直流空气断路器电场分布对重击穿影响分析

徐庭伟，马子文，黄 中，董宏宪，任志刚

直流空气断路器电场分布对重击穿影响分析

徐庭伟，马子文，黄 中，董宏宪，任志刚

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

为了解决直流空气断路器的重击穿问题，本文简要分析了重击穿的基本过程和机理，阐述了电场分布因素对重击穿过程的重要影响，并提出了一种通过静电场计算来分析和预测断路器重击穿及其发生位置的方法，为抑制断路器的重击穿，提高空气直流断路器的性能和可靠性提供了帮助。

直流空气断路器 重击穿 静电场 仿真

0 引言

直流供电系统能提供高质量，易调控，低损耗的电能，因此在轨道交通、分布式发电、船用电力系统等领域的应用规模越来越大[1,0]。直流空气断路器结构简单，动作可靠且成本低廉，是直流输配电系统的重要保护设备。

直流空气断路器主要是利用高电弧电压来进行限流熄弧，完成开断，其主要过程可由（1）式简述：

通过变换得：

其中U为电源电压，为回路电流，为断路器电阻，U为电弧电压，为系统电感。若忽略断路器内阻，要限制电流须电弧电压高于电源电压，因此空气断路器开断能力受电弧特性影响极大，电流大小、灭弧室结构、栅片排列等因素都能通过电弧间接影响断路器开断[3,4]。

金属栅片型灭弧室利用金属栅片切割电弧并形成多段短弧，而每段短弧固有的近极压降串联后能在受限空间内获得较高的弧压，因此在空气断路器中得到广泛应用。随着系统电压和容量的升高，灭弧所需电弧电压随之上升，分段过程中的电弧重击穿问题更加突出。等离子体击穿场强阈值受气体种类、压力、温度、容器形状等多种因素影响，当实际电场强度高于该阈值时，即发生击穿[5]。重击穿发生时，断路器电弧电压迅速跌落或剧烈振荡，电弧电压难以达到预期，造成开断失败和设备的严重烧损。

1 直流空气断路器重击穿

金属栅片式的空气断路器重击穿的基本过程如图1。触头分离产生电弧后，在气体压力与电磁力驱动下向灭弧室出口运动，如图1（a）。随后电弧开始进入灭弧室，并被金属栅片切割为数段短弧，如图1（b）。正常开断时，随着栅片切割形成的短弧数目增加，电弧电压迅速上升使电流受到限制，最终电弧熄灭，如图1（c）。若电弧的背后区域发生重击穿，那么新电弧会导致原电弧被短接而熄灭，电弧电压迅速下降至新电弧水平，如图1（d）。

图1 电弧重击穿的基本过程

与交流系统中电流过零后发生重击穿不同，直流断路器的重击穿一般发生在电弧拉伸和栅片切割的过程。空气断路器电弧弧心温度极高，电弧运动后残留的高温气体通过光谱测量温度高达4000 K以上，气体热电离显著，因此对于重击穿发生的原因，目前主要认为是该区域在不断升高的电弧电压影响下的热击穿[7,8]。

图2（a）为直流空气断路器试验中发生重击穿时所记录的电弧电压波形，试验参数为试验电压1.8 kV，试验电流 2 kA，时间常数5 ms。从图可以看到在电弧电压首次达到约1.5 kV时发生重击穿，电压在1 ms内下降至327 V，随后电弧电压再次上升，整个燃弧时间约38 ms。虽然回路电流最终被成功分断，但燃弧时间明显增加，试验过程中的声光效应也更加显著。试验后将断路器灭弧室拆下观察，发现导弧板的尖角部位发生严重烧蚀，如图4（b）所示，表明电弧弧根在该位置长时间停留，结合试验电压波形，可以确定该部位即电弧重击穿发生位置。

空气断路器电弧的重击穿的直接原因是介质的绝缘强度不足，即绝缘强度的恢复速度跟不上施加在介质上的电弧电压的上升速度。由于直流系统中无自然过零点，介质恢复的条件更加严峻，重击穿更易发生。输入介质的能量是影响介质恢复状态的一个重要指标，而从能量平衡角度考虑，忽略对流和散热，可以得到以下关系式[6]：

当输入介质的能量与输出的能量相等，即热平衡状态时，认为此时为介质恢复与击穿之间的临界状态，（3）式可简化为

式中为通道电导率，为通道电场强度，为热导率，为气体温度；为气体密度；为气体比热容。从（4）式可以看出电场强度电导率，温度都是影响重击穿发生的因素，其中电场更是以平方的形式产生影响。

