低壓限流斷路器背后擊穿現(xiàn)象的數(shù)值模擬研究

低壓限流斷路器背后擊穿現(xiàn)象的數(shù)值模擬研究
摘　要：低壓限流斷路器是廣泛應(yīng)用于工業(yè)與民用的低壓電器。它采用多個柵片的滅弧室，利用近極壓降將進(jìn)入到滅弧室中的電弧電壓提升到一個較高的值，從而在開斷電路的同時還起到對短路電流的限制。但目前發(fā)現(xiàn)在開斷過程中電弧反復(fù)進(jìn)出滅弧柵片的背后擊穿現(xiàn)象引起電弧電壓的突降，降低了開斷性能。根據(jù)實(shí)際開斷物理過程，建立了以熱擊穿為主的背后擊穿物理模型，運(yùn)用氣流場，結(jié)合熱場、磁場與電流分布，計(jì)算模擬了低壓限流斷路器在開斷過程中電弧運(yùn)動狀況與背后擊穿現(xiàn)象。關(guān)鍵詞：斷路器； 電弧； 背后擊穿分類號：TM561.1　文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：0258-8013 (2000) 03-0016-05
斷路器中的開斷電弧滿足下列方程。
質(zhì)量連接方程
式中　為密度；v＝vxi＋vy j。
動量守恒方程
式中　v為速度；F為質(zhì)量力 F＝Fxi＋Fy j；P為壓力。
能量方程
F＝IB
斷路器中每個小單元區(qū)域的電阻是
式中　L為電感；i為電流；R為電弧電阻；U0為振蕩回路中電容的初始電壓；C為電容。
LC電路的預(yù)期電流是3000A，頻率是50Hz。當(dāng)斷路器開斷后產(chǎn)生電弧，電弧與周圍的熱氣體有較大的溫差，根據(jù)它們的電導(dǎo)不同，電流主要是從電弧流過。電弧在流過電弧的強(qiáng)大短路電流與磁場的作用下，一方面進(jìn)行熱交換，通過熱傳導(dǎo)、對流及輻射多種方式進(jìn)行能量傳送，進(jìn)行自身的膨脹以及加熱周圍的氣體，另一方面，在磁場力的作用下向前運(yùn)動。在這個過程中，斷路器內(nèi)的溫度、壓力的分布以及電弧的參數(shù)都發(fā)生了變化，這些參數(shù)的變化對電弧的運(yùn)動及氣流變化起作用， 后電弧在氣流與磁場力的綜合作用下向前運(yùn)動。
電弧的整個能量過程所示。
電弧能量過程
3　計(jì)算結(jié)果
表1　計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比
模型所計(jì)算模擬的電弧背后擊穿現(xiàn)象
4　結(jié)論
低壓限流斷路器在開斷時會出現(xiàn)背后擊穿現(xiàn)象，導(dǎo)致電弧電壓的突降，影響了其開斷性能。實(shí)驗(yàn)證明，它與相應(yīng)區(qū)域溫度上升，臨界電場強(qiáng)度降低以及剩余電流的存在等有關(guān)。本文通過對背后擊穿的分析，依據(jù)熱擊穿的原理，建立了以磁流體動力學(xué)為基礎(chǔ)的低壓電器開關(guān)電弧動態(tài)模型。結(jié)合氣流場、熱場與磁場以及電流的分布對限流斷路器進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，結(jié)果證明本模型很好地模擬了在限流斷路器中的背后擊穿現(xiàn)象與實(shí)際開斷中背后擊穿中的電弧電壓跌落基本符合，為今后在低壓斷路器中開斷特性的計(jì)算機(jī)數(shù)值分析，背后擊穿現(xiàn)象的理論研究提供了新的思路。
基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(59777009)及西安交通大學(xué)博士學(xué)位論文基金資助項(xiàng)目。作者簡介：陳旭(1975-)，男，博士研究生，從事電器CAD，可視化仿真，智能化電器的研究
陳德桂(1933-),男，1955年畢業(yè)于上海交通大學(xué)電機(jī)系，1983年至于1984年曾去英
國利物浦大學(xué)留學(xué)，教授，博士生導(dǎo)師，中國電工技術(shù)學(xué)會理事、低壓電器專委會
主任，IEEE高級會員。作者單位：陳旭（西安交通大學(xué)電器教研室，陜西省　西安市　710049）
陳德桂（西安交通大學(xué)電器教研室，陜西省　西安市　710049）