低压限流断路器背后击穿现象的数值模拟研究

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1、低压限流断路器背后击穿现象的数值模拟研究陈旭　陈德桂摘　要：低压限流断路器是广泛应用于工业与民用的低压电器。它采用多个栅片的灭弧室，利用近极压降将进入到灭弧室中的电弧电压提升到一个较高的值，从而在开断电路的同时还起到对短路电流的限制。但目前发现在开断过程中电弧反复进出灭弧栅片的背后击穿现象引起电弧电压的突降，降低了开断性能。根据实际开断物理过程，建立了以热击穿为主的背后击穿物理模型，运用气流场，结合热场、磁场与电流分布，计算模拟了低压限流断路器在开断过程中电弧运动状况与背后击穿现象。关键词：断路器；电弧；背后击穿分类号：TM561.1　文献标识码：A文章编号：0258-8013(2000)03

2、-0016-05RESEARCHONSIMULATIONOFTHEBACKCOMMUTATIONINLOW-VOLTAGECURRENT-LIMITINGCIRCUITBREAKERCHENXu　CHENDegui(Xi'anJiaotongUniversity,Xi'an710049，China)ABSTRACT：Low-voltagecurrent-limitingcircuitbreakeriswidelyusedinindustrialanddomesticinstallations.Withachutesarcquenchingchamber,currentlimitingcircu

3、itbreakercanliftthearcvoltagetoahighvaluethroughpolarvoltagedropandlimittheshortcircuitcurrentwhileinterruptingcircuit.Nowthebackcommutation,duringwhicharcmovesinandoutofchutes,leadstoarcvoltagedropandworsentheperformanceofcircuitbreaker.Inthepaper,abackcommutationmathematicalmodelbasedonheatrestrik

4、eisbuiltaccordingtotheinterruptingprocess.Solvingdifferentialequationsforthemass,momentumandheatbalance,thebackcommutationoflowvoltagecurrentlimitingcircuitbreakerissimulated.KEYWORDS：circuitbreaker;arc;backcommutation▲1　引言　　低压断路器是低压配电支路的主开关。随着电力事业的发展，对其数量要求越来越大，对其开断性能要求也越来越高，但低压断路器的设计长期以来凭借经验，通过样机制

5、作和大量试验来确定设计方案，需要耗费大量人力、物力，并且新产品开发周期很长，不能适应我国电力事业的发展。近年来，由于计算机技术的发展和开关电弧数学模型研究方面的成就，使低压断路器开断特性的计算机数值分析成为可能。人们开始探索以磁流体动力学为基础的低压电器开关电弧动态模型的建立，原先这种模型在高压喷口电弧的描述方面国内外都有一些工作，因为喷口电弧是轴对称问题，边界条件比较简单，而低压开关电弧在自由空间受磁场驱动而运动，计算条件比喷口电弧复杂得多。从1996年开始国外才有这方面的报导，但计算的对象都限制在一个简单的空腔内，没有涉及实际的断路器灭弧室，也没有和整个开断过程结合起来。另外在低压限流断路

6、器中也有其复杂的物理现象。　　与一般断路器的灭弧室不同，低压限流断路器的灭弧室采用多个灭弧栅片。在开断过程中，首先动触头和静触头分开产生电弧，在电磁场和热场、流场的作用下运动至灭弧栅片。当电弧进入栅片后，由于被分成的多个短弧的近极压降，使电弧电压迅速上升，从而达到限流的目的。但也正是为了有较高的电弧电压，限流断路器灭弧室的栅片数比一般的断路器要多，并且排列得更紧密。电弧进入栅片瞬间，它的背后区域，即跑弧道上仍存在一定的游离气体，由于突然产生较高的电弧电压会使背后区域发生击穿而出现新的电弧，这一新的电弧通道短接了栅片中的电弧，而使已进入栅片的电弧消失，这就是被称为电弧背后击穿现象，这种现象在断路

7、器开断过程会反复出现多次，存在反复背后击穿现象的断路器开断波形如图1所示，它降低了限流断路器的限流特性，使燃弧时间增长。图1　限流断路器的典型波形Fig.1　Typicalcharacteristicsofcurrentlimitingcircuitbreaker　　1988年日本名古屋大学YoshiyukiIkuma等人首次用快速摄象机观察到电弧的背后击穿现象［1］。他们还采用微波穿透技术发现在