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直流快速断路器灭弧系统的分析
＾（２０１ ６００）上海立新电器厂 罗 斌了 ｆＩｐｆ乏 Ａ—— 。’摘要 当今劂外诎多快速断路器制造厂商生产的快速断路器的灭弧室结构形式， 已从传统的带有磁畋装置的纵缝灭弧窜，改为采用不带磁吹装置的栅Ｈ式戈弧室或绝缘 钢片灭弧室以硅螺旋电弧灭弧骞等，文章埘直流快速断路器的灭孤系统 各种灭孤室的 灭弧原理发设计 孤系统中的￡拈事项作了介绍‘ 叙词一直流快速断路器 灭弧室结构 计原理
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Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ａｒｃ Ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ Ｄ．Ｃ．Ｈｉｇｈ Ｓｐｅｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｒｅａｋｅｒ
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直流快速断路器的熄弧 机理
分断直流电路时，如被分断的电流以及 分断后加在触头问隙的电压都超过一定数 值，则触头问直接产生电弧。电弧总压降 由阳极压降 、阴极压降 以及弧柱压降 三部分组成，即： ＂＾＝Ｍ ＋¨ ＋“ （１） 而“，＝Ｅ（２）
“ ＋“ ＝“０ （３） 式中巨——弧柱电场强度，Ｖ／ｃｍ 电弧长度，ｃｍ ‰一近极压降，在正常大气压 下，铜电极的近极压降为２５ ３０Ｖ 实践和理论都证明：增大直流电弧的总 压降 可以提高直流电弧的静伏安特性， 促进直流电弧的熄灭。 ｌ８ 二、直流快速断路器中促进 电弧熄灭的常用措施 １．增加近极压降 如甩金属栅片将电弧分割成一系列串联 的短弧，如图１所示。 金属栅片 ，————— —————、 图ｌ用金属栅片将电弧分割成短弧 因为每一短弧都有一阴极压降和阳极压 降，所以，总的电弧电压便大为增加，此时 式（１）变成 “ ＝ｎ。“ｎ＋Ｅｆ － （４１
式中 ——串联的电弧数 ２．拉长电弧
低压电器（１朔 ＾州）
维普资讯 http://www.cqvip.com 个具有成熟技术的ＤＯＭＩＮＯ低压开关柜的生产企业一上海埃尔凯电器有限公司 从式【４）中可知，在有限的弧宰空间 内增大电弧长度 ，呵以提高电弧电压 ， 促进电弧的熄灭 其具体方法有增加触头开 距，利用电动力磁吹灭弧等。 ３．增大弧柱电场强度丘 从式【４）中可知，设法增大 可以提 高电弧电压。其具体方法有： 【１）增大电弧周围气体介质的压力 当电弧受压力后，电弧内部带电粒子的 浓度增加，其平均自由行程减小，动能减 小，使碰撞游离困难；同时正、负带电离子 距离靠近，易于受库仑吸力作用互相接触而 复合去游离。 【２）增大电弧与流体介质之间的相对运 动速度，以提高去游离强度 如用高速运动的未游离的流体【如压缩 空气等）介质横吹或纵吹电弧，当流体与电 弧接触后，电弧表面或内部的带电粒子被不 断吹走，扩散作用增强 同时电弧受冷却作 用，热游离减弱而复合作用有所加强 【３）使电弧与耐弧的绝缘材料【如石棉 水泥板或陶土等）密切接触 依靠耐弧绝缘材料对电弧的冷却作用以 及表面复合作用，使丘增大。 三、直流快速断路器中灭弧 室的作用 适用熄灭直流电弧的理论和一切已知的 方法和途径，合理地设计灭弧室，使之起到 缩短熄弧时间和降低过电压的作用。直流快 速断路器通常采用的灭弧室有狭缝灭弧室、 螺旋电孤灭弧室和绝缘钢片灭弧室等。 ４ｍｍ厚的金属栅片叠装而成，栅片可用 铁或铜制成，相互绝缘，片间距离一般为１ １０ｒａｍ，平行或扁形地安装在灭弧室中 铁栅片对电弧有较强的吸引力作用，用铜制 成的栅片，对电弧无吸力作用，要借助于外 力使电弧进入栅片中。如果想利用金属栅片 的冷却作用来加强去游离、促进电弧熄灭， 栅片可选用厚些。
四、直流快速断路器中各种 图３部分绝缘栅片灭弧室 常用灭弧室的灭弧原理 １．耐电弧材料２栅片３．磁极板４．导弧角
１．金属栅片灭弧室 金属栅片灭弧室如图２所示。金属栅片 灭弧室的灭弧原理是将电弧分割成许多串联 的短弧（见图１），以增加近极压降，提高 电弧总压降，促使电弧熄灭。它一般是用１ 低压电器‘１９９４／￣ｔ４） 这种灭弧室是利用金属栅片将电弧分割 成许多短弧，增多近极压降、增加电弧电 压，并在磁场力的作用下使弧根沿着导弧角 进入栅片中，迅速地被拉眭；耐电弧材料可 加强对电弧的表面复台作用和促使电弧冷却
