摘　要：依據熱擊穿原理建立了電弧動態模型，對背后擊穿現象進行模擬研究，分析了各種因素對背后擊穿現象的影響，提出了一種可消除背后擊穿現象的新型混合式滅弧系統。 
關鍵詞：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中應用最為普遍的電器產品之一。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在柵片內與柵片外，導致電弧電壓的反復跌落，這就是背后擊穿現象。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Yoshiyuki Ikuma等人首次用快速攝像機觀察到這種電弧背后擊穿現象。他們還采用微波穿透技術發現在低壓斷路器開斷過程中，電弧電壓發生突降前，觸頭間隙都出現溫度的上升，這是由于電弧的熱氣流經過滅弧室的后壁的反射進入相應區域的結果。游離氣體的進入和溫度的上升，使相應區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等人也發現，在電弧經過的區域溫度還較高，存在有剩余電流，會以熱擊穿的形式導致背后擊穿［1］。德國的Manfred Lindmayer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。 

圖1 背后擊穿的典型波形 

　　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電弧動態模型，對背后擊穿現象進行了機理模擬研究。采用先進的高速光學測試設備及多通道示波器，對低壓斷路器模型作了大量的實驗，發現電磁場對低壓斷路器中的背后擊穿現象有抑制作用。通過改變滅弧室前的跑弧區的結構，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。據此提出了一種新型可消除背后擊穿現象的滅弧室結構。 

2 背后擊穿現象機理的研究分析 

　　近年來，人們通過現代測試技術發現了低壓斷路器開斷中電弧運動的不穩定性，在熄弧過程中電弧在滅弧室內外多次轉移，導致電弧電壓跌落，即背后擊穿現象。重燃后的電弧多次進入滅弧室，直到熄弧。大量實驗都發現低壓斷路器開斷過程中，在背后擊穿現象發生前，在柵片滅弧室外都出現溫度的上升。這是由于電弧的熱氣流經過滅弧室后壁的反射產生回流，相應區域的電導增大，臨界場強減小，易于造成背后擊穿的發生。 

　　法國的C.Fievet等人發現［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較大，內外電流在斷路器滅弧室內外重新分配。通過用Rogowski線圈對電流的測量，發現當電弧已經離開起弧處幾個毫秒之后，電弧初始區域仍然有幾安培的電流。 

　　由此，說明背后擊穿現象與滅弧室外氣體溫度、臨界電場強度及導電情況等有關。德國的Manfred Lindmayer教授初步提出了一種基于熱擊穿的背后擊穿模型［2］。 

　　我們在這個模型的基礎上進行深入研究，依據熱擊穿的原理，建立了以磁流體動力學為基礎的電弧動態模型。計算結果表明，根據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，容易產生背后擊穿。這是與C.Fievet的實驗結果相符合的。在圖2 中，1.92ms時電弧已經進入滅弧柵片，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較高的值，而背后擊穿區域電阻則不斷下降。隨著背后擊穿區域的電阻逐漸減少，電流漸漸被此導電通道所分流，使這一區域的溫度迅速升高，電阻迅速減小，引起電弧電壓突降，產生背后擊穿。在2.16ms時電弧已經退出了滅弧柵片。這說明，用熱擊穿是導致背后擊穿產生的一個原因。 

圖2 模擬的電弧背后擊穿現象

3 消除背后擊穿現象的措施 

　　我們對可能消除背后擊穿現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夾兩塊導磁片，利用流過斷路器的電流產生外加吹弧磁場。外加2匝線圈，實驗預期電流為2000A時，電弧電壓跌落比較嚴重。當預期電流分別提高為3000A和4000A時，電弧電壓跌落次數減少，跌落幅度也降低。外加多匝線圈時，電弧電壓上升很快，電壓跌落現象仍然存在，但次數減少了。從實驗結果看，加大吹弧磁場后，電弧電壓跌落次數減少，但背后擊穿現象依然存在。 

　　實驗中得到的結果以3000A為例如表1所示。 

表1 不同吹弧磁場下的開斷特性

3.2 氣流場的影響 

　　氣流場對斷路器背后擊穿現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域。根據研究，在柵片的后面加上絕緣隔弧板，這樣使滅弧室內的熱氣流可以順利的排出，又不會飛弧。通過實驗發現，在這種情況下，背后擊穿現象得到極大的限制，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。滅弧室后部完全開放的開斷特性如圖3所示。 

圖3 滅弧室后部完全開放的開斷特性

　　為此，我們直接在滅弧室柵片間插入產氣絕緣材料，同時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，并借助絕緣物產生的蒸氣，使電弧弧根周圍壓力進一步提高，控制了電極發射出的金屬蒸氣的噴流運動方向。此外，絕緣物產生的氣體冷卻電弧弧柱，使電弧電阻上升，電弧電壓提高。 來源:http://www.tede.cn 

圖4 新型的混合式滅弧系統

　　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所觀察到的電弧運動圖象都明顯看出，這種結構完全抑制了背后擊穿的發生，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。新型的混合式滅弧系統的開斷特性如圖5所示。 

圖5 新型的混合式滅弧系統的開斷特性

　　我們還將這種新型的滅弧系統與原有的幾種滅弧系統進行對比。經多次實驗，得出表2所示的對比結果。 

表2 多種滅弧室開斷特性的對比

　　A——一般情況的開斷特性 
　　B——采用窄縫與柵片配合時的開斷特性 
　　C——單獨采用隔弧板的開斷特性，如圖3所示 
　　D——新型的混合式滅弧系統的開斷特性，如圖5所示 

　　從上面的實驗結果可以看出，新型的滅弧系統消除了背后擊穿現象，減少了燃弧時間，大大提高了低壓限流斷路器的開斷性能。 

4 結論 

　　低壓斷路器開斷時常有背后擊穿現象發生影響開斷性能。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電弧動態模型，對背后擊穿現象進行了機理模擬研究。通過實驗發現，增大吹弧磁場可以在一定程度上抑制背后擊穿現象，滅弧室內的氣流狀況對背后擊穿現象有直接的影響。改善熱氣流的回流以及在滅弧室內的滯留有利于背后擊穿現象的消除。實驗證明，柵片滅弧室與隔弧板相配合，加入絕緣產氣板，應用于限流斷路器的新型滅弧系統，不僅有效的抑制了背后擊穿現象的發生，而且進入滅弧室的電弧始終具有平穩的較高的電弧電壓，有效的提高了限流斷路器的開斷性能。 

作者單位：陳旭（西安交通大學 710049） 
　　　　　魏強（西安交通大學 710049） 
　　　　　陳德桂（西安交通大學 710049） 

參考文獻 來源:http://tede.cn 

　　［1］ 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 
　　［2］ Manferd Lindmayer.Simulation of stationary current- voltage characteristics and of back-commutation in rectangular arc channels. 
　　［3］ Niemeyer L.Evaporation dominated high current arcs in narrow channels,IEEE Trans.on Plasma Science,1978,97（3） 
　　［4］ 袁海文.低壓限流斷路器中電弧運動及其二維光纖陣列數字化測試系統的研究：［博士學位論文］.西安交通大學，1997