低壓斷路器飛弧危害及其改進措施

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中被廣泛應用的一種機械開關電器，具有短路保護、過載保護和隔離等功能，主要適用于額定電壓不超過交流1000V或直流1500V的電路中作不頻繁轉換及電動機不頻繁起動之用。

當低壓斷路器斷開電流時，如果電路電壓不低于10～20V，電流不小于80～100mA，電器的觸頭間便會產生電弧，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，在產品使用說明書中，生產廠家都會標明產品的飛弧距離，即在規定的條件下，如額定電壓、功率因數下按規定程序分斷規定短路電流時飛弧飛出的距離。當飛弧距離為零時稱為零飛弧。

1 飛弧的危害

飛弧溫度高達數千攝氏度，飛弧本身也具有導電性能，所產生的危害非常嚴重。在電力行業中，開關電器噴出的電弧，可能直接噴到開關柜、配電屏等接地的金屬框架上，將造成金屬導體損毀、線路出現非正常的浪涌電壓、燒傷操作人員、燒毀設備，使絕緣件老化等狀況，重則發生短路故障、產生爆炸、釀成火災，威脅生命和財產的安全，在石油、化工、礦業等行業中，更需要注意飛弧的危害。低壓配電柜設計時為了追求較小體積從而壓縮內部空間，這會增加內部發生電弧故障的概率，如在新能源風電系統中變流器柜及箱變柜內空間有限，飛弧將可能損壞其他設備，造成事故，由于安全性需要，對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，飛弧距離大必然會造成配電柜體積大，也會造成耗材增加，成本上升。

2 電弧檢測

低壓斷路器飛弧檢測在額定極限斷路分斷能力和運行極限斷路分斷能力試驗時進行，試驗方法和電路在 GB/T 14048.1《低壓開關設備和控制設備第1部分：總則》等標準中都有規定（如圖1），主要驗證在分斷電流瞬間其觸頭間噴出的電弧是否會造成對地或極間飛弧短路。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中點劃線框）上的電路就是飛弧檢測電路。在標準中對熔絲的直徑和預期故障電流等都作了規定：熔斷元件F采用直徑φ 0.8mm、長度至少50mm銅絲或等效的熔斷體；熔斷元件電路中的預期故障電流一般應為1500×(1±10%)A等。

圖1 分斷能力及飛弧檢測試驗電路圖

試驗時有兩種性質不同的飛弧檢測電路，一種是模擬對“地”電弧，即對斷路器的金屬外殼、底座和安裝支架等必須接地構件的電弧；另一種是模擬對帶不同電位的帶電體間的電弧，包括斷路器內部各極間飛弧和對鄰近其他帶電體的飛弧，在這種情況時需要金屬絲網設置在試品周圍各點，絲網的布置及距離由制造廠規定。試驗時電器在正常運行時的所有接地部件（包括外殼和金屬絲網）應與地絕緣，并應接至圖1中的指定點。

在試驗中判定有無飛弧是根據飛弧檢測電路中的熔斷元件是否熔斷來判斷。由于試驗時噴出的飛弧與熔斷元件相連的試品接地部件或金屬絲網間有一定的電位差，當噴出的電弧使附近的空氣被電離成導電狀態或直接噴射到接地部件或金屬絲網后，總有一定的電弧電流要經過限流電阻 RL和熔斷元件F到達電源中性點或人為中性點。如果此電流足夠大或持續時間長，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。為了適用市場需要，國內外低壓斷路器的設計制造單位在提高斷路器分斷能力的同時，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觸頭及滅弧系統結構提高滅弧性能、采用消游離裝置等吸弧、采用限流結構、采用雙斷點結構、采用真空滅弧室等。

3.1 改進觸頭及滅弧系統結構，提高滅弧性能

在出現各種故障使斷路器動、靜觸頭分斷電流時，觸頭之間產生強烈的電弧，滅弧室內的鐵質柵片被磁化，產生吸力把電弧引向滅弧室，將電弧拉長并分隔成短弧，利用鐵柵片對電弧的冷卻，以提高電弧電阻和電弧電壓，將電弧熄滅。通過對斷路器觸頭及滅弧系統進行改進可提高滅弧性能，縮短飛弧距離，如設置增磁塊增加引弧磁場，改進弧根轉移特性；優化滅弧柵片數量和開距，提升靜態伏安特性；采用絕緣狹縫增壓氣吹滅弧技術加強電弧冷卻，采用產氣材料加強氣吹，如圖2所示。此外還可采取增大觸頭開距、增加（觸頭）斷口等措施加強滅弧能力等。

