淺析直流快速斷路器的滅弧系統

劉德梅

直流快速斷路器的滅弧系統對設備安全運行至關重要。因為斷路器分斷電流時所產生的電弧將燒損觸頭并危及絕緣,嚴重的情況下甚至會引起斷路器的爆炸,造成火災。因此,對滅弧系統的設計務必謹慎。筆者在此對直流快速斷路器的滅孤系統、各種滅孤室的滅弧原理及設計滅弧系統中的注意事項做一些簡單介紹。

一、直流快速斷路器的熄弧機理

分斷直流電路時,如被分斷的電流以及分斷后加在觸頭間隙的電壓都超過一定數值,則觸頭間直接產生電弧。電弧總壓降Uh由陽極壓降Ua、陰極壓降Uk以及弧柱壓降Uz三部分組成,即:Uh=Ua+Uz+Uk ,其中Ua與Uk之和為近極壓降、Uz=EZ?LZ (EZ弧柱電位梯度,V/cm ;LZ電弧長度,cm )。實踐和理論都證明:增大直流電弧的總壓降Uh可以提高直流電弧的靜伏安特性,促進直流電弧的熄滅。

二、直流快速斷路器中促進電弧熄滅的常用措施

1.增加近極壓降

如用金屬柵片將電弧分割成一系列串聯的短弧,因為每一短弧都有一陰極壓降和陽極壓降,所以可以使總的電弧電壓大為增加。

2.拉長電弧

在有限的弧室空間內增大電弧長度LZ ,可以提高電弧電壓Uh,促進電弧的熄滅。其具體方法有增加觸頭開距、利用電動力磁吹滅弧等。

3.增大弧柱電位梯度EZ

設法增大EZ可以提高電弧電壓,具體方法有:(1)增大電弧周圍氣體介質的壓力。 (2)增大電弧與流體介質之間的相對運動速度,以提高去游離強度。(3 )使電弧與耐弧的絕緣材料(如石棉水泥板或陶土等)密切接觸。依靠耐弧絕緣材料對電弧的冷卻作用以及表面復合作用,使EZ增大。

三、直流快速斷路器中各種常用滅弧室的滅弧原理

1.金屬柵片滅弧室

金屬柵片滅弧室的滅弧原理是將電弧分割成許多串聯的短弧,以增加近極壓降,提高電弧總壓降,促使電弧熄滅。它一般是用 1～4 mm 厚的金屬柵片疊裝而成,柵片可用鐵或銅制成,相互絕緣,片間距離一般為 1～10mm,平行或扇形地安裝在滅弧室中。金屬柵片滅弧具有結構簡單、分斷時過電壓值較低且實際分斷電流值較大等特點。

2.部分絕緣柵片滅弧室

這種滅弧室是利用金屬柵片將電弧分割成許多短弧,增多近極壓降、增加電弧電壓,并在磁場力的作用下使弧根沿著導弧角進入柵片中,迅速地被拉長;耐電弧材料可加強對電弧的表面復合作用和促使電弧冷卻直至熄滅。這種滅弧室具有結構簡單、分斷電流時過電壓值低、熄弧能力強且體積較小等優點。

3.絕緣鋼片滅弧室

這種滅弧室是在原迷宮式滅弧室的絕緣隔板內嵌入導磁性鋼片,以增強對電弧的吸引力,加速電弧運動,拉長電弧并與絕緣隔板摩擦,利用表面復合作用和冷卻作用熄滅電弧。一般這種滅弧室還需要有吹弧鐵心,有時亦可以利用主觸頭回路的電磁場,不再另加吹弧線圈。絕緣鋼片滅弧室具有熄弧能力強、電弧電壓上升梯度大和熄弧容易等特點;但制造工藝較為復雜、成本較高和分斷時過電壓也較高。

4.螺旋電弧滅弧室

這種滅弧室是利用特殊的導弧角將直流電弧分割成許多段,在電動力作用下電弧形成螺旋狀,借助于相互間的電動力將電弧拉長,并與絕緣的滅弧室壁板摩擦,使電弧冷卻直至熄滅。其主要優點是結構緊湊、滅弧室外形尺寸較小、熄弧快和分斷時過電壓也不高;其主要不足是需要有磁吹力將電弧吹入各小弧角后,滅弧室才能發揮效能。

四、直流快速斷路器滅弧系統設計中的一些注意事項

第一,直流快速斷路器分斷電感性負載時,弧隙電壓瞬間可升高為電源電壓的數倍,電路電感L越大,過電壓越高;當電弧電流趨近于零時,電流下降速度越快,即弧隙去游離作用越強,過電壓越大。因此,為避免產生太高的過電壓,直流電弧不宜片面追求過強的滅弧措施,為進一步減小過電壓,可以增加消耗電感能量的措施。

第二,柵片間距越大,電弧在柵片中運動的速度越快,柵片對電弧的去游離作用減弱,不利于熄弧。但柵片間距太小,電弧運動的速度變慢,電弧與柵片的接觸緊密,去游離作用加強,但有可能使游離氣體排出不暢,氣體阻力較大,在大電流分斷時游離氣體較多.有產生反吹的危險。所以,柵片間距的選擇應適中,既能使大量灼熱氣流暢通,又能使大量游離氣體得到較強的去游離。

第三,快速斷路器的臨界負載電流分斷:快速斷路器分斷回路電流時使其燃弧時間最長的電流,往往并不是它的極限短路分斷電流,而通常可能是比其額定電流小得多的某一電流值,稱為臨界負載電流。如在設計中發現燃弧時間太長或持續燃弧,則應適當加強磁吹力以提高電弧運動速度。

(作者單位:杭州市第一機械技工學校)