雙斷點(diǎn)斷路器開(kāi)斷過(guò)程燃弧能量的不平衡問(wèn)題

劉洪武 謝心意 何艷峰 陳德桂

（1. 常熟開(kāi)關(guān)制造有限公司 常熟 215500 2. 西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院 西安 710049）

1 引言

由于電弧過(guò)程的內(nèi)秉隨機(jī)性，雙斷點(diǎn)開(kāi)關(guān)電器即使兩個(gè)滅弧室設(shè)計(jì)為完全對(duì)稱(chēng)，其燃弧過(guò)程也不會(huì)完全一致。以接觸器為代表的控制電器承擔(dān)正常電流的頻繁分?jǐn)嗪徒油ǎ妷勖瞧渥钪匾男阅苤笜?biāo)。此類(lèi)產(chǎn)品在AC43條件下的電壽命通常為數(shù)十萬(wàn)次到數(shù)百萬(wàn)次，甚至可達(dá)千萬(wàn)次，因此每次開(kāi)斷對(duì)觸頭造成的電磨損很小，即使兩個(gè)斷點(diǎn)之間的電弧瞬時(shí)功率不一致，只要燃弧能量在長(zhǎng)期累計(jì)的統(tǒng)計(jì)意義上是趨于一致的，就不會(huì)造成兩對(duì)觸點(diǎn)之間的磨損不勻而引起電壽命的降低。

但是對(duì)于雙斷點(diǎn)結(jié)構(gòu)的斷路器，在一次極限短路分?jǐn)噙^(guò)程中，如果兩個(gè)滅弧室的燃弧能量不平衡，將在電流過(guò)零后造成斷口之間溫度、弧隙電導(dǎo)率、初始介質(zhì)強(qiáng)度等出現(xiàn)差異，使其中一個(gè)斷口介質(zhì)強(qiáng)度偏低或是承受較高的恢復(fù)電壓，這種不平衡超過(guò)一定程度就容易引起弧后介質(zhì)擊穿而使開(kāi)斷失敗，從而制約極限短路分?jǐn)嚯娏鱅cu的提高。另外由于分?jǐn)鄻O限短路電流時(shí)的燃弧功率高，一次分?jǐn)嗑湍茉斐捎|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(xiàn)差異。如果這種差異超過(guò)一定限度，既會(huì)造成合閘接觸不可靠，也會(huì)使下一次開(kāi)斷的不平衡程度進(jìn)一步加劇，從而制約運(yùn)行短路分?jǐn)嚯娏鱅cs的提高。

雙斷點(diǎn)結(jié)構(gòu)的塑殼斷路器利用兩個(gè)斷口的電弧電壓疊加以抵消電源電壓，可以獲得優(yōu)越的限流特性和開(kāi)斷能力，因此成為近年來(lái)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的主要方向。目前的研究主要集中于強(qiáng)限流情況下的操作機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性、觸頭滅弧室的驅(qū)弧磁場(chǎng)以及內(nèi)部電氣絕緣等問(wèn)題[1-3]，未見(jiàn)針對(duì)兩個(gè)斷口之間燃弧能量平衡問(wèn)題的相關(guān)文獻(xiàn)。但從實(shí)際的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，可觀察到雙斷點(diǎn)斷路器一次分?jǐn)嗪蟪霈F(xiàn)動(dòng)觸橋觸點(diǎn)磨損嚴(yán)重不一致，極限分?jǐn)嗄芰Σ环€(wěn)定等現(xiàn)象，這些現(xiàn)象和兩個(gè)斷口之間的燃弧能量不平衡有關(guān)，并制約了產(chǎn)品的性能，這是對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行討論的意義所在。

2 雙斷點(diǎn)斷路器開(kāi)斷電弧的實(shí)驗(yàn)觀察

用于觀察電弧運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備是西安交通大學(xué)開(kāi)發(fā)的二維光纖陣列測(cè)試系統(tǒng)[4]，其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。測(cè)試系統(tǒng)的核心部分由64路完全相同的高速數(shù)據(jù)采集通道組成，每個(gè)通道的最大采樣頻率為1MHz，采集對(duì)象為電弧光強(qiáng)度。每個(gè)通道對(duì)應(yīng)一個(gè)采集點(diǎn)，所有采集點(diǎn)處于同一平面內(nèi)，各個(gè)采集點(diǎn)組成的陣列構(gòu)成一個(gè)二維區(qū)域，該區(qū)域即為測(cè)量區(qū)域。在測(cè)量區(qū)域內(nèi)一根光纖就相當(dāng)于電弧圖景中的一個(gè)像素點(diǎn)，光纖的多少也就決定了攝像系統(tǒng)的空間分辨率。

