低壓斷路器飛弧危害及其改進(jìn)措施

王興利 高 翔 陳豐飛 高柏勇

（浙江天正電氣股份有限公司，浙江 溫州 325604）

低壓斷路器是低壓配電系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用的一種機(jī)械開關(guān)電器，具有短路保護(hù)、過(guò)載保護(hù)和隔離等功能，主要適用于額定電壓不超過(guò)交流1000V或直流1500V的電路中作不頻繁轉(zhuǎn)換及電動(dòng)機(jī)不頻繁起動(dòng)之用。

當(dāng)?shù)蛪簲嗦菲鲾嚅_電流時(shí)，如果電路電壓不低于10～20V，電流不小于80～100mA，電器的觸頭間便會(huì)產(chǎn)生電弧，電弧被吸入滅弧室予以冷卻、熄滅，有一部分電弧或電離氣體從斷路器電源端的噴弧口噴出形成飛弧，在產(chǎn)品使用說(shuō)明書中，生產(chǎn)廠家都會(huì)標(biāo)明產(chǎn)品的飛弧距離，即在規(guī)定的條件下，如額定電壓、功率因數(shù)下按規(guī)定程序分?jǐn)嘁?guī)定短路電流時(shí)飛弧飛出的距離。當(dāng)飛弧距離為零時(shí)稱為零飛弧。

1 飛弧的危害

飛弧溫度高達(dá)數(shù)千攝氏度，飛弧本身也具有導(dǎo)電性能，所產(chǎn)生的危害非常嚴(yán)重。在電力行業(yè)中，開關(guān)電器噴出的電弧，可能直接噴到開關(guān)柜、配電屏等接地的金屬框架上，將造成金屬導(dǎo)體損毀、線路出現(xiàn)非正常的浪涌電壓、燒傷操作人員、燒毀設(shè)備，使絕緣件老化等狀況，重則發(fā)生短路故障、產(chǎn)生爆炸、釀成火災(zāi)，威脅生命和財(cái)產(chǎn)的安全，在石油、化工、礦業(yè)等行業(yè)中，更需要注意飛弧的危害。低壓配電柜設(shè)計(jì)時(shí)為了追求較小體積從而壓縮內(nèi)部空間，這會(huì)增加內(nèi)部發(fā)生電弧故障的概率，如在新能源風(fēng)電系統(tǒng)中變流器柜及箱變柜內(nèi)空間有限，飛弧將可能損壞其他設(shè)備，造成事故，由于安全性需要，對(duì)低壓斷路器飛弧距離都提出了一些要求，要求其飛弧距離短或零飛弧，飛弧距離大必然會(huì)造成配電柜體積大，也會(huì)造成耗材增加，成本上升。

2 電弧檢測(cè)

低壓斷路器飛弧檢測(cè)在額定極限斷路分?jǐn)嗄芰瓦\(yùn)行極限斷路分?jǐn)嗄芰υ囼?yàn)時(shí)進(jìn)行，試驗(yàn)方法和電路在 GB/T 14048.1《低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備第1部分：總則》等標(biāo)準(zhǔn)中都有規(guī)定（如圖1），主要驗(yàn)證在分?jǐn)嚯娏魉查g其觸頭間噴出的電弧是否會(huì)造成對(duì)地或極間飛弧短路。在圖1中，限流電阻RL和熔斷元件F組成的一端接至N或電源端，另一端接至試品金屬外殼（見圖1中點(diǎn)劃線框）上的電路就是飛弧檢測(cè)電路。在標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)熔絲的直徑和預(yù)期故障電流等都作了規(guī)定：熔斷元件F采用直徑φ 0.8mm、長(zhǎng)度至少50mm銅絲或等效的熔斷體；熔斷元件電路中的預(yù)期故障電流一般應(yīng)為1500×(1±10%)A等。

