斷路器電弧背后擊穿的影響與抑制

周云紅

（南京工程學(xué)院電力工程學(xué)院，江蘇 南京 211100）

1 引言

斷路器的作用，是在電路系統(tǒng)中控制和保護(hù)電路和設(shè)備，斷路器內(nèi)部動(dòng)、靜觸頭的分、合閘動(dòng)作，可實(shí)現(xiàn)斷路器是否分?jǐn)嗪徒油娐穂1]。在斷路器短路分?jǐn)鄷r(shí)，一般來(lái)說(shuō)，動(dòng)、靜觸頭會(huì)產(chǎn)生電弧，電弧應(yīng)該進(jìn)入滅弧柵片后就熄滅，如此就完成了短路分?jǐn)唷５菍?shí)際在目前諸多的小體積化斷路器產(chǎn)品中，電弧進(jìn)入滅弧柵片后會(huì)產(chǎn)生一種“電弧背后擊穿”或者稱作“背后轉(zhuǎn)移”的現(xiàn)象，即電弧從柵片轉(zhuǎn)移到它的背后區(qū)域。這里的背后區(qū)域指的是動(dòng)、靜觸頭區(qū)域，電弧之后會(huì)再次從觸頭區(qū)域運(yùn)動(dòng)到柵片，這一過(guò)程會(huì)重復(fù)數(shù)次，直到電弧熄滅，背后擊穿現(xiàn)象，會(huì)嚴(yán)重影響短路分?jǐn)嘈阅躘2]。

早在2000年左右，國(guó)內(nèi)外一些研發(fā)團(tuán)隊(duì)研發(fā)小體積的斷路器還發(fā)現(xiàn)：小體積的產(chǎn)品注定使用小體積的滅弧系統(tǒng)，而小體積的滅弧室系統(tǒng)不具備大體積滅弧系統(tǒng)的能力，最后導(dǎo)致斷路器因?yàn)轶w積縮小，短路分?jǐn)嘈阅芤泊蟠笙陆怠?/p>

早期的研究?jī)H僅給出了加大短路分?jǐn)鄷r(shí)的瞬間散熱條件，就可以避免背后擊穿的現(xiàn)象的籠統(tǒng)結(jié)論，但未發(fā)現(xiàn)實(shí)質(zhì)有效的方法。文中通過(guò)對(duì)背后擊穿現(xiàn)象發(fā)生的原理的研究，分析了滅弧柵片、產(chǎn)品的磁吹、氣吹和內(nèi)阻等因素的影響，總結(jié)有助于解決背后擊穿問(wèn)題的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，給出有效地解決目前一些小體積產(chǎn)品的背后擊穿問(wèn)題的方法。

2 背后擊穿現(xiàn)象的分析

無(wú)論在交流還是直流中，都需要依靠滅弧柵片分割電弧的電弧電壓跳躍來(lái)熄滅電弧。電弧電壓公式為：

式中：Uarm—電弧進(jìn)入柵片后的電弧電壓峰值；U1—弧柱壓降；n—柵片數(shù)；?U—極間壓降。

當(dāng)電弧被引入滅弧柵片組成的滅弧室中，電弧電壓突然增加，對(duì)斷路器來(lái)說(shuō)就可以最有效地限制短路電流，熄滅電弧，如圖1所示。但另一方面由于電弧背后區(qū)域，即動(dòng)靜觸頭區(qū)域，會(huì)存在溫度較高的游離氣體，在電弧電壓作用下會(huì)發(fā)生熱擊穿而產(chǎn)生新的電弧。新的電弧退出柵片，重新在觸頭區(qū)域連接，并使原來(lái)已進(jìn)入柵片的電弧消失，這相當(dāng)于電弧從柵片中退出來(lái)，并向柵片后方轉(zhuǎn)移，這種現(xiàn)象反復(fù)出現(xiàn)，會(huì)使電弧電壓波形中出現(xiàn)很明

圖1 背后擊穿現(xiàn)象Fig.1 Back-Strike Phenomena

顯的毛刺，即反復(fù)跌落現(xiàn)象，它會(huì)影響限流斷路器性能，導(dǎo)致短路時(shí)候的分?jǐn)嗍　?/p>

當(dāng)背后擊穿發(fā)生時(shí)，分割的電弧從柵片區(qū)域發(fā)生轉(zhuǎn)移，再次使電弧重燃。背后擊穿時(shí)，典型的短路分?jǐn)嚯妷汉碗娏鞑ㄐ稳鐖D2所示。其中t1→t2時(shí)段為正常短路分?jǐn)鄷r(shí)的波形：在t3時(shí)刻發(fā)生背后擊穿，此時(shí)電壓驟降，電弧重燃：最后在t4時(shí)刻，交流電自然過(guò)零，電弧熄滅[3-4]。