圖1 電弧運(yùn)動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理Fig.1 Schematic diagram of the arc motion measure system

系統(tǒng)利用光纖將測(cè)試點(diǎn)光強(qiáng)傳送至以光電轉(zhuǎn)換元件為核心的轉(zhuǎn)換電路，由該電路將光照強(qiáng)度信號(hào)轉(zhuǎn)換為與之對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后將各測(cè)試點(diǎn)光照強(qiáng)度隨時(shí)間的變化情況記錄保存，并在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后將相應(yīng)數(shù)據(jù)通過(guò)RS232串行通信口送至計(jì)算機(jī)。系統(tǒng)軟件根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)，用不同顏色表示對(duì)應(yīng)的光照強(qiáng)度，根據(jù)需要將測(cè)量區(qū)域各點(diǎn)瞬間發(fā)生的光照強(qiáng)度變化過(guò)程以適于觀察的速度再現(xiàn)出來(lái)，即可確定開(kāi)斷過(guò)程中電弧的運(yùn)動(dòng)形態(tài)。

實(shí)驗(yàn)觀察對(duì)象為某型雙斷點(diǎn)結(jié)構(gòu)塑殼斷路器產(chǎn)品，殼架電流及額定電流均為100A，滅弧室為非密封式結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的光纖安裝情況如圖2所示，在斷路器樣機(jī)側(cè)壁上開(kāi)設(shè)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(yīng)小于柵片間距，并由MCCB的外殼一直穿透滅弧室側(cè)板，這樣才能觀察到滅弧室內(nèi)部柵片之間電弧的運(yùn)動(dòng)情況。觀察區(qū)域覆蓋整個(gè)觸頭與滅弧室在側(cè)壁的投影區(qū)域，即可觀察到電弧的運(yùn)動(dòng)全貌。

圖2 觀察電弧運(yùn)動(dòng)的光纖系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)安裝情況Fig.2 Configuration of the fiber array for arc observation

提供實(shí)驗(yàn)電流的設(shè)備是單頻振蕩回路，其基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。其工作原理是：實(shí)驗(yàn)前主合閘開(kāi)關(guān) S2斷開(kāi)，充電開(kāi)關(guān) S1閉合，交流電源經(jīng)過(guò)調(diào)壓器T升壓后，通過(guò)整流橋B變?yōu)橹绷鳎瑢?duì)電容器組C充電；充電至所需實(shí)驗(yàn)電壓后斷開(kāi)S1，實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備就緒。實(shí)驗(yàn)時(shí)接通主合閘開(kāi)關(guān)S2，由電容器組C、電感L、試品SP、分流器F構(gòu)成一個(gè)典型的單頻振蕩回路，C、L的固有參數(shù)決定了其振蕩頻率為50Hz，放電電流的預(yù)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(gè)阻值為 90μΩ的無(wú)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(kāi)斷電弧運(yùn)動(dòng)的觀測(cè)結(jié)果，從電弧亮度隨時(shí)間的變化情況看，雙斷點(diǎn)結(jié)構(gòu)的兩個(gè)滅弧室之間，存在電弧功率的動(dòng)態(tài)不平衡。圖中當(dāng) t=2.6ms時(shí)，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(dāng) t=5.6ms時(shí)，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(shí)功率的交替變化過(guò)程在一個(gè)開(kāi)斷過(guò)程中出現(xiàn)多次，并且即時(shí)燃弧功率的降低，在時(shí)間上總是與弧柱退出柵片區(qū)域，在滅弧室后方重燃是一致的。

圖4 從電弧運(yùn)動(dòng)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(shí)值大致反映了局部的電弧功率，那么電弧亮度對(duì)時(shí)間的積分就近似反映了電弧的能量。為便于比較兩個(gè)滅弧室的燃弧能量，定義某個(gè)滅弧室電弧亮度L為在一次開(kāi)斷過(guò)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(duì)時(shí)間t積分的總和

A與3位轉(zhuǎn)換精度相對(duì)應(yīng)，為從0～7的整數(shù)。與實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ凸饫w觀察孔位置相對(duì)應(yīng)，設(shè)用于觀察上方弧室的n1根光纖的亮度積分和為L(zhǎng)1，用于觀察下方弧室的n2根光纖的亮度積分和為L(zhǎng)2，試驗(yàn)結(jié)果二者比值為L(zhǎng)1∶L2=1.36，說(shuō)明在設(shè)計(jì)不合理的雙斷口結(jié)構(gòu)中，一次開(kāi)斷過(guò)程中的燃弧能量可能出現(xiàn)較大幅度差異。

