雙斷點斷路器開斷過程燃弧能量的不平衡問題

劉洪武 謝心意 何艷峰 陳德桂

（1. 常熟開關制造有限公司 常熟 215500 2. 西安交通大學電氣工程學院 西安 710049）

1 引言

由于電弧過程的內秉隨機性，雙斷點開關電器即使兩個滅弧室設計為完全對稱，其燃弧過程也不會完全一致。以接觸器為代表的控制電器承擔正常電流的頻繁分斷和接通，電壽命是其最重要的性能指標。此類產品在AC43條件下的電壽命通常為數十萬次到數百萬次，甚至可達千萬次，因此每次開斷對觸頭造成的電磨損很小，即使兩個斷點之間的電弧瞬時功率不一致，只要燃弧能量在長期累計的統計意義上是趨于一致的，就不會造成兩對觸點之間的磨損不勻而引起電壽命的降低。

但是對于雙斷點結構的斷路器，在一次極限短路分斷過程中，如果兩個滅弧室的燃弧能量不平衡，將在電流過零后造成斷口之間溫度、弧隙電導率、初始介質強度等出現差異，使其中一個斷口介質強度偏低或是承受較高的恢復電壓，這種不平衡超過一定程度就容易引起弧后介質擊穿而使開斷失敗，從而制約極限短路分斷電流Icu的提高。另外由于分斷極限短路電流時的燃弧功率高，一次分斷就能造成觸頭材料的大幅度磨損，燃弧能量不平衡將使觸頭的磨損程度出現差異。如果這種差異超過一定限度，既會造成合閘接觸不可靠，也會使下一次開斷的不平衡程度進一步加劇，從而制約運行短路分斷電流Ics的提高。

雙斷點結構的塑殼斷路器利用兩個斷口的電弧電壓疊加以抵消電源電壓，可以獲得優越的限流特性和開斷能力，因此成為近年來產品開發的主要方向。目前的研究主要集中于強限流情況下的操作機構動態特性、觸頭滅弧室的驅弧磁場以及內部電氣絕緣等問題[1-3]，未見針對兩個斷口之間燃弧能量平衡問題的相關文獻。但從實際的產品設計中，可觀察到雙斷點斷路器一次分斷后出現動觸橋觸點磨損嚴重不一致，極限分斷能力不穩定等現象，這些現象和兩個斷口之間的燃弧能量不平衡有關，并制約了產品的性能，這是對該問題進行討論的意義所在。

2 雙斷點斷路器開斷電弧的實驗觀察

用于觀察電弧運動的實驗設備是西安交通大學開發的二維光纖陣列測試系統[4]，其結構原理如圖1所示。測試系統的核心部分由64路完全相同的高速數據采集通道組成，每個通道的最大采樣頻率為1MHz，采集對象為電弧光強度。每個通道對應一個采集點，所有采集點處于同一平面內，各個采集點組成的陣列構成一個二維區域，該區域即為測量區域。在測量區域內一根光纖就相當于電弧圖景中的一個像素點，光纖的多少也就決定了攝像系統的空間分辨率。

圖1 電弧運動測試系統的結構原理Fig.1 Schematic diagram of the arc motion measure system

系統利用光纖將測試點光強傳送至以光電轉換元件為核心的轉換電路，由該電路將光照強度信號轉換為與之對應的電壓信號，經過A/D轉換后將各測試點光照強度隨時間的變化情況記錄保存，并在實驗結束后將相應數據通過RS232串行通信口送至計算機。系統軟件根據測試數據，用不同顏色表示對應的光照強度，根據需要將測量區域各點瞬間發生的光照強度變化過程以適于觀察的速度再現出來，即可確定開斷過程中電弧的運動形態。

實驗觀察對象為某型雙斷點結構塑殼斷路器產品，殼架電流及額定電流均為100A，滅弧室為非密封式結構。實驗觀測的光纖安裝情況如圖2所示，在斷路器樣機側壁上開設觀察孔，觀察孔均選擇在柵片之間的投影位置，觀察孔直徑應小于柵片間距，并由MCCB的外殼一直穿透滅弧室側板，這樣才能觀察到滅弧室內部柵片之間電弧的運動情況。觀察區域覆蓋整個觸頭與滅弧室在側壁的投影區域，即可觀察到電弧的運動全貌。

圖2 觀察電弧運動的光纖系統實驗安裝情況Fig.2 Configuration of the fiber array for arc observation

提供實驗電流的設備是單頻振蕩回路，其基本結構如圖3所示。其工作原理是：實驗前主合閘開關 S2斷開，充電開關 S1閉合，交流電源經過調壓器T升壓后，通過整流橋B變為直流，對電容器組C充電；充電至所需實驗電壓后斷開S1，實驗準備就緒。實驗時接通主合閘開關S2，由電容器組C、電感L、試品SP、分流器F構成一個典型的單頻振蕩回路，C、L的固有參數決定了其振蕩頻率為50Hz，放電電流的預期有效值與電容充電電壓之比為 1kA/50V。圖中的分流器 F是一個阻值為 90μΩ的無感電阻，作為電流傳感器；另外，采用Tektronix 6015A型高壓探頭作為電壓傳感器采集電弧電壓波形。