圖1 分?jǐn)嗄芰帮w弧檢測(cè)試驗(yàn)電路圖

試驗(yàn)時(shí)有兩種性質(zhì)不同的飛弧檢測(cè)電路，一種是模擬對(duì)“地”電弧，即對(duì)斷路器的金屬外殼、底座和安裝支架等必須接地構(gòu)件的電弧；另一種是模擬對(duì)帶不同電位的帶電體間的電弧，包括斷路器內(nèi)部各極間飛弧和對(duì)鄰近其他帶電體的飛弧，在這種情況時(shí)需要金屬絲網(wǎng)設(shè)置在試品周圍各點(diǎn)，絲網(wǎng)的布置及距離由制造廠規(guī)定。試驗(yàn)時(shí)電器在正常運(yùn)行時(shí)的所有接地部件（包括外殼和金屬絲網(wǎng)）應(yīng)與地絕緣，并應(yīng)接至圖1中的指定點(diǎn)。

在試驗(yàn)中判定有無(wú)飛弧是根據(jù)飛弧檢測(cè)電路中的熔斷元件是否熔斷來(lái)判斷。由于試驗(yàn)時(shí)噴出的飛弧與熔斷元件相連的試品接地部件或金屬絲網(wǎng)間有一定的電位差，當(dāng)噴出的電弧使附近的空氣被電離成導(dǎo)電狀態(tài)或直接噴射到接地部件或金屬絲網(wǎng)后，總有一定的電弧電流要經(jīng)過(guò)限流電阻 RL和熔斷元件F到達(dá)電源中性點(diǎn)或人為中性點(diǎn)。如果此電流足夠大或持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，即I2t足夠大，可使F熔斷，反之則不能。

3 降低低壓斷路器飛弧距離方法

降低斷路器飛弧距離，不僅能提高供配電系統(tǒng)的安全性，還可以縮小配電柜體的體積，降低成本。為了適用市場(chǎng)需要，國(guó)內(nèi)外低壓斷路器的設(shè)計(jì)制造單位在提高斷路器分?jǐn)嗄芰Φ耐瑫r(shí)，都在致力于降低飛弧距離和零飛弧斷路器的研制，主要采用的方法有改進(jìn)觸頭及滅弧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)提高滅弧性能、采用消游離裝置等吸弧、采用限流結(jié)構(gòu)、采用雙斷點(diǎn)結(jié)構(gòu)、采用真空滅弧室等。

3.1 改進(jìn)觸頭及滅弧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高滅弧性能

在出現(xiàn)各種故障使斷路器動(dòng)、靜觸頭分?jǐn)嚯娏鲿r(shí)，觸頭之間產(chǎn)生強(qiáng)烈的電弧，滅弧室內(nèi)的鐵質(zhì)柵片被磁化，產(chǎn)生吸力把電弧引向滅弧室，將電弧拉長(zhǎng)并分隔成短弧，利用鐵柵片對(duì)電弧的冷卻，以提高電弧電阻和電弧電壓，將電弧熄滅。通過(guò)對(duì)斷路器觸頭及滅弧系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)可提高滅弧性能，縮短飛弧距離，如設(shè)置增磁塊增加引弧磁場(chǎng)，改進(jìn)弧根轉(zhuǎn)移特性；優(yōu)化滅弧柵片數(shù)量和開距，提升靜態(tài)伏安特性；采用絕緣狹縫增壓氣吹滅弧技術(shù)加強(qiáng)電弧冷卻，采用產(chǎn)氣材料加強(qiáng)氣吹，如圖2所示。此外還可采取增大觸頭開距、增加（觸頭）斷口等措施加強(qiáng)滅弧能力等。

圖2 帶產(chǎn)氣材料夾層的柵片滅弧室

3.2 采用限流結(jié)構(gòu)

限流斷路器具有較好的限流效應(yīng)，分?jǐn)囝A(yù)期短路電流時(shí)，其真正斷開的電弧的2dIt∫小，電弧能量大大減小，飛弧距離也大大縮小。國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的斷路器基本都采用限流型結(jié)構(gòu)，采用平行導(dǎo)體、VJC（金屬蒸汽噴流控制）、磁吹線圈（使電弧加速進(jìn)入滅弧室）等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)尚未達(dá)到預(yù)期短路電流峰值前就將故障電路切斷的良好效果。限流技術(shù)在低壓斷路器中充分得以應(yīng)用，一些塑料外殼式斷路器分?jǐn)嗄芰υ贏C400V時(shí)達(dá)到150kA，而實(shí)際分?jǐn)嘀挡坏筋A(yù)期短路電流的10%，其只為預(yù)期值的1.3%，溢出的電弧極少。