從實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果看，電弧在滅弧室后部反復(fù)重燃，是典型的電弧背后擊穿現(xiàn)象[5-8]。其機(jī)理是：電弧在電磁場(chǎng)和流場(chǎng)的作用下進(jìn)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(shí)滅弧室背后區(qū)域，即跑弧道上仍存在一定的游離氣體，由于突然產(chǎn)生較高的電弧電壓，使背后區(qū)域發(fā)生擊穿而出現(xiàn)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(jìn)入柵片的電弧消失，弧柱主體退回到柵片外燃燒，這種現(xiàn)象在斷路器開(kāi)斷過(guò)程會(huì)反復(fù)出現(xiàn)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(duì)于兩個(gè)串聯(lián)斷口來(lái)說(shuō)，通過(guò)兩個(gè)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(kāi)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(guò)程十分復(fù)雜。但如果兩個(gè)滅弧室結(jié)構(gòu)上完全對(duì)稱(chēng)，并且觸頭在打開(kāi)過(guò)程中，動(dòng)觸橋的轉(zhuǎn)動(dòng)中心被限制在兩個(gè)滅弧室的對(duì)稱(chēng)中心上，則開(kāi)距、電流這兩個(gè)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(jié)構(gòu)上的原因，實(shí)驗(yàn)中要分別獲得兩個(gè)斷口上的電弧電壓存在困難，但從對(duì)電弧運(yùn)動(dòng)的觀測(cè)情況看，電弧亮度（即時(shí)功率）減弱的同時(shí)，弧柱從被柵片分割的通道轉(zhuǎn)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(gè)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(xiàn)象是引起斷口電壓波動(dòng)的直接原因。而如果抑止背后擊穿的發(fā)生，將避免電弧電壓的波動(dòng)，使兩個(gè)斷口間的燃弧能量區(qū)域平衡。

目前學(xué)術(shù)界一般用熱擊穿模型來(lái)解釋電弧背后擊穿現(xiàn)象，其過(guò)程是電弧進(jìn)入柵片區(qū)時(shí)，被分割成許多短電弧，在背后區(qū)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(guò)，本文稱(chēng)這種背后空間的電流為剩余電流，這時(shí)電弧背后擊穿現(xiàn)象可用圖5所示的電路模型來(lái)解釋。

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

將柵片區(qū)和背后區(qū)看作兩個(gè)并聯(lián)的電流回路，分別用可變電阻RA和RB來(lái)表示，由于背后擊穿過(guò)程很短暫，假定通過(guò)斷路器的總電流Itot不變，則電路模型可為一電流源電路。當(dāng)電弧電壓由于近極壓降的疊加而突然增大時(shí)，背后區(qū)域的輸入能量增大。若這一能量大于以傳導(dǎo)、對(duì)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(dǎo)變大，等效電阻變小，使電流向背后區(qū)轉(zhuǎn)移，并進(jìn)一步引起輸入能量增大，而使其溫度繼續(xù)增高，這一過(guò)程進(jìn)一步發(fā)展就造成電弧的熱擊穿。在背后區(qū)域出現(xiàn)新的電弧，新的電弧短接了原處于柵片的電弧，出現(xiàn)了電弧電壓的驟降，這就是電弧背后擊穿過(guò)程。

若輸入背后區(qū)域的能量為 Win，輸出的能量為Wout，則是否產(chǎn)生熱擊穿的條件可歸納為：當(dāng)Win＞W(wǎng)out，發(fā)生熱擊穿；Win＜Wout，不發(fā)生熱擊穿；Win=Wout為臨界狀態(tài)。Clemens G.[9]從能量平衡方程式出發(fā)，先忽略對(duì)流和輻射散熱，取E為背后區(qū)域通道平均電場(chǎng)強(qiáng)度，T為平均初始溫度，σ 為電導(dǎo)率，λ為熱導(dǎo)率，并設(shè)通道內(nèi)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(chǎng)強(qiáng)Estriking與通道平均初始溫度T0的關(guān)系：臨界場(chǎng)強(qiáng)與通道平均初始溫度呈負(fù)相關(guān)，即T0越高，Estriking越低；并且在T0＜6000K的區(qū)域內(nèi)，Estriking隨T0的變化率很高；另外背后通道的熱氣體的電導(dǎo)率σ對(duì)臨界場(chǎng)強(qiáng)也有重要影響，在其他條件相同的情況下，臨界場(chǎng)強(qiáng)隨電導(dǎo)率的升高而降低。