圖2 背后擊穿典型波形Fig.2 Typical Waveform of Back-Strike Phenomena

背后擊穿現(xiàn)象為一種熱擊穿。當(dāng)背后擊穿的能量大于輸出的能量時(shí)，就會(huì)發(fā)生熱擊穿：反之，則不會(huì)發(fā)生。滅弧室的柵片面積，直接影響到散熱，所以，柵片的面積較大，散熱效果好，則可以防止背后擊穿。

能量平衡關(guān)系式如下：

式中：σ—通道的電導(dǎo)率；E—通道電場(chǎng)強(qiáng)度；λ—熱導(dǎo)率；T—溫度；σE—背后擊穿的能量，輸出的能量為-d(λd T∕d x)∕dx。

由式（2）可進(jìn)一步得到E與T的關(guān)系[5]，如圖3所示。

圖3 E與T的關(guān)系Fig.3 The Relationship between E and T

可以得出，隨著溫度升高，通道電場(chǎng)強(qiáng)度降低，容易發(fā)生背后擊穿。而且這個(gè)影響和初始溫度也很有關(guān)系。

目前斷路器的發(fā)展趨勢(shì)之一是要盡可能的體積小，不能用增大柵片的方法來(lái)解決背后擊穿，這就對(duì)解決背后擊穿現(xiàn)象提出了非常大的挑戰(zhàn)。

3 各種影響因素

降低背后擊穿的影響，之所以是多年來(lái)難以解決的問(wèn)題，主要還是因?yàn)橛绊懸蛩剌^多。通過(guò)控制變量，在各種環(huán)境中，可以對(duì)各個(gè)因素的影響進(jìn)行比較。

3.1 柵片的影響

在各種影響因素中，滅弧室的柵片對(duì)背后擊穿的影響最大，由式（2）及圖3可以發(fā)現(xiàn)，如果滅弧柵片的散熱效果好，可以很好地降低背后擊穿的影響。

3.1.1 柵片面積的影響

以五種簡(jiǎn)易柵片形狀來(lái)進(jìn)行分析，如圖4所示。在一個(gè)斷路器產(chǎn)品內(nèi)，設(shè)計(jì)給滅弧柵片的區(qū)域?yàn)椋?～12）號(hào)方格。其中，2號(hào)與5號(hào)格需要讓出給動(dòng)觸頭進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，是不能設(shè)置柵片材料的，但是1號(hào)、3號(hào)、10號(hào)、11號(hào)、12號(hào)區(qū)域都可以作為可選區(qū)域。

圖4 簡(jiǎn)易柵片形狀Fig.4 Simple Grid Shape

1號(hào)和3號(hào)區(qū)域可以設(shè)置導(dǎo)磁塊。如果這里不設(shè)置柵片材料，而是設(shè)置一整塊的導(dǎo)磁塊，則可以增加電動(dòng)斥力，使得動(dòng)觸頭提早斥開(kāi)，減少分?jǐn)鄷r(shí)間。

10號(hào)、11號(hào)、12號(hào)區(qū)域可設(shè)置氣道。如果這里不設(shè)置柵片材料，而是挖空，用于排出短路分?jǐn)鄷r(shí)的氣體，則可以使能量迅速排出。如方案D與方案E都占據(jù)了所有的氣道區(qū)域，則需要通過(guò)增加產(chǎn)品的長(zhǎng)度，來(lái)留出一定的氣道。應(yīng)用中需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行取舍。可以發(fā)現(xiàn)，如果使用方案E，則可以比方案A多5個(gè)方格的區(qū)域用于滅弧柵片，就可以大大增強(qiáng)柵片的散熱能力。