圖3所示是一種很常用的塑殼斷路器觸頭U形限流結(jié)構(gòu)，其靜觸頭導(dǎo)電桿有一個(gè)U形回路，能使電流在動(dòng)靜觸頭回路流動(dòng)時(shí)方向相反，增加動(dòng)靜觸頭間的電動(dòng)斥力，由于電流在靜導(dǎo)電桿和動(dòng)導(dǎo)電桿中流向相反，動(dòng)觸頭受到的回路力FL為向上的斥開的力，加上因電流收縮引起的Holm力FH，動(dòng)觸頭所受到的總的電動(dòng)斥力為 FL+FH，當(dāng)有大電流流過(guò)時(shí)利用觸頭及導(dǎo)電體的電動(dòng)斥力，盡早斥開觸頭，觸頭先于過(guò)電流瞬時(shí)脫扣器動(dòng)作前就斥開，預(yù)期短路電流未達(dá)峰值前就將故障電路切斷。同時(shí)強(qiáng)迫電流過(guò)零，引出電弧，電弧電阻抑制短路電流上升，實(shí)際分?jǐn)嗟碾娏骱苄。蘖飨禂?shù)小于 10%（如圖 4所示），借助滅弧措施，快速滅弧，通電時(shí)間很短，飛弧極少甚至無(wú)飛弧。

圖3 斷路器U型限流觸頭結(jié)構(gòu)

圖4 限流系數(shù)

3.3 采用消游離裝置等吸弧

在斷路器電源端的噴弧口內(nèi)裝消游離滅弧器或金屬網(wǎng)格狀的滅焰器等，可有效冷卻和吸收分?jǐn)喽搪冯娏鲿r(shí)產(chǎn)生的電弧，減少電弧飛出產(chǎn)品外，縮短低壓斷路器飛弧距離。圖5所示為一種帶有去游離電弧滅焰器的滅弧罩。國(guó)內(nèi)也有一些廠家在限流型斷路器的前端電弧噴出處增加塑料罩殼，防止電弧飛出產(chǎn)品外達(dá)到零飛弧效果。

圖5 一種帶有去游離柵片的滅弧罩

3.4 第四代雙斷點(diǎn)結(jié)構(gòu)

第四代塑殼斷路器主要采用旋轉(zhuǎn)式雙斷點(diǎn)封閉式結(jié)構(gòu)（見圖6），其本質(zhì)上是增加觸頭斷口的措施。在斷開電流時(shí)每一觸頭承受 1/2電壓，恢復(fù)電壓幅值低，介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度容易超過(guò)恢復(fù)電壓增幅，可以降低分?jǐn)嗄芰浚岣叻謹(jǐn)嘀笜?biāo)，減少分?jǐn)鄷r(shí)產(chǎn)生的游離氣體、電弧粒子。其觸頭系統(tǒng)封閉，相當(dāng)于觸頭背后區(qū)域的封閉，分?jǐn)喈a(chǎn)生的氣體壓力強(qiáng)行使電弧快速進(jìn)入滅弧室，起到快速滅弧的效果；同時(shí)還可以利用氣體壓力推動(dòng)機(jī)構(gòu)脫扣桿，快速打開機(jī)構(gòu)，提高斷路器的分?jǐn)嗄芰Γ|頭滅弧系統(tǒng)還采用平行導(dǎo)體增強(qiáng)電動(dòng)斥力的原理從而達(dá)到提高限流系數(shù)效果，動(dòng)觸頭還采用了斥開限位結(jié)構(gòu)防止觸頭二次合閘，從而使分?jǐn)嘀笜?biāo)大幅度提高，其產(chǎn)生電弧極少。

圖6 雙斷點(diǎn)觸頭結(jié)構(gòu)

