低壓限流斷路器背后擊穿現象的數值模擬研究

低壓限流斷路器背后擊穿現象的數值模擬研究
摘　要：低壓限流斷路器是廣泛應用于工業與民用的低壓電器。它采用多個柵片的滅弧室，利用近極壓降將進入到滅弧室中的電弧電壓提升到一個較高的值，從而在開斷電路的同時還起到對短路電流的限制。但目前發現在開斷過程中電弧反復進出滅弧柵片的背后擊穿現象引起電弧電壓的突降，降低了開斷性能。根據實際開斷物理過程，建立了以熱擊穿為主的背后擊穿物理模型，運用氣流場，結合熱場、磁場與電流分布，計算模擬了低壓限流斷路器在開斷過程中電弧運動狀況與背后擊穿現象。關鍵詞：斷路器； 電弧； 背后擊穿分類號：TM561.1　文獻標識碼：A文章編號：0258-8013 (2000) 03-0016-05
斷路器中的開斷電弧滿足下列方程。
質量連接方程
式中　為密度；v＝vxi＋vy j。
動量守恒方程
式中　v為速度；F為質量力 F＝Fxi＋Fy j；P為壓力。
能量方程
F＝IB
斷路器中每個小單元區域的電阻是
式中　L為電感；i為電流；R為電弧電阻；U0為振蕩回路中電容的初始電壓；C為電容。
LC電路的預期電流是3000A，頻率是50Hz。當斷路器開斷后產生電弧，電弧與周圍的熱氣體有較大的溫差，根據它們的電導不同，電流主要是從電弧流過。電弧在流過電弧的強大短路電流與磁場的作用下，一方面進行熱交換，通過熱傳導、對流及輻射多種方式進行能量傳送，進行自身的膨脹以及加熱周圍的氣體，另一方面，在磁場力的作用下向前運動。在這個過程中，斷路器內的溫度、壓力的分布以及電弧的參數都發生了變化，這些參數的變化對電弧的運動及氣流變化起作用， 后電弧在氣流與磁場力的綜合作用下向前運動。
電弧的整個能量過程所示。
電弧能量過程
3　計算結果
表1　計算結果與實驗結果的對比
模型所計算模擬的電弧背后擊穿現象
4　結論
低壓限流斷路器在開斷時會出現背后擊穿現象，導致電弧電壓的突降，影響了其開斷性能。實驗證明，它與相應區域溫度上升，臨界電場強度降低以及剩余電流的存在等有關。本文通過對背后擊穿的分析，依據熱擊穿的原理，建立了以磁流體動力學為基礎的低壓電器開關電弧動態模型。結合氣流場、熱場與磁場以及電流的分布對限流斷路器進行數值計算，結果證明本模型很好地模擬了在限流斷路器中的背后擊穿現象與實際開斷中背后擊穿中的電弧電壓跌落基本符合，為今后在低壓斷路器中開斷特性的計算機數值分析，背后擊穿現象的理論研究提供了新的思路。
基金項目：國家自然科學基金資助項目(59777009)及西安交通大學博士學位論文基金資助項目。作者簡介：陳旭(1975-)，男，博士研究生，從事電器CAD，可視化仿真，智能化電器的研究
陳德桂(1933-),男，1955年畢業于上海交通大學電機系，1983年至于1984年曾去英
國利物浦大學留學，教授，博士生導師，中國電工技術學會理事、低壓電器專委會
主任，IEEE高級會員。作者單位：陳旭（西安交通大學電器教研室，陜西省　西安市　710049）
陳德桂（西安交通大學電器教研室，陜西省　西安市　710049）