3.1.2 柵片長(zhǎng)度和厚度的影響

滅弧柵片除了本身大小外，是否足夠耐燒也是非常重要的。如果柵片發(fā)生燒穿現(xiàn)象，則會(huì)造成式（1）中的n變小，電弧電壓Uarcm隨之減小。如圖4所示。長(zhǎng)度方向上，最易燒損的是8號(hào)方格。此方格如果完全燒損，會(huì)導(dǎo)致方案A、B、C的柵片直接失效，而如果更嚴(yán)重，則方案D和方案E也會(huì)失效。另外，如果從厚度上增加?xùn)牌暮穸龋材芎芎玫脺p輕滅弧柵片的燒損程度。因此許多滅弧室的設(shè)計(jì)中，靠近靜觸點(diǎn)的柵片要比遠(yuǎn)離靜觸點(diǎn)的柵片厚，這樣就最合理地使用到了滅弧室的空間。

3.1.3 柵片數(shù)量與位置的影響

如式（1）所示，柵片越多，則電弧電壓越高。但是，在短路分?jǐn)鄷r(shí)，觸頭斥開(kāi)會(huì)先于操作機(jī)構(gòu)動(dòng)作。如果觸頭斥開(kāi)時(shí)，不能夠完全熄滅電弧，待到操作機(jī)構(gòu)動(dòng)作，則會(huì)增加短路分?jǐn)鄷r(shí)間，也易造成背后擊穿。滅弧室柵片的數(shù)量和位置都有影響，如圖5所示。

圖5 滅弧室柵片數(shù)量和位置對(duì)比示意圖Fig.5 Comparison of Grid Number and Position of Arc Extinguishing Chambers

方案A的動(dòng)觸頭在（3～4）ms時(shí)斥開(kāi)αo，電弧只切割5個(gè)柵片，要等到在（7～8）ms時(shí)，操作機(jī)構(gòu)動(dòng)作，動(dòng)觸頭才能完全打開(kāi)，電弧切割全部7片柵片。因此，如果在斥開(kāi)階段，5片柵片無(wú)法承受電弧，則很有可能會(huì)發(fā)生背后擊穿現(xiàn)象。

方案B的動(dòng)觸頭斥開(kāi)角度設(shè)計(jì)得比較大，為（α+β）o，動(dòng)觸頭在（3～4）ms時(shí)斥開(kāi)，電弧就能切割全部7片柵片，完成滅弧，不會(huì)發(fā)生背后擊穿。

方案C的動(dòng)觸頭因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)關(guān)系，斥開(kāi)角度無(wú)法設(shè)計(jì)得比較大，只有αo，但是因?yàn)闇缁∈揖嚯x動(dòng)觸頭比較遠(yuǎn)，通過(guò)增設(shè)引弧片將斥開(kāi)的電弧引入滅弧室，也能使得動(dòng)觸頭在（3～4）ms斥開(kāi)時(shí)，電弧切割全部7片柵片，這樣也能避免發(fā)生背后擊穿。

選取市面上幾家公司的160A的常規(guī)斷路器產(chǎn)品，進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比分析。試驗(yàn)電壓AC690V結(jié)果，如表1所示。由于一定的歷史原因，對(duì)于雙斷點(diǎn)塑殼斷路器的160A殼架，目前市面上各主要公司的產(chǎn)品整體體積、滅弧室容量與短路分?jǐn)嗄芰幌嗤浅＿m合用來(lái)作對(duì)比分析。從表1可以發(fā)現(xiàn)，從序號(hào)6到序號(hào)1，其滅弧柵片逐漸增大，短路分?jǐn)嗄芰σ矔?huì)逐漸增大。所以如果設(shè)計(jì)得當(dāng)，一般來(lái)說(shuō)，較大的滅弧室容量就能解決背后擊穿現(xiàn)象，使得短路分?jǐn)嗄芰μ岣摺?/p>

表1 各公司160殼架斷路器產(chǎn)品的滅弧柵片與短路分?jǐn)嘈阅躎ab.1 Arc Extinguishing Grid and Short Circuit Breaking Performance of 160 Circuit Breaker Products of Various Companies

但是，小型化斷路器的特點(diǎn)就是產(chǎn)品體積小，任何加大柵片的方法，都是需要體積來(lái)支撐的。所以，如果要在小體積的斷路器中消除背后擊穿的影響，則需要使用其他方式。短路分?jǐn)嘀校磻?yīng)電壓U、電流I、電阻R影響規(guī)律的三維關(guān)系圖，如圖6所示。每一種影響都不是單一獨(dú)立存在的。當(dāng)電流大時(shí)，可以利用磁吹原理提高短路分?jǐn)嗄芰Γ寒?dāng)電壓大時(shí)，可以利用氣吹原理提高短路分?jǐn)嗄芰Γ寒?dāng)電阻大時(shí)，可以削弱所有因素的影響減，提高短路分?jǐn)嗄芰Α?/p>

