淺析直流快速斷路器的滅弧系統(tǒng)

劉德梅

直流快速斷路器的滅弧系統(tǒng)對設(shè)備安全運(yùn)行至關(guān)重要。因?yàn)閿嗦菲鞣謹(jǐn)嚯娏鲿r(shí)所產(chǎn)生的電弧將燒損觸頭并危及絕緣,嚴(yán)重的情況下甚至?xí)饠嗦菲鞯谋?造成火災(zāi)。因此,對滅弧系統(tǒng)的設(shè)計(jì)務(wù)必謹(jǐn)慎。筆者在此對直流快速斷路器的滅孤系統(tǒng)、各種滅孤室的滅弧原理及設(shè)計(jì)滅弧系統(tǒng)中的注意事項(xiàng)做一些簡單介紹。

一、直流快速斷路器的熄弧機(jī)理

分?jǐn)嘀绷麟娐窌r(shí),如被分?jǐn)嗟碾娏饕约胺謹(jǐn)嗪蠹釉谟|頭間隙的電壓都超過一定數(shù)值,則觸頭間直接產(chǎn)生電弧。電弧總壓降Uh由陽極壓降Ua、陰極壓降Uk以及弧柱壓降Uz三部分組成,即:Uh=Ua+Uz+Uk ,其中Ua與Uk之和為近極壓降、Uz=EZ?LZ (EZ弧柱電位梯度,V/cm ;LZ電弧長度,cm )。實(shí)踐和理論都證明:增大直流電弧的總壓降Uh可以提高直流電弧的靜伏安特性,促進(jìn)直流電弧的熄滅。

二、直流快速斷路器中促進(jìn)電弧熄滅的常用措施

1.增加近極壓降

如用金屬柵片將電弧分割成一系列串聯(lián)的短弧,因?yàn)槊恳欢袒《加幸魂帢O壓降和陽極壓降,所以可以使總的電弧電壓大為增加。

2.拉長電弧

在有限的弧室空間內(nèi)增大電弧長度LZ ,可以提高電弧電壓Uh,促進(jìn)電弧的熄滅。其具體方法有增加觸頭開距、利用電動力磁吹滅弧等。

3.增大弧柱電位梯度EZ

設(shè)法增大EZ可以提高電弧電壓,具體方法有:(1)增大電弧周圍氣體介質(zhì)的壓力。 (2)增大電弧與流體介質(zhì)之間的相對運(yùn)動速度,以提高去游離強(qiáng)度。(3 )使電弧與耐弧的絕緣材料(如石棉水泥板或陶土等)密切接觸。依靠耐弧絕緣材料對電弧的冷卻作用以及表面復(fù)合作用,使EZ增大。

三、直流快速斷路器中各種常用滅弧室的滅弧原理

1.金屬柵片滅弧室

金屬柵片滅弧室的滅弧原理是將電弧分割成許多串聯(lián)的短弧,以增加近極壓降,提高電弧總壓降,促使電弧熄滅。它一般是用 1～4 mm 厚的金屬柵片疊裝而成,柵片可用鐵或銅制成,相互絕緣,片間距離一般為 1～10mm,平行或扇形地安裝在滅弧室中。金屬柵片滅弧具有結(jié)構(gòu)簡單、分?jǐn)鄷r(shí)過電壓值較低且實(shí)際分?jǐn)嚯娏髦递^大等特點(diǎn)。

2.部分絕緣柵片滅弧室

這種滅弧室是利用金屬柵片將電弧分割成許多短弧,增多近極壓降、增加電弧電壓,并在磁場力的作用下使弧根沿著導(dǎo)弧角進(jìn)入柵片中,迅速地被拉長;耐電弧材料可加強(qiáng)對電弧的表面復(fù)合作用和促使電弧冷卻直至熄滅。這種滅弧室具有結(jié)構(gòu)簡單、分?jǐn)嚯娏鲿r(shí)過電壓值低、熄弧能力強(qiáng)且體積較小等優(yōu)點(diǎn)。

3.絕緣鋼片滅弧室

這種滅弧室是在原迷宮式滅弧室的絕緣隔板內(nèi)嵌入導(dǎo)磁性鋼片,以增強(qiáng)對電弧的吸引力,加速電弧運(yùn)動,拉長電弧并與絕緣隔板摩擦,利用表面復(fù)合作用和冷卻作用熄滅電弧。一般這種滅弧室還需要有吹弧鐵心,有時(shí)亦可以利用主觸頭回路的電磁場,不再另加吹弧線圈。絕緣鋼片滅弧室具有熄弧能力強(qiáng)、電弧電壓上升梯度大和熄弧容易等特點(diǎn);但制造工藝較為復(fù)雜、成本較高和分?jǐn)鄷r(shí)過電壓也較高。

4.螺旋電弧滅弧室

這種滅弧室是利用特殊的導(dǎo)弧角將直流電弧分割成許多段,在電動力作用下電弧形成螺旋狀,借助于相互間的電動力將電弧拉長,并與絕緣的滅弧室壁板摩擦,使電弧冷卻直至熄滅。其主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、滅弧室外形尺寸較小、熄弧快和分?jǐn)鄷r(shí)過電壓也不高;其主要不足是需要有磁吹力將電弧吹入各小弧角后,滅弧室才能發(fā)揮效能。

四、直流快速斷路器滅弧系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一些注意事項(xiàng)

第一,直流快速斷路器分?jǐn)嚯姼行载?fù)載時(shí),弧隙電壓瞬間可升高為電源電壓的數(shù)倍,電路電感L越大,過電壓越高;當(dāng)電弧電流趨近于零時(shí),電流下降速度越快,即弧隙去游離作用越強(qiáng),過電壓越大。因此,為避免產(chǎn)生太高的過電壓,直流電弧不宜片面追求過強(qiáng)的滅弧措施,為進(jìn)一步減小過電壓,可以增加消耗電感能量的措施。

第二,柵片間距越大,電弧在柵片中運(yùn)動的速度越快,柵片對電弧的去游離作用減弱,不利于熄弧。但柵片間距太小,電弧運(yùn)動的速度變慢,電弧與柵片的接觸緊密,去游離作用加強(qiáng),但有可能使游離氣體排出不暢,氣體阻力較大,在大電流分?jǐn)鄷r(shí)游離氣體較多.有產(chǎn)生反吹的危險(xiǎn)。所以,柵片間距的選擇應(yīng)適中,既能使大量灼熱氣流暢通,又能使大量游離氣體得到較強(qiáng)的去游離。

第三,快速斷路器的臨界負(fù)載電流分?jǐn)?快速斷路器分?jǐn)嗷芈冯娏鲿r(shí)使其燃弧時(shí)間最長的電流,往往并不是它的極限短路分?jǐn)嚯娏?而通?？赡苁潜绕漕~定電流小得多的某一電流值,稱為臨界負(fù)載電流。如在設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)燃弧時(shí)間太長或持續(xù)燃弧,則應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)磁吹力以提高電弧運(yùn)動速度。

(作者單位:杭州市第一機(jī)械技工學(xué)校)