圖3 單頻振蕩回路Fig.3 Capacity bank circuit

圖4是開斷電弧運動的觀測結果，從電弧亮度隨時間的變化情況看，雙斷點結構的兩個滅弧室之間，存在電弧功率的動態不平衡。圖中當 t=2.6ms時，上方滅弧室的燃弧功率明顯偏高，其電弧亮度明顯高于下方。當 t=5.6ms時，下方滅弧室的燃弧功率明顯偏高，其電弧亮度明顯高于上方。這種電弧即時功率的交替變化過程在一個開斷過程中出現多次，并且即時燃弧功率的降低，在時間上總是與弧柱退出柵片區域，在滅弧室后方重燃是一致的。

圖4 從電弧運動反映出的電弧能量不平衡Fig.4 Waveforms of arc current and voltage as well as arc motion graph of the MCCB

光纖觀察到的電弧亮度瞬時值大致反映了局部的電弧功率，那么電弧亮度對時間的積分就近似反映了電弧的能量。為便于比較兩個滅弧室的燃弧能量，定義某個滅弧室電弧亮度L為在一次開斷過程中，用于觀察該滅弧室的所有n根光纖采集到的電弧亮度A對時間t積分的總和

A與3位轉換精度相對應，為從0～7的整數。與實驗模型光纖觀察孔位置相對應，設用于觀察上方弧室的n1根光纖的亮度積分和為L1，用于觀察下方弧室的n2根光纖的亮度積分和為L2，試驗結果二者比值為L1∶L2=1.36，說明在設計不合理的雙斷口結構中，一次開斷過程中的燃弧能量可能出現較大幅度差異。

從實驗觀察結果看，電弧在滅弧室后部反復重燃，是典型的電弧背后擊穿現象[5-8]。其機理是：電弧在電磁場和流場的作用下進入滅弧柵片并被分割，近極壓降疊加使電弧電壓迅速上升，而此時滅弧室背后區域，即跑弧道上仍存在一定的游離氣體，由于突然產生較高的電弧電壓，使背后區域發生擊穿而出現新的電弧，這一新的電弧通道短接了柵片中的電弧，而使已進入柵片的電弧消失，弧柱主體退回到柵片外燃燒，這種現象在斷路器開斷過程會反復出現多次。

3 燃弧能量不平衡的原因及討論

電弧功率等于電弧電壓和電流的乘積，對于兩個串聯斷口來說，通過兩個斷口的電弧電流總是相等的，燃弧能量的平衡就完全取決于電弧電壓的平衡。電弧電壓由電流、開距、滅弧室溫度、電弧氣體成分及電弧被滅弧柵片分割情況等因素決定，過程十分復雜。但如果兩個滅弧室結構上完全對稱，并且觸頭在打開過程中，動觸橋的轉動中心被限制在兩個滅弧室的對稱中心上，則開距、電流這兩個決定性的因素是平衡的，因此電弧電壓是引起電弧能量不平衡的主要因素。

由于結構上的原因，實驗中要分別獲得兩個斷口上的電弧電壓存在困難，但從對電弧運動的觀測情況看，電弧亮度（即時功率）減弱的同時，弧柱從被柵片分割的通道轉移到柵片外的空氣間隙通道，由于失去柵片的近極壓降，引起了這個斷口上的電弧電壓跌落，輸入斷口的電弧功率及電弧亮度隨之降低，顯然電弧的背后擊穿現象是引起斷口電壓波動的直接原因。而如果抑止背后擊穿的發生，將避免電弧電壓的波動，使兩個斷口間的燃弧能量區域平衡。

目前學術界一般用熱擊穿模型來解釋電弧背后擊穿現象，其過程是電弧進入柵片區時，被分割成許多短電弧，在背后區域的跑弧通道和觸頭間隙仍保持一定溫度，并存在一定的游離氣體，因此仍有部分電流通過，本文稱這種背后空間的電流為剩余電流，這時電弧背后擊穿現象可用圖5所示的電路模型來解釋。

圖5 電弧背后擊穿現象的電路模型Fig.5 Schematic diagram of back-striking in arc chamber of a MCCB

將柵片區和背后區看作兩個并聯的電流回路，分別用可變電阻RA和RB來表示，由于背后擊穿過程很短暫，假定通過斷路器的總電流Itot不變，則電路模型可為一電流源電路。當電弧電壓由于近極壓降的疊加而突然增大時，背后區域的輸入能量增大。若這一能量大于以傳導、對流和輻射三種方式輸出至外界的能量，則背后通道溫度增加而使其電導變大，等效電阻變小，使電流向背后區轉移，并進一步引起輸入能量增大，而使其溫度繼續增高，這一過程進一步發展就造成電弧的熱擊穿。在背后區域出現新的電弧，新的電弧短接了原處于柵片的電弧，出現了電弧電壓的驟降，這就是電弧背后擊穿過程。

