浅析直流快速断路器的灭弧系统
作者：刘德梅
来源：《职业·下旬》2009年第08期
直流快速断路器的灭弧系统对设备安全运行至关重要。因为断路器分断电流时所产生的电弧将烧损触头并危及绝缘, 严重的情况下甚至会引起断路器的爆炸, 造成火灾。因此, 对灭弧系统的设计务必谨慎。笔者在此对直流快速断路器的灭孤系统、各种灭孤室的灭弧原理及设计灭弧系统中的注意事项做一些简单介绍。
一、直流快速断路器的熄弧机理
分断直流电路时, 如被分断的电流以及分断后加在触头间隙的电压都超过一定数值, 则触头间直接产生电弧。电弧总压降Uh 由阳极压降Ua 、阴极压降Uk 以及弧柱压降Uz 三部分组成, 即:Uh=Ua+Uz+Uk ,其中Ua 与Uk 之和为近极压降、Uz=EZ•LZ (EZ弧柱电位梯度,V/cm ;LZ电弧长度,cm )。实践和理论都证明:增大直流电弧的总压降Uh 可以提高直流电弧的静伏安特性, 促进直流电弧的熄灭。
二、直流快速断路器中促进电弧熄灭的常用措施
1.增加近极压降
如用金属栅片将电弧分割成一系列串联的短弧, 因为每一短弧都有一阴极压降和阳极压降, 所以可以使总的电弧电压大为增加。
2.拉长电弧
在有限的弧室空间内增大电弧长度LZ ,可以提高电弧电压Uh, 促进电弧的熄灭。其具体方法有增加触头开距、利用电动力磁吹灭弧等。
3.增大弧柱电位梯度EZ
设法增大EZ 可以提高电弧电压, 具体方法有:(1)增大电弧周围气体介质的压力。 (2)增大电弧与流体介质之间的相对运动速度, 以提高去游离强度。(3 )使电弧与耐弧的绝缘材料(如石棉水泥板或陶土等) 密切接触。依靠耐弧绝缘材料对电弧的冷却作用以及表面复合作用, 使EZ 增大。
三、直流快速断路器中各种常用灭弧室的灭弧原理
1.金属栅片灭弧室
金属栅片灭弧室的灭弧原理是将电弧分割成许多串联的短弧, 以增加近极压降, 提高电弧总压降, 促使电弧熄灭。它一般是用 1～4 mm 厚的金属栅片叠装而成, 栅片可用铁或铜制成, 相互绝缘, 片间距离一般为 1～10mm, 平行或扇形地安装在灭弧室中。金属栅片灭弧具有结构简单、分断时过电压值较低且实际分断电流值较大等特点。
2.部分绝缘栅片灭弧室
这种灭弧室是利用金属栅片将电弧分割成许多短弧, 增多近极压降、增加电弧电压, 并在磁场力的作用下使弧根沿着导弧角进入栅片中, 迅速地被拉长; 耐电弧材料可加强对电弧的表面复合作用和促使电弧冷却直至熄灭。这种灭弧室具有结构简单、分断电流时过电压值低、熄弧能力强且体积较小等优点。
3.绝缘钢片灭弧室
这种灭弧室是在原迷宫式灭弧室的绝缘隔板内嵌入导磁性钢片, 以增强对电弧的吸引力, 加速电弧运动, 拉长电弧并与绝缘隔板摩擦, 利用表面复合作用和冷却作用熄灭电弧。一般这种灭弧室还需要有吹弧铁心, 有时亦可以利用主触头回路的电磁场, 不再另加吹弧线圈。绝缘钢片灭弧室具有熄弧能力强、电弧电压上升梯度大和熄弧容易等特点; 但制造工艺较为复杂、成本较高和分断时过电压也较高。
4.螺旋电弧灭弧室
这种灭弧室是利用特殊的导弧角将直流电弧分割成许多段, 在电动力作用下电弧形成螺旋状, 借助于相互间的电动力将电弧拉长, 并与绝缘的灭弧室壁板摩擦, 使电弧冷却直至熄灭。其主要优点是结构紧凑、灭弧室外形尺寸较小、熄弧快和分断时过电压也不高; 其主要不足是需要有磁吹力将电弧吹入各小弧角后, 灭弧室才能发挥效能。
四、直流快速断路器灭弧系统设计中的一些注意事项
第一, 直流快速断路器分断电感性负载时, 弧隙电压瞬间可升高为电源电压的数倍, 电路电感L 越大, 过电压越高; 当电弧电流趋近于零时, 电流下降速度越快, 即弧隙去游离作用越强, 过电压越大。因此, 为避免产生太高的过电压, 直流电弧不宜片面追求过强的灭弧措施, 为进一步减小过电压, 可以增加消耗电感能量的措施。
第二, 栅片间距越大, 电弧在栅片中运动的速度越快, 栅片对电弧的去游离作用减弱, 不利于熄弧。但栅片间距太小, 电弧运动的速度变慢, 电弧与栅片的接触紧密, 去游离作用加强, 但有可能使游离气体排出不畅, 气体阻力较大, 在大电流分断时游离气体较多. 有产生反吹的危险。所以, 栅片间距的选择应适中, 既能使大量灼热气流畅通, 又能使大量游离气体得到较强的去游离。
第三, 快速断路器的临界负载电流分断:快速断路器分断回路电流时使其燃弧时间最长的电流, 往往并不是它的极限短路分断电流, 而通常可能是比其额定电流小得多的某一电流值, 称为临