圖6 短路分?jǐn)喔鲄?shù)影響三維圖Fig.6 Three-Dimensional-Diagram of Influence of Short Circuit Breaking Parameters

3.2 磁吹的影響

分?jǐn)嗨俣纫彩怯绊懕澈髶舸┦欠癜l(fā)生的主要因素，當(dāng)電弧被快速熄滅后，就不易發(fā)生背后擊穿現(xiàn)象，所以設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該盡量提高分?jǐn)嗨俣取．?dāng)短路電流為低電壓高電流時(shí)，可以利用觸頭斥開(kāi)的原理，不等脫扣器動(dòng)作，動(dòng)觸頭先因異向電流的電動(dòng)斥力而斥開(kāi)，從而解決低電壓高電流短路分?jǐn)鄷r(shí)的影響。一般來(lái)說(shuō)，如圖7所示。F公司的斷路器，在U形的靜觸頭內(nèi)部放置增磁塊來(lái)形成磁吹。將原本設(shè)計(jì)方形的鐵質(zhì)增磁塊改為4塊增磁塊疊鉚在一起，疊鉚的效果是可以一定程度上提高磁場(chǎng)，但不改變體積。

圖7 兩種不同的導(dǎo)磁塊結(jié)構(gòu)Fig.7 Two Different Structures of Magnetizer

使用Ansys仿真軟件，對(duì)電動(dòng)斥力進(jìn)行仿真，在同一短路電流下，得到的結(jié)果，如表2所示。其中Fx、F y、Fz為分別為沿x、y、z軸方向的電動(dòng)斥力，合力為Ftotal。可以發(fā)現(xiàn)，b方案相對(duì)于a方案，增加了約50%的電動(dòng)斥力。電動(dòng)斥力越大，反映到斷路器上，即是觸頭斥開(kāi)更快[6]。

表2 兩種方案的電動(dòng)斥力對(duì)比（單位：N）Tab.2 Comparison of Electric Repulsion Force between Two Schemes（unit：N）

將兩個(gè)方案進(jìn)行AC415V∕150kA短路分?jǐn)嘣囼?yàn)（額定電流160A），試驗(yàn)結(jié)果，如圖8所示。可見(jiàn)，a方案的波形圖有明顯的背后擊穿，但當(dāng)方案b的磁吹效果提高后，就不再出現(xiàn)背后擊穿現(xiàn)象。

圖8 不同導(dǎo)磁塊短路分?jǐn)嗟牟ㄐ螆DFig.8 Short Circuit Breaking Waveforms of Different Magnetic Conducting Blocks

3.3 氣吹的影響

當(dāng)短路電流為高電壓低電流時(shí)，因?yàn)槎搪冯娏鬏^小，利用磁吹原理來(lái)加快分?jǐn)嗨俣鹊男Ч幻黠@，但可以利用氣吹快速滅弧原理，解決高電壓小電流短路分?jǐn)鄷r(shí)的影響。

如式（2）所示，產(chǎn)氣材料會(huì)在短路分?jǐn)鄷r(shí)產(chǎn)生氣體，對(duì)電弧進(jìn)行冷卻，因而可以降低溫度T。但有機(jī)蒸汽也會(huì)增加電導(dǎo)率σ，導(dǎo)致兩者作用相互抵消。而產(chǎn)氣效果在整個(gè)分?jǐn)嘀斜旧砭驼急炔淮螅砸酝颊J(rèn)為產(chǎn)氣材料對(duì)背后擊穿基本沒(méi)有影響[2]。

但最新研究表明，尤其在較低的短路分?jǐn)嚯娏鳎捎诖糯档挠绊懖粫?huì)非常大，而氣吹則變得相對(duì)重要，所以如果有較好的產(chǎn)氣設(shè)計(jì)，會(huì)對(duì)消除背后擊穿現(xiàn)象有較大幫助。兩臺(tái)同樣的產(chǎn)品，一臺(tái)在滅弧柵片上僅僅裝上絕緣塑料件DMC，另一臺(tái)裝上有產(chǎn)氣效果的塑料件PA6，進(jìn)行DC1500V∕15kA短路分?jǐn)嘣囼?yàn)。安裝方式，如圖9所示。短路分?jǐn)嘣囼?yàn)結(jié)果，如圖10所示。沒(méi)有產(chǎn)氣效果的那臺(tái)產(chǎn)品中，電弧反復(fù)背后擊穿，始終沒(méi)有熄滅，最后滅弧柵片都發(fā)生了燒穿現(xiàn)象，如圖11所示。而有產(chǎn)氣材料的試驗(yàn)中，電弧最終熄滅，完成了短路分?jǐn)唷?/p>