若輸入背后區域的能量為 Win，輸出的能量為Wout，則是否產生熱擊穿的條件可歸納為：當Win＞Wout，發生熱擊穿；Win＜Wout，不發生熱擊穿；Win=Wout為臨界狀態。Clemens G.[9]從能量平衡方程式出發，先忽略對流和輻射散熱，取E為背后區域通道平均電場強度，T為平均初始溫度，σ 為電導率，λ為熱導率，并設通道內溫度僅隨至滅弧室器壁的距離變化，若Win=Wout，可得一維方程

求解上式可獲得臨界場強Estriking與通道平均初始溫度T0的關系：臨界場強與通道平均初始溫度呈負相關，即T0越高，Estriking越低；并且在T0＜6000K的區域內，Estriking隨T0的變化率很高；另外背后通道的熱氣體的電導率σ對臨界場強也有重要影響，在其他條件相同的情況下，臨界場強隨電導率的升高而降低。

塑殼斷路器開斷過程的短間隙大電流電弧，是一種金屬蒸氣占主導地位的電弧，電弧進入柵片后，背后區域的高溫氣體中含有比例較高的金屬蒸氣，金屬組分的存在使這一區域的氣體具有較高電導率。從上述分析可知，要抑制背后擊穿，就需要盡可能降低弧隙溫度及金屬蒸氣濃度。

本文認為工程上可行的方法，是在觸頭附近安裝某些絕緣材料，使之在電弧燒灼下生成氣化產物并作用于電弧過程，一方面有利于吹弧氣流的形成帶走熱量，使弧隙溫度降低；另一方面其分解產物稀釋了弧隙中的金屬蒸氣濃度，使電導率下降，從而達到有效抑制背后擊穿的目的[10-11]。為了配合絕緣產氣材料的使用，特別是為了增加滅弧室壓強并獲得對氣流場的控制，將滅弧室設計為封閉式是合理的，即除了排氣孔位置，滅弧室的其他部分均封閉，這樣既有利于提高滅弧室內壓強，又可進一步形成向外的氣流，更好地抑制背后擊穿的發生。

為了對上述分析進行驗證實驗，本文按照相應特征設計了一個模型滅弧室，圖6為其結構示意。模型具有 250A殼架級別塑殼斷路器滅弧室的典型尺寸及基本結構特征，為旋轉觸橋式結構，動觸橋的金屬鉸接軸伸出基座外殼，作為電位測量的基準點，可分別測量兩個斷口的電弧電壓。滅弧室為封閉式結構，并在動觸頭兩側裝有產氣材料尼龍66。為了對電弧運動情況進行觀測，在模型側壁上開設了光纖觀察孔，用于安裝測量電弧運動的光纖陣列。模型沒有設計脫扣器及操作機構，觸頭的打開完全依賴于電流產生的電動斥力，但是在極限短路開斷的情況下，這種方式的電弧過程與實際斷路器非常接近。

圖6 封閉式的雙斷點模型滅弧室Fig.6 A pressure-tight double-break arc chamber model

以振蕩回路作為實驗電源對模型滅弧室進行了預期短路電流為10kA的開斷實驗，圖7是實驗測得的電流波形及兩個斷口的電弧電壓波形。從波形上看，兩個斷口的電弧電壓基本處于平衡，從光纖陣列測試系統對電弧運動情況的觀察結果看，在開斷過程中依然發生了局部的電弧背后擊穿現象，但是擊穿次數明顯少于圖4的情況，并且僅在局部區域發生，弧柱主體在柵片分割電弧的柵片區域燃燒，兩個斷點的電弧形態基本一致。

圖7 雙斷點模型滅弧室的開斷波形Fig.7 Waveforms of arc current and voltage of the arc chamber model

兩個滅弧室的電弧亮度對時間的積分比 L1∶L2=1.04，由電流電壓波形積分得到的兩個滅弧室的燃弧能量比 W1∶W2=1.06，兩種對燃弧能量分配的實驗判據趨于一致，表明在此開斷條件下，兩個斷口間的燃弧能量趨于平衡；同時也說明圖4中利用光纖陣列得到的電弧光強對時間的積分來間接判斷燃弧能量具有合理性。

4 結論

（1）雙斷點結構的斷路器開斷過程中，兩個串聯斷口之間可能存在電弧即時功率的交替變化過程，引起燃弧能量的不平衡。

（2）在結構對稱的情況下，引起燃弧能量不平衡的主要原因是電弧的背后擊穿現象引起的電壓波動。

（3）使用合適的產氣材料并采用封閉式的滅弧室設計，能夠有效抑制背后擊穿。而一旦滅弧室內的電弧背后擊穿現象被抑制，電弧通道將穩定在被柵片有效分割的路徑上，如果串聯的滅弧室結構上對稱，其燃弧能量將趨于平衡。

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