3.5 采用真空滅弧室

低壓斷路器滅弧系統(tǒng)采用真空滅弧室可實(shí)現(xiàn)零飛弧，如西門子公司的3WS1萬(wàn)能式斷路器等。真空滅弧室主要由氣密絕緣外殼、導(dǎo)電回路、屏蔽系統(tǒng)、觸頭、波紋管、陶瓷外殼等部分組成（如圖 7所示），其利用高真空工作絕緣滅弧介質(zhì)，靠密封在真空中的一對(duì)觸頭來(lái)實(shí)現(xiàn)電路的通斷，當(dāng)其斷開一定數(shù)值的電流時(shí)，動(dòng)靜觸頭在分離的瞬間，電流收縮到觸頭剛分離的一點(diǎn)上，出現(xiàn)電極間電阻劇烈增大和溫度迅速提高，直至發(fā)生電極金屬的蒸發(fā)，同時(shí)形成極高的電場(chǎng)強(qiáng)度，導(dǎo)致極強(qiáng)烈的發(fā)射和間隙擊穿，產(chǎn)生真空電弧，當(dāng)工頻電流接近零時(shí)，同時(shí)觸頭開距增大，真空電弧的等離子體很快向四周擴(kuò)散，電弧電流過(guò)零后，觸頭間隙的介質(zhì)迅速由導(dǎo)電體變?yōu)榻^緣體，于是電流被分?jǐn)唷?/p>

圖7 真空滅弧室結(jié)構(gòu)

真空滅弧室熄滅電弧在密封的真空容器中完成，電弧和熾熱氣體不會(huì)向外界噴濺沒(méi)有外逸電弧，在開關(guān)柜中安裝時(shí)可不考慮飛弧距離，能大幅度提高使用安全性，也有利于環(huán)境保護(hù)；真空滅弧室維護(hù)更換方便，具有優(yōu)良的絕緣性能。但真空滅弧室存在成本偏高等問(wèn)題。

4 結(jié)論

低壓斷路器在低壓配電系統(tǒng)中用量大，但在分?jǐn)噙^(guò)程中會(huì)產(chǎn)生電弧，電弧飛出產(chǎn)品外形成飛弧，飛弧危害性大，其檢測(cè)要符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，降低飛弧距離主要有改進(jìn)觸頭及滅弧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)提高滅弧性能、采用消游離裝置等吸弧、采用限流結(jié)構(gòu)、采用第四代雙斷點(diǎn)結(jié)構(gòu)、采用真空滅弧室等方法。降低斷路器飛弧，不僅能提高供配電系統(tǒng)的安全性，還可以縮小配電柜體的體積，降低成本，同時(shí)智能化的低壓電器要求具有模塊化、高性能指標(biāo)、小型化等特點(diǎn)，其自身也對(duì)減小飛弧距離提出了要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 陸儉國(guó), 張乃寬, 李奎. 低壓電器的試驗(yàn)與檢測(cè)[M].北京: 中國(guó)電力出版社, 2007.

[2] 連理枝. 低壓斷路器及其應(yīng)用[M]. 北京: 中國(guó)電力出版社, 2002.

[3] 連理枝. 低壓斷路器設(shè)計(jì)與制造[M]. 北京: 中國(guó)電力出版社, 2003.

[4] 陳德桂. 低壓斷路器的開關(guān)電弧與限流技術(shù)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2007.

[5] 陳德桂, 李興文. 低壓斷路器的虛擬樣機(jī)技術(shù)[M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2009.

[6] 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局, 中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì). GB 14048.1—2012. 低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第1部分: 總則[S].

[7] 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局, 中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì). GB 14048.2—2008. 低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第2部分: 斷路器[S].

[8] 蔡昊, 賈云東, 蔣平, 等. 弧光保護(hù)系統(tǒng)快速檢測(cè)算法設(shè)計(jì)[J]. 電氣技術(shù), 2017, 18(9): 46-48.

[9] 田中義, 沈春燕, 洪黎歡. 新一代塑料外殼式斷路器設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問(wèn)題[J]. 江蘇電器, 2008(2): 63.

[10] 張立. 低壓電器設(shè)備智能化發(fā)展探索[J]. 電氣技術(shù),2017, 18(6): 104-110.

[11] 吳金輝. 塑殼斷路器雙斷點(diǎn)技術(shù)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析[J].低壓電器, 2011(5): 11-13, 27.

[12] 顧惠民, 柴熠. 新一代高性能塑殼斷路器現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 電器與能效管理技術(shù), 2015(17): 1-7, 20.