浅析直流快速断路器的灭弧系统
作者：刘德梅
来源：《职业·下旬》2009年第08期
直流快速断路器的灭弧系统对设备安全运行至关重要。因为断路器分断电流时所产生的电弧将烧损触头并危及绝缘, 严重的情况下甚至会引起断路器的爆炸, 造成火灾。因此, 对灭弧系统的设计务必谨慎。笔者在此对直流快速断路器的灭孤系统、各种灭孤室的灭弧原理及设计灭弧系统中的注意事项做一些简单介绍。
一、直流快速断路器的熄弧机理
分断直流电路时, 如被分断的电流以及分断后加在触头间隙的电压都超过一定数值, 则触头间直接产生电弧。电弧总压降Uh 由阳极压降Ua 、阴极压降Uk 以及弧柱压降Uz 三部分组成, 即:Uh=Ua+Uz+Uk ,其中Ua 与Uk 之和为近极压降、Uz=EZ•LZ (EZ弧柱电位梯度,V/cm ;LZ电弧长度,cm )。实践和理论都证明:增大直流电弧的总压降Uh 可以提高直流电弧的静伏安特性, 促进直流电弧的熄灭。
二、直流快速断路器中促进电弧熄灭的常用措施
1.增加近极压降
如用金属栅片将电弧分割成一系列串联的短弧, 因为每一短弧都有一阴极压降和阳极压降, 所以可以使总的电弧电压大为增加。
2.拉长电弧
在有限的弧室空间内增大电弧长度LZ ,可以提高电弧电压Uh, 促进电弧的熄灭。其具体方法有增加触头开距、利用电动力磁吹灭弧等。
3.增大弧柱电位梯度EZ
设法增大EZ 可以提高电弧电压, 具体方法有:(1)增大电弧周围气体介质的压力。 (2)增大电弧与流体介质之间的相对运动速度, 以提高去游离强度。(3 )使电弧与耐弧的绝缘材料(如石棉水泥板或陶土等) 密切接触。依靠耐弧绝缘材料对电弧的冷却作用以及表面复合作用, 使EZ 增大。
三、直流快速断路器中各种常用灭弧室的灭弧原理
1.金属栅片灭弧室
金属栅片灭弧室的灭弧原理是将电弧分割成许多串联的短弧, 以增加近极压降, 提高电弧总压降, 促使电弧熄灭。它一般是用 1～4 mm 厚的金属栅片叠装而成, 栅片可用铁或铜制成, 相互绝缘, 片间距离一般为 1～10mm, 平行或扇形地安装在灭弧室中。金属栅片灭弧具有结构简单、分断时过电压值较低且实际分断电流值较大等特点。
2.部分绝缘栅片灭弧室
这种灭弧室是利用金属栅片将电弧分割成许多短弧, 增多近极压降、增加电弧电压, 并在磁场力的作用下使弧根沿着导弧角进入栅片中, 迅速地被拉长; 耐电弧材料可加强对电弧的表面复合作用和促使电弧冷却直至熄灭。这种灭弧室具有结构简单、分断电流时过电压值低、熄弧能力强且体积较小等优点。
3.绝缘钢片灭弧室
这种灭弧室是在原迷宫式灭弧室的绝缘隔板内嵌入导磁性钢片, 以增强对电弧的吸引力, 加速电弧运动, 拉长电弧并与绝缘隔板摩擦, 利用表面复合作用和冷却作用熄灭电弧。一般这种灭弧室还需要有吹弧铁心, 有时亦可以利用主触头回路的电磁场, 不再另加吹弧线圈。绝缘钢片灭弧室具有熄弧能力强、电弧电压上升梯度大和熄弧容易等特点; 但制造工艺较为复杂、成本较高和分断时过电压也较高。
4.螺旋电弧灭弧室
这种灭弧室是利用特殊的导弧角将直流电弧分割成许多段, 在电动力作用下电弧形成螺旋状, 借助于相互间的电动力将电弧拉长, 并与绝缘的灭弧室壁板摩擦, 使电弧冷却直至熄灭。其主要优点是结构紧凑、灭弧室外形尺寸较小、熄弧快和分断时过电压也不高; 其主要不足是需要有磁吹力将电弧吹入各小弧角后, 灭弧室才能发挥效能。
四、直流快速断路器灭弧系统设计中的一些注意事项
第一, 直流快速断路器分断电感性负载时, 弧隙电压瞬间可升高为电源电压的数倍, 电路电感L 越大, 过电压越高; 当电弧电流趋近于零时, 电流下降速度越快, 即弧隙去游离作用越强, 过电压越大。因此, 为避免产生太高的过电压, 直流电弧不宜片面追求过强的灭弧措施, 为进一步减小过电压, 可以增加消耗电感能量的措施。
第二, 栅片间距越大, 电弧在栅片中运动的速度越快, 栅片对电弧的去游离作用减弱, 不利于熄弧。但栅片间距太小, 电弧运动的速度变慢, 电弧与栅片的接触紧密, 去游离作用加强, 但有可能使游离气体排出不畅, 气体阻力较大, 在大电流分断时游离气体较多. 有产生反吹的危险。所以, 栅片间距的选择应适中, 既能使大量灼热气流畅通, 又能使大量游离气体得到较强的去游离。
第三, 快速断路器的临界负载电流分断:快速断路器分断回路电流时使其燃弧时间最长的电流, 往往并不是它的极限短路分断电流, 而通常可能是比其额定电流小得多的某一电流值, 称为临