低压限流断路器背后击穿现象的数值模拟研究

低压限流断路器背后击穿现象的数值模拟研究
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) 03-0016-05
断路器中的开断电弧满足下列方程。
质量连接方程
式中　为密度；v＝vxi＋vy j。
动量守恒方程
式中　v为速度；F为质量力 F＝Fxi＋Fy j；P为压力。
能量方程
F＝IB
断路器中每个小单元区域的电阻是
式中　L为电感；i为电流；R为电弧电阻；U0为振荡回路中电容的初始电压；C为电容。
LC电路的预期电流是3000A，频率是50Hz。当断路器开断后产生电弧，电弧与周围的热气体有较大的温差，根据它们的电导不同，电流主要是从电弧流过。电弧在流过电弧的强大短路电流与磁场的作用下，一方面进行热交换，通过热传导、对流及辐射多种方式进行能量传送，进行自身的膨胀以及加热周围的气体，另一方面，在磁场力的作用下向前运动。在这个过程中，断路器内的温度、压力的分布以及电弧的参数都发生了变化，这些参数的变化对电弧的运动及气流变化起作用， 后电弧在气流与磁场力的综合作用下向前运动。
电弧的整个能量过程所示。
电弧能量过程
3　计算结果
表1　计算结果与实验结果的对比
模型所计算模拟的电弧背后击穿现象
4　结论
低压限流断路器在开断时会出现背后击穿现象，导致电弧电压的突降，影响了其开断性能。实验证明，它与相应区域温度上升，临界电场强度降低以及剩余电流的存在等有关。本文通过对背后击穿的分析，依据热击穿的原理，建立了以磁流体动力学为基础的低压电器开关电弧动态模型。结合气流场、热场与磁场以及电流的分布对限流断路器进行数值计算，结果证明本模型很好地模拟了在限流断路器中的背后击穿现象与实际开断中背后击穿中的电弧电压跌落基本符合，为今后在低压断路器中开断特性的计算机数值分析，背后击穿现象的理论研究提供了新的思路。
基金项目：国家自然科学基金资助项目(59777009)及西安交通大学博士学位论文基金资助项目。作者简介：陈旭(1975-)，男，博士研究生，从事电器CAD，可视化仿真，智能化电器的研究
陈德桂(1933-),男，1955年毕业于上海交通大学电机系，1983年至于1984年曾去英
国利物浦大学留学，教授，博士生导师，中国电工技术学会理事、低压电器专委会
主任，IEEE高级会员。作者单位：陈旭（西安交通大学电器教研室，陕西省　西安市　710049）
陈德桂（西安交通大学电器教研室，陕西省　西安市　710049）