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维普资讯 http://www.cqvip.com 个具有成熟技术的ＤＯＭＩＮＯ低压开关柜的生产企业一上海埃尔凯电器有限公司 直至熄灭。这种灭弧室具有结构简单、分断 电流时过电压值低、熄弧能力强且体积较小 等优点。 ３．绝缘钢片灭弧室 绝缘钢片灭弧室如图４所示。这种灭弧 室是在原迷宫式灭弧室的绝缘隔板内嵌入导 磁性钢片，以增强对电弧的吸引力，加速电 弧运动，拉长电弧并与绝缘隔板摩擦，利用 表面复合作用和冷却作用熄灭电弧 一般这 种灭弧室还需要有吹弧铁心，有时亦可以利 用主触头回路的电磁场，不再另加吹弧线 圈。绝缘钢片灭弧室具有熄弧能力强、电弧 电压上升梯度大和熄弧容易等特点；但制造 工艺较为复杂、成本较高和分断时过电压也
图４绝缘钢片灭弧室 １．钢片 ２．绝缘隔板 ４．螺旋电弧灭弧室 螺旋电弧灭弧室如图５所示 这种灭弧 室是利用特殊的导弧角将直流电弧分割成许 多段，在电动力作用下电弧形成螺旋状，借 助于相互间的电动力将电弧拉长，并与绝缘 的灭弧室壁板摩擦，使电弧冷却直至熄灭。 其主要优点是结构紧凑、灭弧室外形尺寸较 小、熄弧快和分断时过电压也不高；其主要 不足是需要有磁吹力将电弧吹入各小弧角 后，灭弧室才能发挥效能；其次是由于灭弧 室空间小、游离气体排出不便，在实际大电 流分断时气体阻力较大，有产生电弧反吹的 危险。
图５螺旋电孤灭孤室 Ｉ导弧角 ２绝缘隔板
５．绝缘材料灭弧室 这种灭弧室分横隔式与纵隔板式两种结 构形式。图６所示为纵隔板式绝缘材料灭弧 室。在绝缘材料表面，由于绝缘体被带电粒 子感应极化后能吸引异性带电粒子，因而也 会产生类似金属表面的复合过程 电弧进人 这种灭弧室后，电弧与绝缘壁板紧密接触， 受到冷却。绝缘的缝道越窄，与电弧接触的 面积越大，冷却作用越强，但缝道对电弧运 动产生的阻力作用也越大 如果采用能产气 的绝缘材料做壁板（如三聚氰胺等），在电 弧的高温作用下，绝缘壁板分解出氢气，而 氢气对电弧有急剧冷却的作用，有利于灭 弧。但产气材料的价格较贵，并且使用寿命 较短，因此采用不产气的陶瓷材料作为灭弧 室内壁较为普遍。 广Ａ Ａ－Ａ
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Ｌ 图６纵隔板式绝缘材料灭弧室 五、直流快速断路器灭弧系
低压电器（１９９帅４）
维普资讯 http://www.cqvip.com 个具有成熟技术的ＤＯＭＩＮＯ低压开关柜的生产企业一上海埃尔凯电器有限公司 统设计中的一些注意点 （１）快速断路器分断电感性负载时，弧 隙电压瞬间可升高为电源电压的数倍 电路 电感￡越大，过电压越高；当电弧电流趋 近于零时，电流Ｆ降速度越快，即弧隙去游 离作用越强，过电压越大 因此，为避免产 生太高的过电压，直流电弧不宜片面追求过 强的灭弧措施，为进一步减小过电压，可以 增加消耗电感能量的措施 （２）电弧在栅片中运动的速度，根据报 道，当电流为２００ ２４００Ａ时约为： ｌ／３ Ｖ≈１．７３３ ，ｏ （５）
式中 ——栅片间的距离，ｃｍ 分断电流，Ａ ｖ——电弧运动速度，口ｎ／ｓ 可见，栅片间距太大，电弧运动的速度 大大加快，栅片对电弧的去游离作用减弱、 不利于熄弧。但栅片间距太小，电弧运动的 速度变慢，电弧与栅片的接触紧密，去游离 作用加强，但有可能使游离气体排出不畅 气体阻力较大，在大电流分断时游离气体较 多．有产生反吹的危险。所以，栅片间距的 选择应适中，既能使大量灼热气流畅通，又 能使大量游离气体得到较强的去游离。
（３）快速断路器的临界负载电流分断 快速断路器分断回路电流时使其燃弧时 间最长的电流，往往并不是它的极限短路分 断电流，而通常可能是比其额定电流小得多 的某一电流值，称为临界负载电流。如在设 计中发现燃弧时间太长或持续燃弧，则应适 当加强磁吹力以提高电弧运动速度。也有些 厂商采用其它措施来帮助熄弧，倒如采用气 吹等方法
六、结束语 对直流快速断路器而言，灭弧系统是至 关重要的 断路器分断电流时所产生的电弧 将烧损触头并危及绝缘，严重的情况下甚至 会引起断路器的爆炸，造成火灾。因此，对 灭弧系统的设计务必谨慎 而迄今为止，对 直流快速断路器的灭弧系统尚不能做到规范 化、程序化设计，强能由设计人员根据断路 器的额定电压和额定电流以及使用场台和要 求，借助于一定程度的理论分析和经验，再 在试验室进行分断试验，最终确定较台适的 灭弧室的结构和型式。因此，对直流电弧熄 灭方法的研究和灭弧系统设计的探讨尚有待 人们在今后更深入一步地开展。 收稿日期：１ ９９３－０９－２７ ……～ 一 …～ … Ｈ…… …一¨０ｍ
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