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(zhǎng)。近年來(lái)對(duì)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(kāi)斷性能,，使燃弧時(shí)間增長(zhǎng)。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(kāi)斷過(guò)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(guò)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(chǎng)強(qiáng)度降低,，這是造成背后擊穿的原因之一,。法國(guó)的C.Fievet等人也發(fā)現(xiàn)，在電弧經(jīng)過(guò)的區(qū)域溫度還較高,，存在有剩余電流,，會(huì)以熱擊穿的形式導(dǎo)致背后擊穿

　　通過(guò)對(duì)背后擊穿的分析，依據(jù)熱擊穿的原理,，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,，對(duì)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(cè)試設(shè)備及多通道示波器,，對(duì)低壓斷路器模型作了大量的實(shí)驗(yàn),，發(fā)現(xiàn)電磁場(chǎng)對(duì)低壓斷路器中的背后擊穿現(xiàn)象有抑制作用。通過(guò)改變滅弧室前的跑弧區(qū)的結(jié)構(gòu)，形成不同氣體流動(dòng)狀況,。實(shí)驗(yàn)證明,，合理的氣體流動(dòng)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(duì)背后擊穿有抑制甚至消除作用,，改善了限流器的開(kāi)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(lái),，人們通過(guò)現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)發(fā)現(xiàn)了低壓斷路器開(kāi)斷中電弧運(yùn)動(dòng)的不穩(wěn)定性，在熄弧過(guò)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(kāi)斷過(guò)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(guò)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(chǎng)強(qiáng)減小,，易于造成背后擊穿的發(fā)生。

　　法國(guó)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(guò)用Rogowski線圈對(duì)電流的測(cè)量，發(fā)現(xiàn)當(dāng)電弧已經(jīng)離開(kāi)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(shuō)明背后擊穿現(xiàn)象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),。我們?cè)谶@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(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，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,。由于近極壓降相對(duì)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(shuō)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(duì)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(chǎng)的影響

　　磁場(chǎng)可以加快電弧的運(yùn)動(dòng)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(guò)斷路器的電流產(chǎn)生外加吹弧磁場(chǎng),。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(chǎng)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(chǎng)的影響

　　氣流場(chǎng)對(duì)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(huì)使熱氣流回流,，同時(shí)由于使電弧在滅弧柵片前停滯更長(zhǎng)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(huì)飛弧,。通過(guò)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(huì)逐漸降到一個(gè)比較低的值，降低了開(kāi)斷性能,。因此,，還需要采取其他的措施。

　　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。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(dòng)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(kāi)斷電弧電壓電流波形圖,，以及用二維光纖陣列電弧測(cè)試系統(tǒng)所觀察到的電弧運(yùn)動(dòng)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。

4 結(jié)論

　　低壓斷路器開(kāi)斷時(shí)常有背后擊穿現(xiàn)象發(fā)生影響開(kāi)斷性能,。本文通過(guò)對(duì)背后擊穿的分析,，依據(jù)熱擊穿的原理，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,，對(duì)背后擊穿現(xiàn)象進(jìn)行了機(jī)理模擬研究,。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，增大吹弧磁場(chǎng)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(duì)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(kāi)斷性能。