圖9 滅弧室兩側(cè)的產(chǎn)氣材料Fig.9 Gas Producing Materials on Both Sides of Arc Extinguishing Chamber

圖10 有無(wú)產(chǎn)氣材料的波形圖Fig.10 Short Circuit Breaking Waveforms with Gas Producing Material or Not

圖11 滅弧柵片燒穿現(xiàn)象Fig.11 Burning Through Phenomenon of Arc Extinguishing Grids

這表明，產(chǎn)氣材料至少在低短路電流分?jǐn)鄷r(shí)，能起到一定明顯的效果。但是，相對(duì)于滅弧柵片的設(shè)計(jì)而言，產(chǎn)氣的設(shè)計(jì)往往更難計(jì)算，無(wú)法仿真設(shè)計(jì)，目前通常只能是由試驗(yàn)得出[7-8]。

3.4 高內(nèi)阻的影響

雖然各公司的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不同，但是產(chǎn)品內(nèi)阻都比較類(lèi)似。列出四家公司160殼架的內(nèi)阻值，如表3所示。同一殼架產(chǎn)品，會(huì)有不同額定電流，用于不同使用條件。保持同樣結(jié)構(gòu)，是為了零件通用，但是為了有不同的熱過(guò)載特性，一般都會(huì)將小電流的內(nèi)阻設(shè)計(jì)得比較大，即斷路器中以銅材料（電阻率1.75×10-8Ω·m）為主回路中連接高電阻的材料，如不銹鋼（電阻率73×10-8Ω·m）等。這樣可以使得小電流產(chǎn)品也可以對(duì)發(fā)熱的雙金屬片進(jìn)行較大的熱量傳遞，從而使雙金屬片動(dòng)作，進(jìn)行脫扣，使得斷路器分?jǐn)唷５硪环矫妫瑑?nèi)阻大則會(huì)對(duì)短路分?jǐn)鄷r(shí)的電流限制很大，使得短路分?jǐn)嘁子诔晒9-10]。

表3 各公司160殼架的內(nèi)阻值（單位：mΩ）Tab.3 Internal Resistance Value of 160 Shell Frame（unit：mΩ）

選取表格中的F公司160殼架中的16A額定電流產(chǎn)品進(jìn)行AC415V∕150kA短路分?jǐn)嘣囼?yàn)，試驗(yàn)結(jié)果，如圖12所示。當(dāng)同一殼架斷路器的內(nèi)阻增加，對(duì)比160殼架的160A內(nèi)阻為0.6mΩ（波形圖如圖8），而16A的內(nèi)阻為9mΩ，波形圖如圖12。較高的內(nèi)阻，使得短路分?jǐn)鄷r(shí)候的峰值電流Ip與能量I2t都有大幅度的下降，從而使短路分?jǐn)嘧兊煤?jiǎn)單，也不易出現(xiàn)背后擊穿現(xiàn)象。

圖12 16A斷路器短路分?jǐn)嗖ㄐ螆DFig.12 Short Circuit Breaking Waveform of 16A Circuit Breaker

4 結(jié)論

背后擊穿現(xiàn)象，是影響斷路器短路分?jǐn)嘈阅艿闹匾獑?wèn)題。解釋了背后擊穿現(xiàn)象發(fā)生的原理及避免方案，指出改善產(chǎn)品的滅弧室散熱是有效的解決方法，但是在小體積的斷路器中，由于沒(méi)有空間，所以宜用磁吹法、氣吹法和內(nèi)阻法來(lái)降低短路分?jǐn)鄷r(shí)背后擊穿現(xiàn)象造成的影響。在現(xiàn)有技術(shù)條件下，國(guó)內(nèi)外研發(fā)人員都已經(jīng)開(kāi)始靈活掌握斷路器產(chǎn)品體積、成本與短路分?jǐn)嗄芰χg的關(guān)系，這有利于快速設(shè)計(jì)出符合需求的小體積、低成本產(chǎn)品。