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
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),。我們在這個模型的基礎(chǔ)上進行深入研究，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際情況相符合的,。尤其當滅弧室外的溫度較高,，殘余電流較大時，容易產(chǎn)生背后擊穿,。這是與C.Fievet的實驗結(jié)果相符合的,。由于近極壓降相對保持一個較高的值,，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)象多種因素進行了研究。
3.1外加磁場的影響
磁場可以加快電弧的運動速度,，使它快速進入滅弧室,，減少在滅弧柵片前的停滯時間。實驗中在滅弧室兩側(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,，實驗預(yù)期電流為2000A時，電弧電壓跌落比較嚴重,。當預(yù)期電流分別提高為3000A和4000A時,，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,，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,。從實驗結(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,。因為不良的氣體流通會使熱氣流回流,，同時由于使電弧在滅弧柵片前停滯更長的時間，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,。通過實驗發(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比較低的值,，降低了開斷性能,。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張,，并借助絕緣物產(chǎn)生的蒸氣,，使電弧弧根周圍壓力進一步提高,，控制了電極發(fā)射出的金屬蒸氣的噴流運動方向。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)多次實驗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，并且一旦電弧進入柵片滅弧室,，則電弧電壓始終保持一個較高的值,，燃弧時間以及允通能量都是最小的。
4 結(jié)論
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,。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,。通過實驗發(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。實驗證明,，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,。