˇ西安交通大學(xué) 710049ˇ
陳德桂ˇ西安交通大學(xué) 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(yùn)動(dòng)及其二維光纖陣列數(shù)字化測(cè)試系統(tǒng)的研究ˇˇ博士學(xué)位論文ˇ.西安交通大學(xué)ˇ1997