1　概　述 　　低壓限流斷路器是低壓配電系統(tǒng)中應(yīng)用最為普遍的電器產(chǎn)品之一，它在開斷故障電流的同時(shí)也能對(duì)故障電流進(jìn)行限制，因此具有較高的開斷能力。 　　與一般的斷路器的滅弧室不同，低壓限流斷路器的滅弧室采用多個(gè)滅弧柵片。在開斷過(guò)程中，首先動(dòng)觸頭和靜觸頭分開產(chǎn)生電弧，在電磁場(chǎng)和熱場(chǎng)，流場(chǎng)的作用下運(yùn)動(dòng)至滅弧柵片。當(dāng)電弧進(jìn)入柵片后，由于被分成的多個(gè)短弧的近極壓降，使電弧電壓迅速上升，從而達(dá)到限流的目的。 　　為了有較高的電弧電壓，限流斷路器滅弧室的柵片數(shù)比一般的斷路器要多，并且排列得更緊密。這樣，電弧在進(jìn)入滅弧室時(shí)所受的阻力要較大，在柵片入口處停滯的時(shí)間也較長(zhǎng)。因此在柵片入口處所產(chǎn)生的金屬蒸氣也較多。近年來(lái)對(duì)低壓限流斷路器的研究表明：電弧在柵片入口處多次出現(xiàn)在柵片內(nèi)與柵片外，導(dǎo)致電弧電壓的反復(fù)跌落，如圖1所示（1.25ms/格），降低了限流斷路器的限流特性，使燃弧時(shí)間增長(zhǎng)?！　? 　　1988年日本名古屋大學(xué)YoshiyukiIkuma等人首次用快速攝象機(jī)觀察到電弧的背后擊穿現(xiàn)象。他們還采用微波穿透技術(shù)發(fā)現(xiàn)在低壓斷路器開斷過(guò)程中，電弧電壓發(fā)生突降前，將要發(fā)生背后擊穿的間隙都出現(xiàn)溫度的上升，這是由于電弧的熱氣流經(jīng)過(guò)滅弧室的后壁的反射進(jìn)入相應(yīng)區(qū)域的結(jié)果。游離氣體的進(jìn)入和溫度的上升，使相應(yīng)區(qū)域的臨界電場(chǎng)強(qiáng)度降低，可以導(dǎo)致背后擊穿。 　　目前低壓限流斷路器開斷過(guò)程中所產(chǎn)生的短間隙大電流電弧，是一種金屬蒸氣占主導(dǎo)地位的電弧。因而要提高這類電弧的電弧電壓，就必須控制金屬蒸氣。針對(duì)這種情況，近年發(fā)展了用于低壓斷路器限流開斷的金屬噴流控制技術(shù)。 　　本文在滅弧室柵片間插入絕緣材料，形成一個(gè)縫隙，更直接的對(duì)柵片滅弧室中的電弧進(jìn)行冷卻，它的作用相當(dāng)于窄縫滅弧室的固體器壁的冷卻作用，但不同的是它主要依靠器壁材料的產(chǎn)氣作用，這樣我們將這種新型滅弧室稱為混合式滅弧室。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，在限流斷路器的滅弧室中采用這種技術(shù)，可以有效減小金屬蒸氣的噴流。配合以隔弧板，不僅消除了背后擊穿現(xiàn)象，而且進(jìn)入滅弧室后的電弧電壓能夠始終保持較高的值，明顯縮短了燃弧時(shí)間，減小了允通能量，大大提高了限流斷路器的開斷性能。 2　混合式滅弧系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究 　　為觀察電弧運(yùn)動(dòng)，采用了西安交通大學(xué)電器教研室研制的二維光纖測(cè)試系統(tǒng)。系統(tǒng)的探測(cè)部分由32根光纖組成，排列在整個(gè)燃弧區(qū)域。由于電弧光很強(qiáng)，為了便于判斷，采用門檻值，凡高于此值的光信號(hào)作為電弧的反映。