直流空氣斷路器電場分布對重擊穿影響分析

徐庭偉，馬子文，黃 中，董宏憲，任志剛

直流空氣斷路器電場分布對重擊穿影響分析

徐庭偉，馬子文，黃 中，董宏憲，任志剛

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

為了解決直流空氣斷路器的重擊穿問題，本文簡要分析了重擊穿的基本過程和機理，闡述了電場分布因素對重擊穿過程的重要影響，并提出了一種通過靜電場計算來分析和預測斷路器重擊穿及其發生位置的方法，為抑制斷路器的重擊穿，提高空氣直流斷路器的性能和可靠性提供了幫助。

直流空氣斷路器 重擊穿 靜電場 仿真

0 引言

直流供電系統能提供高質量，易調控，低損耗的電能，因此在軌道交通、分布式發電、船用電力系統等領域的應用規模越來越大[1,0]。直流空氣斷路器結構簡單，動作可靠且成本低廉，是直流輸配電系統的重要保護設備。

直流空氣斷路器主要是利用高電弧電壓來進行限流熄弧，完成開斷，其主要過程可由（1）式簡述：

通過變換得：

其中U為電源電壓，為回路電流，為斷路器電阻，U為電弧電壓，為系統電感。若忽略斷路器內阻，要限制電流須電弧電壓高于電源電壓，因此空氣斷路器開斷能力受電弧特性影響極大，電流大小、滅弧室結構、柵片排列等因素都能通過電弧間接影響斷路器開斷[3,4]。

金屬柵片型滅弧室利用金屬柵片切割電弧并形成多段短弧，而每段短弧固有的近極壓降串聯后能在受限空間內獲得較高的弧壓，因此在空氣斷路器中得到廣泛應用。隨著系統電壓和容量的升高，滅弧所需電弧電壓隨之上升，分段過程中的電弧重擊穿問題更加突出。等離子體擊穿場強閾值受氣體種類、壓力、溫度、容器形狀等多種因素影響，當實際電場強度高于該閾值時，即發生擊穿[5]。重擊穿發生時，斷路器電弧電壓迅速跌落或劇烈振蕩，電弧電壓難以達到預期，造成開斷失敗和設備的嚴重燒損。

1 直流空氣斷路器重擊穿

金屬柵片式的空氣斷路器重擊穿的基本過程如圖1。觸頭分離產生電弧后，在氣體壓力與電磁力驅動下向滅弧室出口運動，如圖1（a）。隨后電弧開始進入滅弧室，并被金屬柵片切割為數段短弧，如圖1（b）。正常開斷時，隨著柵片切割形成的短弧數目增加，電弧電壓迅速上升使電流受到限制，最終電弧熄滅，如圖1（c）。若電弧的背后區域發生重擊穿，那么新電弧會導致原電弧被短接而熄滅，電弧電壓迅速下降至新電弧水平，如圖1（d）。

圖1 電弧重擊穿的基本過程

與交流系統中電流過零后發生重擊穿不同，直流斷路器的重擊穿一般發生在電弧拉伸和柵片切割的過程。空氣斷路器電弧弧心溫度極高，電弧運動后殘留的高溫氣體通過光譜測量溫度高達4000 K以上，氣體熱電離顯著，因此對于重擊穿發生的原因，目前主要認為是該區域在不斷升高的電弧電壓影響下的熱擊穿[7,8]。

圖2（a）為直流空氣斷路器試驗中發生重擊穿時所記錄的電弧電壓波形，試驗參數為試驗電壓1.8 kV，試驗電流 2 kA，時間常數5 ms。從圖可以看到在電弧電壓首次達到約1.5 kV時發生重擊穿，電壓在1 ms內下降至327 V，隨后電弧電壓再次上升，整個燃弧時間約38 ms。雖然回路電流最終被成功分斷，但燃弧時間明顯增加，試驗過程中的聲光效應也更加顯著。試驗后將斷路器滅弧室拆下觀察，發現導弧板的尖角部位發生嚴重燒蝕，如圖4（b）所示，表明電弧弧根在該位置長時間停留，結合試驗電壓波形，可以確定該部位即電弧重擊穿發生位置。

空氣斷路器電弧的重擊穿的直接原因是介質的絕緣強度不足，即絕緣強度的恢復速度跟不上施加在介質上的電弧電壓的上升速度。由于直流系統中無自然過零點，介質恢復的條件更加嚴峻，重擊穿更易發生。輸入介質的能量是影響介質恢復狀態的一個重要指標，而從能量平衡角度考慮，忽略對流和散熱，可以得到以下關系式[6]：