圖2 帶產氣材料夾層的柵片滅弧室

3.2 采用限流結構

限流斷路器具有較好的限流效應，分斷預期短路電流時，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。國內外先進的斷路器基本都采用限流型結構，采用平行導體、VJC（金屬蒸汽噴流控制）、磁吹線圈（使電弧加速進入滅弧室）等技術，實現尚未達到預期短路電流峰值前就將故障電路切斷的良好效果。限流技術在低壓斷路器中充分得以應用，一些塑料外殼式斷路器分斷能力在AC400V時達到150kA，而實際分斷值不到預期短路電流的10%，其只為預期值的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形限流結構，其靜觸頭導電桿有一個U形回路，能使電流在動靜觸頭回路流動時方向相反，增加動靜觸頭間的電動斥力，由于電流在靜導電桿和動導電桿中流向相反，動觸頭受到的回路力FL為向上的斥開的力，加上因電流收縮引起的Holm力FH，動觸頭所受到的總的電動斥力為 FL+FH，當有大電流流過時利用觸頭及導電體的電動斥力，盡早斥開觸頭，觸頭先于過電流瞬時脫扣器動作前就斥開，預期短路電流未達峰值前就將故障電路切斷。同時強迫電流過零，引出電弧，電弧電阻抑制短路電流上升，實際分斷的電流很小，限流系數小于 10%（如圖 4所示），借助滅弧措施，快速滅弧，通電時間很短，飛弧極少甚至無飛弧。

圖3 斷路器U型限流觸頭結構

圖4 限流系數

3.3 采用消游離裝置等吸弧

在斷路器電源端的噴弧口內裝消游離滅弧器或金屬網格狀的滅焰器等，可有效冷卻和吸收分斷短路電流時產生的電弧，減少電弧飛出產品外，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。國內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，防止電弧飛出產品外達到零飛弧效果。

圖5 一種帶有去游離柵片的滅弧罩

3.4 第四代雙斷點結構

第四代塑殼斷路器主要采用旋轉式雙斷點封閉式結構（見圖6），其本質上是增加觸頭斷口的措施。在斷開電流時每一觸頭承受 1/2電壓，恢復電壓幅值低，介質恢復強度容易超過恢復電壓增幅，可以降低分斷能量，提高分斷指標，減少分斷時產生的游離氣體、電弧粒子。其觸頭系統封閉，相當于觸頭背后區域的封閉，分斷產生的氣體壓力強行使電弧快速進入滅弧室，起到快速滅弧的效果；同時還可以利用氣體壓力推動機構脫扣桿，快速打開機構，提高斷路器的分斷能力，觸頭滅弧系統還采用平行導體增強電動斥力的原理從而達到提高限流系數效果，動觸頭還采用了斥開限位結構防止觸頭二次合閘，從而使分斷指標大幅度提高，其產生電弧極少。

圖6 雙斷點觸頭結構

3.5 采用真空滅弧室

低壓斷路器滅弧系統采用真空滅弧室可實現零飛弧，如西門子公司的3WS1萬能式斷路器等。真空滅弧室主要由氣密絕緣外殼、導電回路、屏蔽系統、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，靠密封在真空中的一對觸頭來實現電路的通斷，當其斷開一定數值的電流時，動靜觸頭在分離的瞬間，電流收縮到觸頭剛分離的一點上，出現電極間電阻劇烈增大和溫度迅速提高，直至發生電極金屬的蒸發，同時形成極高的電場強度，導致極強烈的發射和間隙擊穿，產生真空電弧，當工頻電流接近零時，同時觸頭開距增大，真空電弧的等離子體很快向四周擴散，電弧電流過零后，觸頭間隙的介質迅速由導電體變為絕緣體，于是電流被分斷。

圖7 真空滅弧室結構

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向外界噴濺沒有外逸電弧，在開關柜中安裝時可不考慮飛弧距離，能大幅度提高使用安全性，也有利于環境保護；真空滅弧室維護更換方便，具有優良的絕緣性能。但真空滅弧室存在成本偏高等問題。

4 結論

低壓斷路器在低壓配電系統中用量大，但在分斷過程中會產生電弧，電弧飛出產品外形成飛弧，飛弧危害性大，其檢測要符合相關標準規定，降低飛弧距離主要有改進觸頭及滅弧系統結構提高滅弧性能、采用消游離裝置等吸弧、采用限流結構、采用第四代雙斷點結構、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的安全性，還可以縮小配電柜體的體積，降低成本，同時智能化的低壓電器要求具有模塊化、高性能指標、小型化等特點，其自身也對減小飛弧距離提出了要求。

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