电弧击穿现象的电路模型分析

在低压电器开断过程中，当开断电弧沿跑弧道进入栅片瞬间，由于电弧被栅片分割成许多短弧，电极压降的叠加使电弧电压有一个跳跃，其值为

U_arcm-U_l=（n+1）ΔU （4-65）

式中 ΔU———极间压降，为阳极压降U_a和阴极压降U_c之和；

U_arcm——电弧进入栅片后的电弧电压峰值；

U_l——弧柱压降；

n——栅片数，分割的短弧数为（n+1）。

这一电弧电压的突然增加，一方面对低压断路器来说，可有效限制短路电流，减少开断的电弧能量，但另一方面由于电弧背后区域，即跑弧道和触头区域，尚存在温度较高的游离气体，在这一电弧电压作用下会发生热击穿而产生新的电弧。新的电弧的出现短接了原来已进入栅片的电弧并使之消失，这相当于电弧从栅片中退出来，并向栅片后方转移，这种现象反复出现，会使电弧电压出现毛刺，即反复跌落现象，它会影响限流断路器的限流性能和非限流断路器及接触器的开断性能，这一现象国际上已把它统称为电弧背后击穿现象或背后转移现象。

用图4-82a所示低压断路器的模型来解释上述背后击穿现象。模型分成三个区域：Ⅰ-触头区域；Ⅱ-跑弧道和Ⅲ-栅片，当电弧从触头区域通过跑弧道进入栅片被分割成许多短弧，而背后区域的跑弧道和触头间隙仍存在一定游离气体，并保持一定温度，这时可用图4-82b的电路模型来说明背后击穿现象。将栅片区和背后区看作两个并联的电流回路，各用两个可变电阻R_A和R_B来表示，由于背后击穿过程很短暂，假定通过断路器的总电流I_tot不变，则电路模型可视为一电流源电路。当电弧电压由于近极压降的叠加而骤增时，背后区域的输入能量增大。若这一能量大于以传导、对流和辐射三种方式由背后区域输出至外界能量，则背后通道温度增加而使其电导变大，等效电阻R_B变小，使电流向背后区域转移，并进一步由于输入能量增大而使其温度继续增高，这一过程进一步发展就造成电弧的热击穿，栅片区域等效电阻R_A被急骤减小的背后区域等效电阻R_B短接，电弧电流转移到背后区域，并出现了电弧电压的骤降。

图4-82 背后击穿现象的物理模型和电路模型

a）低压断路器 b）背后击穿的电路模型(www.xing528.com)

为了证实在断路器开断过程中电弧背后击穿及转移现象是由于热击穿引起，施耐德公司的C.Fievet作了试验研究，在一个模型断路器上，由振荡回路提供峰值为5kA的开断电流，用非常灵敏的测量装置测量电弧进入栅片后背后区域的剩余电流，并用光谱分析仪测量背后区域的气体温度，测量结果显示，背后区域的剩余电流峰值可达10A，气体温度为3800～4600K，这说明当电弧进入栅片后背后区域不是一个绝缘介质，由于温度仍偏高，所以背后区域的气体有一定导电性，剩余电流的存在说明了背后击穿或转移现象是一种电流从栅片区通过热击穿直接向背后区域转移的过程，而背后区域的新电弧也与原在该处的剩余电流有关。电弧背后击穿现象与交流电流过零后电弧重击穿现象不同，它是发生在开断过程中电弧运动阶段，是由于背后区域在电弧电压骤升而发生热击穿造成的一种现象。

图4-83为低压断路器开断过程中不存在背后击穿（图a）与存在背后击穿现象（图b）两种情况的对比。两个电弧电压波形U_arc=f（t）的动触头斥开过程（对应时间为t₀）和电弧停滞过程（对应时间t_i）是相同的。由于电弧运动速度很快（50～100m/s），不存在背后击穿现象的情况，电弧由触头间隙移动至灭弧室所需时间t_d很短，而存在背后击穿的情况，由于反复的重击穿，使电弧在灭弧室和触头区多次逆向转移，它的等效电弧运动时间t_d远超过不存在背后击穿情况，电弧进入灭弧室后至熄灭所需时间为t_q。

比较图4-83a与b在电弧运动过程的波形可看出，图a中电弧一次进入栅片，电弧电压波形不呈现毛刺，而图b中电弧电压由于反复重击穿现象，呈现多次电弧电压的骤降，也即波形上出现了毛刺，并使这一阶段电弧电流下降速度变慢，这过程一直持续到背后区域的游离气体逐步消失，触头开距因动触头运动而增长到足够长度，使背后区域的耐压强度大于U_arcm才结束。由图4-83中可明显看出，由于反复背后击穿现象使整个开断过程的燃弧时间增长，限流断路器的限流作用削弱，影响断路器和接触器的开断性能，并增加了电弧对触头的侵蚀。

图4-84为用一CCD高速摄像机观察电弧的背后击穿现象所记录的图像。观察对象为一模型灭弧室，以振荡回路提供电源，实验时预期短路电流3000A，开断过程中出现多次背后击穿和转移现象，图4-84为其中一次背后击穿的图像。

图4-83 低压断路器开断过程的波形

a）不存在背后击穿 b）存在背后击穿

图4-84 背后击穿的图像

从图像上可以看出，在t₀时刻电弧充满灭弧栅前的空间，在t₀+0.33ms时刻电弧基本进入了灭弧栅，在t₀+0.66ms时刻电弧在进入灭弧室后又退出了灭弧室，背后转移发生时间在0.3ms内。同时也可以看到开断电弧几乎充满了整个灭弧室。