當輸入介質的能量與輸出的能量相等，即熱平衡狀態時，認為此時為介質恢復與擊穿之間的臨界狀態，（3）式可簡化為

式中為通道電導率，為通道電場強度，為熱導率，為氣體溫度；為氣體密度；為氣體比熱容。從（4）式可以看出電場強度電導率，溫度都是影響重擊穿發生的因素，其中電場更是以平方的形式產生影響。

圖2 電弧電壓波形(a)和被燒蝕的導弧板(b)

2 一種斷路器重擊穿的靜電場分析方法

由于斷路器本身結構復雜且燃弧時溫度較高，除端口特性外的其他內部參數獲取難度較大，因此采用數值方法對斷路器開斷過程進行仿真計算成為重要的輔助手段。西安交通大學榮命哲等人通過建立磁流體動力學（MHD）模型對直流空氣斷路器開斷過程中電弧運動和相關物理過程進行了仿真計算，計算結果與實際實驗數據具有較好的一致性[6-8]。該方法為了準確地模擬各個物理量之間的相互影響，采用了電磁場、熱場、流體場的多物理場聯合仿真，且對模型進行了細致的網格劃分，因此存在建模與仿真的工作量大，靈活性低的問題，目前工程應用的難度較高。

考慮到電場因素對重擊穿的影響，本文建立了仿真計算模型進行進一步分析。重擊穿發生前時刻，電弧處于如圖1（b）所示位置，此時電弧背后區域游離氣體得到初步冷卻，電導率已經下降。此時背后區域漏電流遠低于斷路器總電流，因此可假設背后區域在重擊穿前絕緣基本恢復，將電場分布近似等效為電弧電壓大小的電壓源激勵施加在金屬觸頭上所形成的靜電場，據此建立仿真計算模型。

圖3 直流空氣斷路器滅弧室結構示意圖

對所建立斷路器靜電場模型補充以下說明：

1）金屬柵片以及串聯電弧在理論上會對背后區域的電場產生影響，但實際上通過對比計算顯示由于其距離觸頭區域較遠，其電場貢獻極低（5%以下），可以近似忽略。

2）金屬材料在電場中會發生靜電屏蔽現象，部分區域會被周圍的突出的金屬結構所屏蔽，因此在電場計算中可以進行大幅簡化。

3）重擊穿發生前觸頭分閘基本到位，因此考慮分閘狀態下的觸頭位置具有代表性。

3 計算結果與優化

圖4 原滅弧室仿真計算結果

仿真計算得到電場分布如圖4所示，場強最高的位置位于動觸頭上端面與引弧板之間區域，最大場強達到約1.1 kV/cm，平均場強也遠高于其他區域，達到887 V/cm以上,成為最可能發生重擊穿的位置，這與圖2中顯示的試驗后滅弧室內部燒蝕位置相一致。

為了在不大幅改變斷路器整體結構的情況下降低電場強度，僅對導弧板的位置和長度進行了調整，并將相關結構的邊沿進行了倒角處理。使用優化后的模型進行計算的結果如圖5所示，動觸頭與導弧板間的最高場強為891 V/cm，相比優化前下降了19.0%，平均電場強度為525 V/cm，相比優化前下降了59.2%。

圖5 優化后滅弧室電場分布

使用優化后的滅弧室在相同回路參數下進行試驗，得到的斷路器端口電壓波形如圖6所示：可看到，電弧電壓的上升過程雖然還存在波動，但并未出現大幅度的電壓跌落，總體呈現穩定上升的趨勢，總燃弧時間24.3 ms，較優化前減少13.7 ms。觀察試驗后的斷路器滅弧室，未發現嚴重燒蝕情況。該試驗結果說明針對滅弧室導弧板采取優化措施有效避免了斷路器電弧重擊穿的發生，該優化方案取得了預期的效果。

圖6 優化后斷路器電弧電壓波形

4 結論

本文通過建立斷路器的靜電場分析模型進行計算分析，對直流空氣斷路器滅弧室進行了優化，解決了斷路器分斷過程中的重擊穿問題，并可得出以下結論：

1）直流空氣斷路器重擊穿會使電壓嚴重影響其開斷性能，而重擊穿前滅弧室的電場分布對重擊穿具有重要影響。

2）使用靜電場分析方法對優化直流空氣斷路器內部電場分布及解決電弧重擊穿問題具有理論上的合理性和可行性。

3）通過對關鍵區域進行仿真計算，可以預測和評估空氣直流斷路器中的易發生重擊穿的薄弱位置。

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The Analysis of Effect of Electric Field Distribution on Arc Restrike of Air DC-Circuit Breaker

Xu Tingwei, Ma Ziwen, Huang Zhong, Dong Hongxian, Ren Zhigang

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM561

A

1003-4862（2019）03-0018-03

2018-11-02

徐庭偉（1994-），男，碩士。研究方向：艦船直流保護電器。E-mail: xpxfmm@163.com