系統(tǒng)將光纖傳送的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，最終成為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)。拍攝速度可達(dá)0.83μs?？墒刮覀兗?xì)致的觀測(cè)到電弧運(yùn)動(dòng)。 　　實(shí)驗(yàn)采用LC單頻振蕩回路電路供給，提供50Hz的電流，整個(gè)實(shí)驗(yàn)回路及模型限流斷路器如圖2所示。　 　　在實(shí)驗(yàn)中，將二維光纖電弧測(cè)試系統(tǒng)的光纖陣列置于限流斷路器的壁上，用它觀察得到的限流斷路器開斷過(guò)程中電弧運(yùn)動(dòng)如圖3。 　　從限流斷路器開斷過(guò)程中電弧運(yùn)動(dòng)的觀察結(jié)果可以看出，用二維光纖陣列電弧測(cè)試系統(tǒng)可以對(duì)開斷過(guò)程中電弧的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行觀察。上圖中，每一個(gè)圓代表一根光纖，如果光纖觀測(cè)到了電弧，則相應(yīng)的小圓被填充。上面的結(jié)果可看出，在1.5ms時(shí)，電弧產(chǎn)生，2.0ms時(shí)電弧向前運(yùn)動(dòng)，3.2ms時(shí)電弧開始進(jìn)入滅弧柵片，3.5ms時(shí)電弧已經(jīng)完全進(jìn)入滅弧柵片，4.2ms時(shí)電弧退出了滅弧柵片。這說(shuō)明一般的限流斷路器在開斷過(guò)程中存在背后擊穿，降低了開斷性能。 　　本文直接在滅弧室柵片間插入產(chǎn)氣絕緣材料如圖4中所示，在電弧的高溫作用下，發(fā)出大量的絕緣物蒸氣，這樣由于限制了電弧弧根，并借助絕緣物產(chǎn)生的蒸氣，使電弧弧根周圍壓力進(jìn)一步提高，控制了電極發(fā)射出的金屬蒸氣的噴流運(yùn)動(dòng)方向。此外，絕緣物產(chǎn)生的氣體冷卻電弧弧柱，使電弧電阻上升，電弧電壓提高。 　　通過(guò)運(yùn)用二維電弧光纖測(cè)試系統(tǒng)對(duì)開斷時(shí)電弧運(yùn)動(dòng)的觀察，本文發(fā)現(xiàn)，一般結(jié)構(gòu)的限流斷路器在開斷時(shí)，電弧多次反復(fù)出現(xiàn)背后擊穿，這與開斷過(guò)程中電弧電壓的跌落是相應(yīng)的。在滅弧室柵片間插入產(chǎn)氣絕緣材料后，由于滅弧室內(nèi)柵片間的絕緣板對(duì)熱氣流擴(kuò)散的限制，并且產(chǎn)生大量的氣體，對(duì)電弧進(jìn)行更直接的冷卻，因此電弧電壓較平穩(wěn)，在整個(gè)開斷過(guò)程中，電弧反復(fù)在柵片滅弧室之外出現(xiàn)的次數(shù)也大為減少。 　　采用隔弧板，由于具有最好通氣情況，可以在開斷中抑制熱氣流的回流，控制金屬蒸氣的向后擴(kuò)散，也可以使大量的能量排出。具有好的開斷特性，可以非常有效的抑制背后擊穿現(xiàn)象的產(chǎn)生。從二維光纖電弧測(cè)試系統(tǒng)的觀察結(jié)果，以及開斷時(shí)的限流斷路器開斷電弧電壓電流波形圖，可以看出幾乎沒(méi)有背后擊穿的發(fā)生。但在開斷中，由于大量金屬蒸氣的擴(kuò)散，使電弧電阻變小，電弧電壓持續(xù)下降，最高值與最低值有時(shí)相差150V，不利于開斷特性的提高。 　　