图2 电弧电压波形(a)和被烧蚀的导弧板(b)

2 一种断路器重击穿的静电场分析方法

由于断路器本身结构复杂且燃弧时温度较高，除端口特性外的其他内部参数获取难度较大，因此采用数值方法对断路器开断过程进行仿真计算成为重要的辅助手段。西安交通大学荣命哲等人通过建立磁流体动力学（MHD）模型对直流空气断路器开断过程中电弧运动和相关物理过程进行了仿真计算，计算结果与实际实验数据具有较好的一致性[6-8]。该方法为了准确地模拟各个物理量之间的相互影响，采用了电磁场、热场、流体场的多物理场联合仿真，且对模型进行了细致的网格划分，因此存在建模与仿真的工作量大，灵活性低的问题，目前工程应用的难度较高。

考虑到电场因素对重击穿的影响，本文建立了仿真计算模型进行进一步分析。重击穿发生前时刻，电弧处于如图1（b）所示位置，此时电弧背后区域游离气体得到初步冷却，电导率已经下降。此时背后区域漏电流远低于断路器总电流，因此可假设背后区域在重击穿前绝缘基本恢复，将电场分布近似等效为电弧电压大小的电压源激励施加在金属触头上所形成的静电场，据此建立仿真计算模型。

图3 直流空气断路器灭弧室结构示意图

对所建立断路器静电场模型补充以下说明：

1）金属栅片以及串联电弧在理论上会对背后区域的电场产生影响，但实际上通过对比计算显示由于其距离触头区域较远，其电场贡献极低（5%以下），可以近似忽略。

2）金属材料在电场中会发生静电屏蔽现象，部分区域会被周围的突出的金属结构所屏蔽，因此在电场计算中可以进行大幅简化。

3）重击穿发生前触头分闸基本到位，因此考虑分闸状态下的触头位置具有代表性。

3 计算结果与优化

图4 原灭弧室仿真计算结果

仿真计算得到电场分布如图4所示，场强最高的位置位于动触头上端面与引弧板之间区域，最大场强达到约1.1 kV/cm，平均场强也远高于其他区域，达到887 V/cm以上,成为最可能发生重击穿的位置，这与图2中显示的试验后灭弧室内部烧蚀位置相一致。

为了在不大幅改变断路器整体结构的情况下降低电场强度，仅对导弧板的位置和长度进行了调整，并将相关结构的边沿进行了倒角处理。使用优化后的模型进行计算的结果如图5所示，动触头与导弧板间的最高场强为891 V/cm，相比优化前下降了19.0%，平均电场强度为525 V/cm，相比优化前下降了59.2%。

图5 优化后灭弧室电场分布

使用优化后的灭弧室在相同回路参数下进行试验，得到的断路器端口电压波形如图6所示：可看到，电弧电压的上升过程虽然还存在波动，但并未出现大幅度的电压跌落，总体呈现稳定上升的趋势，总燃弧时间24.3 ms，较优化前减少13.7 ms。观察试验后的断路器灭弧室，未发现严重烧蚀情况。该试验结果说明针对灭弧室导弧板采取优化措施有效避免了断路器电弧重击穿的发生，该优化方案取得了预期的效果。

图6 优化后断路器电弧电压波形

4 结论

本文通过建立断路器的静电场分析模型进行计算分析，对直流空气断路器灭弧室进行了优化，解决了断路器分断过程中的重击穿问题，并可得出以下结论：

1）直流空气断路器重击穿会使电压严重影响其开断性能，而重击穿前灭弧室的电场分布对重击穿具有重要影响。

2）使用静电场分析方法对优化直流空气断路器内部电场分布及解决电弧重击穿问题具有理论上的合理性和可行性。

3）通过对关键区域进行仿真计算，可以预测和评估空气直流断路器中的易发生重击穿的薄弱位置。

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The Analysis of Effect of Electric Field Distribution on Arc Restrike of Air DC-Circuit Breaker

Xu Tingwei, Ma Ziwen, Huang Zhong, Dong Hongxian, Ren Zhigang

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM561

A

1003-4862（2019）03-0018-03

2018-11-02

徐庭伟（1994-），男，硕士。研究方向：舰船直流保护电器。E-mail: xpxfmm@163.com