塑殼斷路器開(kāi)斷過(guò)程的短間隙大電流電弧，是一種金屬蒸氣占主導(dǎo)地位的電弧，電弧進(jìn)入柵片后，背后區(qū)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(qū)域的氣體具有較高電導(dǎo)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(rèn)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(chǎn)物并作用于電弧過(guò)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(chǎn)物稀釋了弧隙中的金屬蒸氣濃度，使電導(dǎo)率下降，從而達(dá)到有效抑制背后擊穿的目的[10-11]。為了配合絕緣產(chǎn)氣材料的使用，特別是為了增加滅弧室壓強(qiáng)并獲得對(duì)氣流場(chǎng)的控制，將滅弧室設(shè)計(jì)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(nèi)壓強(qiáng)，又可進(jìn)一步形成向外的氣流，更好地抑制背后擊穿的發(fā)生。

為了對(duì)上述分析進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，本文按照相應(yīng)特征設(shè)計(jì)了一個(gè)模型滅弧室，圖6為其結(jié)構(gòu)示意。模型具有 250A殼架級(jí)別塑殼斷路器滅弧室的典型尺寸及基本結(jié)構(gòu)特征，為旋轉(zhuǎn)觸橋式結(jié)構(gòu)，動(dòng)觸橋的金屬鉸接軸伸出基座外殼，作為電位測(cè)量的基準(zhǔn)點(diǎn)，可分別測(cè)量?jī)蓚€(gè)斷口的電弧電壓。滅弧室為封閉式結(jié)構(gòu)，并在動(dòng)觸頭兩側(cè)裝有產(chǎn)氣材料尼龍66。為了對(duì)電弧運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行觀測(cè)，在模型側(cè)壁上開(kāi)設(shè)了光纖觀察孔，用于安裝測(cè)量電弧運(yùn)動(dòng)的光纖陣列。模型沒(méi)有設(shè)計(jì)脫扣器及操作機(jī)構(gòu)，觸頭的打開(kāi)完全依賴(lài)于電流產(chǎn)生的電動(dòng)斥力，但是在極限短路開(kāi)斷的情況下，這種方式的電弧過(guò)程與實(shí)際斷路器非常接近。

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

以振蕩回路作為實(shí)驗(yàn)電源對(duì)模型滅弧室進(jìn)行了預(yù)期短路電流為10kA的開(kāi)斷實(shí)驗(yàn)，圖7是實(shí)驗(yàn)測(cè)得的電流波形及兩個(gè)斷口的電弧電壓波形。從波形上看，兩個(gè)斷口的電弧電壓基本處于平衡，從光纖陣列測(cè)試系統(tǒng)對(duì)電弧運(yùn)動(dòng)情況的觀察結(jié)果看，在開(kāi)斷過(guò)程中依然發(fā)生了局部的電弧背后擊穿現(xiàn)象，但是擊穿次數(shù)明顯少于圖4的情況，并且僅在局部區(qū)域發(fā)生，弧柱主體在柵片分割電弧的柵片區(qū)域燃燒，兩個(gè)斷點(diǎn)的電弧形態(tài)基本一致。

圖7 雙斷點(diǎn)模型滅弧室的開(kāi)斷波形Fig.7 Waveforms of arc current and voltage of the arc chamber model

兩個(gè)滅弧室的電弧亮度對(duì)時(shí)間的積分比 L1∶L2=1.04，由電流電壓波形積分得到的兩個(gè)滅弧室的燃弧能量比 W1∶W2=1.06，兩種對(duì)燃弧能量分配的實(shí)驗(yàn)判據(jù)趨于一致，表明在此開(kāi)斷條件下，兩個(gè)斷口間的燃弧能量趨于平衡；同時(shí)也說(shuō)明圖4中利用光纖陣列得到的電弧光強(qiáng)對(duì)時(shí)間的積分來(lái)間接判斷燃弧能量具有合理性。

4 結(jié)論

（1）雙斷點(diǎn)結(jié)構(gòu)的斷路器開(kāi)斷過(guò)程中，兩個(gè)串聯(lián)斷口之間可能存在電弧即時(shí)功率的交替變化過(guò)程，引起燃弧能量的不平衡。

（2）在結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)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(xiàn)象引起的電壓波動(dòng)。

（3）使用合適的產(chǎn)氣材料并采用封閉式的滅弧室設(shè)計(jì)，能夠有效抑制背后擊穿。而一旦滅弧室內(nèi)的電弧背后擊穿現(xiàn)象被抑制，電弧通道將穩(wěn)定在被柵片有效分割的路徑上，如果串聯(lián)的滅弧室結(jié)構(gòu)上對(duì)稱(chēng)，其燃弧能量將趨于平衡。

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