考慮到上面的結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)，而采用窄縫滅弧室，柵片滅弧室與隔弧板相配合的混合式滅弧室，多次實(shí)驗(yàn)獲得的限流斷路器開斷電弧電壓電流波形圖，以及用二維光纖陣列電弧測(cè)試系統(tǒng)所觀察的電弧運(yùn)動(dòng)圖象，都明顯看出，這種結(jié)構(gòu)完全抑制了背后擊穿的發(fā)生，并且一旦電弧進(jìn)入柵片滅弧室，則電弧電壓始終保持一個(gè)較高的值，燃弧時(shí)間以及充能能量都是最小的。通過(guò)實(shí)驗(yàn)中對(duì)多種結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比。在上圖4中，結(jié)構(gòu)（1）與（2）采用了窄縫與柵片配合，結(jié)構(gòu)（1）中的滅弧室后部用開孔面積50%的絕緣板以防止飛弧。但這樣開斷時(shí)有時(shí)也會(huì)有背后擊穿的發(fā)生。結(jié)構(gòu)（2）中除了采用窄縫與柵片配合，還在滅弧室柵片之后續(xù)接上絕緣隔離板，這樣即保證了滅弧室內(nèi)氣體的流通，消弱了熱氣流的回流，又保證了電弧不會(huì)在滅弧室的后部跑出柵片而導(dǎo)致電壓的突降。結(jié)構(gòu)（3）也采用了這種能消弱熱氣流的回流的方法，但沒(méi)有采用窄縫與柵片配合。圖4中的（4），（5）分別是（2）與（3）的側(cè)視圖。這些結(jié)構(gòu)的開斷電弧電壓電流波形有所不同。如圖5所示。 　　圖5中（1），（2）是1.25ms/格，（3）是0.625ms/格。綜合圖5實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可得出表1所示對(duì)比： 　　a:一般情況的開斷特性 　　b:采用窄縫與柵片配合時(shí)的開斷特性 　　c:單獨(dú)采用隔弧板的開斷特性 　　d:新型的混合式滅弧系統(tǒng)的開斷特性 　　從表1可以看出，在一般結(jié)構(gòu)的限流斷路器中，平均燃弧時(shí)間較長(zhǎng)，平均背后擊穿的次數(shù)也是較多的，采用窄縫與柵片配合的限流斷路器模型在開斷中背后擊穿次數(shù)一般不多于1次，但也影響到開斷特性的提高。最好的開斷情況是采用窄縫滅弧室，柵片滅弧室與隔弧板相配合的混合式滅弧室的限流斷路器，它不僅完全沒(méi)有背后擊穿，而且在開斷時(shí)，一旦電弧進(jìn)入了柵片滅弧室，電弧由于近極壓降而迅速上升，以后一直保持這個(gè)較高的值，因此對(duì)平均燃弧時(shí)間大大減少，比一般結(jié)構(gòu)減少了20%，明顯提高了開斷特性。 3　結(jié)　論 　　對(duì)目前低壓限流斷路器開斷過(guò)程中所產(chǎn)生的短間隙大電流電弧，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，不同于傳統(tǒng)的空氣電弧，這類電弧是一種金屬蒸氣占主導(dǎo)地位的電弧。因而要提高這類電弧的電弧電壓，就必須控制金屬蒸氣。本文研究了一種將窄縫滅弧室，柵片滅弧室與隔弧板相配合應(yīng)用于限流斷路器的新型混合式滅弧系統(tǒng)?？刂屏藮牌g金屬短弧的金屬蒸氣噴流，同時(shí)削弱滅弧室中熱氣體的回流。實(shí)驗(yàn)證明，新型的混合式滅弧系統(tǒng)不僅有效的抑制了背后擊穿現(xiàn)象的發(fā)生，而且進(jìn)入滅弧室的電弧始終具有平穩(wěn)的較高電弧電壓，有效的提高了限流斷路器的開斷性能。