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應(yīng)用設(shè)計(jì)

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低壓斷路器背后擊穿現(xiàn)象分析

低壓斷路器背后擊穿現(xiàn)象分析

 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(jìn)入滅弧室時(shí)所受的阻力較大,在柵片入口處停滯的時(shí)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(shí)間增長。1988年日本名古屋大學(xué)YoshiyukiIkuma等人首次用快速攝像機(jī)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(jìn)入相應(yīng)區(qū)域的結(jié)果。游離氣體的進(jìn)入和溫度的上升,使相應(yīng)區(qū)域的臨界電場強(qiáng)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(jìn)行了機(jī)理模擬研究。采用先進(jìn)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(shí)驗(yàn),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(shí)驗(yàn)證明,合理的氣體流動狀況有助于電弧快速進(jìn)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(jī)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(yùn)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(jìn)入滅弧室,直到熄弧。大量實(shí)驗(yàn)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(qiáng)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(dāng)電弧進(jìn)入滅弧室后,由于多個(gè)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(dāng)電弧已經(jīng)離開起弧處幾個(gè)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(qiáng)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]。

 

    我們在這個(gè)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行深入研究,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。計(jì)算結(jié)果表明,根據(jù)這種電流重新分配原理建立的模型是與實(shí)際情況相符合的。尤其當(dāng)滅弧室外的溫度較高,殘余電流較大時(shí),容易產(chǎn)生背后擊穿。這是與C.Fievet的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合的。在圖2中,1.92ms時(shí)電弧已經(jīng)進(jìn)入滅弧柵片,電弧電壓迅速上升,電弧的等效電阻則由于近極壓降相對保持一個(gè)較高的值,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,電流漸漸被此導(dǎo)電通道所分流,使這一區(qū)域的溫度迅速升高,電阻迅速減小,引起電弧電壓突降,產(chǎn)生背后擊穿。在2.16ms時(shí)電弧已經(jīng)退出了滅弧柵片。這說明,用熱擊穿是導(dǎo)致背后擊穿產(chǎn)生的一個(gè)原因。

 

3、消除背后擊穿現(xiàn)象的措施

 

    我們對可能消除背后擊穿現(xiàn)象多種因素進(jìn)行了研究。

 

    3.1外加磁場的影響

 

    磁場可以加快電弧的運(yùn)動速度,使它快速進(jìn)入滅弧室,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,利用流過斷路器的電流產(chǎn)生外加吹弧磁場。外加2匝線圈,實(shí)驗(yàn)預(yù)期電流為2000A時(shí),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),電弧電壓跌落次數(shù)減少,跌落幅度也降低。外加多匝線圈時(shí),電弧電壓上升很快,電壓跌落現(xiàn)象仍然存在,但次數(shù)減少了。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看,加大吹弧磁場后,電弧電壓跌落次數(shù)減少,但背后擊穿現(xiàn)象依然存在。

 

    3.2氣流場的影響

 

    氣流場對斷路器背后擊穿現(xiàn)象有非常直接的影響。因?yàn)椴涣嫉臍怏w流通會使熱氣流回流,同時(shí)由于使電弧在滅弧柵片前停滯更長的時(shí)間,在滅弧室前部易于形成背后擊穿的熱區(qū)域。根據(jù)研究,在柵片的后面加上絕緣隔弧板,這樣使滅弧室內(nèi)的熱氣流可以順利的排出,又不會飛弧。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在這種情況下,背后擊穿現(xiàn)象得到極大的限制,基本上消除了電壓的跌落。但電弧電壓會逐漸降到一個(gè)比較低的值,降低了開斷性能。因此,還需要采取其他的措施。滅弧室后部完全開放的開斷特性如圖3所示。

 

    為此,我們直接在滅弧室柵片間插入產(chǎn)氣絕緣材料,同時(shí)在滅弧室后部加上隔弧板,如圖4中所示。在電弧的高溫作用下,發(fā)出大量的絕緣物蒸氣,這樣由于限制了電弧弧根的擴(kuò)張,并借助絕緣物產(chǎn)生的蒸氣,使電弧弧根周圍壓力進(jìn)一步提高,控制了電極發(fā)射出的金屬蒸氣的噴流運(yùn)動方向。此外,絕緣物產(chǎn)生的氣體冷卻電弧弧柱,使電弧電阻上升,電弧電壓提高。

 

    采用這種窄縫滅弧室,即柵片與隔弧板相配合的混合式滅弧室。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)獲得的限流斷路器開斷電弧電壓電流波形圖,以及用二維光纖陣列電弧測試系統(tǒng)所觀察到的電弧運(yùn)動圖象都明顯看出,這種結(jié)構(gòu)完全抑制了背后擊穿的發(fā)生,并且一旦電弧進(jìn)入柵片滅弧室,則電弧電壓始終保持一個(gè)較高的值,燃弧時(shí)間以及允通能量都是最小的。新型的混合式滅弧系統(tǒng)的開斷特性如圖5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)行對比。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn),得出表2所示的對比結(jié)果。

 

4、結(jié)論

 

    低壓斷路器開斷時(shí)常有背后擊穿現(xiàn)象發(fā)生影響開斷性能。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(jìn)行了機(jī)理模擬研究。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),增大吹弧磁場可以在一定程度上抑制背后擊穿現(xiàn)象,滅弧室內(nèi)的氣流狀況對背后擊穿現(xiàn)象有直接的影響。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現(xiàn)象的消除。實(shí)驗(yàn)證明,柵片滅弧室與隔弧板相配合,加入絕緣產(chǎn)氣板,應(yīng)用于限流斷路器的新型滅弧系統(tǒng),不僅有效的抑制了背后擊穿現(xiàn)象的發(fā)生,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,有效的提高了限流斷路器的開斷性能。

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