两种重击穿现象：原理与应对策略

随着电力事业的发展，要求断路器在不断减小尺寸的条件下，提高断路器的开断性能，也即在更小的灭弧室容积和触头间隙的条件下，达到高的开断能力。一般的断路器工作在400V的条件下，但矿井等特殊工作环境工作电压上升至690V，后者对断路器的工作提出更高的要求，特别是电弧电流过零后，要求灭弧室的介质恢复过程能保证在电流过零后不致被击穿而重新呈现电弧。

图4-89 电弧过零的介质击穿

低压交流开关电器的成功开断，不论是塑壳限流型或是框架非限流型断路器，以及接触器都决定于电弧电流过零后两个过程上升的速率，一个是触头间隙的电弧等离子体冷却过程；另一个是网络上恢复电压上升到幅值的过程，电弧过零后有两种重燃过程，一种是介质重燃，另一种是热重燃。对介质重燃过程来说，触头间隙处于介质状态，恢复电压要上升到一定值才能击穿触头间隙，因而电弧电流过零后有一个零休时间，如图4-89所示，图a为触头两端电压波形，图b为电流波形。起始阶段，触头两端为电弧电压，到t_a时刻，电流达零点，这以后间隙中有两个过程，一个为电压恢复，一个为介质恢复，到t_b瞬间，两者相交，间隙被击穿，因而t_b点以后，触头间又呈现电弧电压，故障电流继续在触头间流通，在t_b-t_a时间间隔内，触头间无电流，为零休时间。

对于热重燃过程来说，电流过零后，高导电的弧柱快速冷却和电导率下降，若外施电压高于其临界值，输入弧柱的能量大于散出的能量，则由电子、离子和中性粒子组成的等离子体会继续加热，而发生重燃；反之，若输入能量小于散出能量，则等离子体会继续冷却，而不发生重燃。热重燃过程和介质重燃过程不一样，由于电流过零后，弧柱仍有一定导电性，即存在剩余电流，尽管这一电流与故障开断电流相比要小得多，根据对一模型断路器的实验，当开断电流为10kA时，剩余电流约为几安至几十安，并随外施电压而增大，当重燃瞬间，电流有一突跳。和介质重燃过程相比，电流过零到热重燃时间较介质重燃时间要短。

为了便于分析电弧电流过零后的击穿过程，从热击穿出发，推导一个击穿电压的数学模型。假定：

1）间隙充满器壁侵蚀蒸气，它是在大气压力下的理想气体；

2）重燃电压与气体密度成线性关系；

3）气体成分保持不变；

4）弧柱为圆柱形，以径向传导方式冷却。

根据能量平衡

式中 λ——导热系数；

ρ——气体密度；

c_p——定压比热容；

T——温度。

采用圆柱坐标，上式的解析解为

式中 T_amb——环境温度；

T₀——在电流过零瞬间的气体温度；

J₀——一阶贝赛尔（Bessel）函数；(www.xing528.com)

r——电弧等离子体半径；

D=A/ρc_p——等离子扩散系数；

τ——等离子体时间常数；。

热重燃的击穿电压U_bd一般可认为与等离子体温度T_pla成反比，即，因而可得气体击穿场强E_bd与电弧过零后气体温度成反比

E_bd∝1/T （4-71）

相似的，可得当触头斥开时，在环境条件下的击穿场强E_∞与环境温度T_amb成反比

E_∞∝1/T_amb （4-72）

取式（4-71）与式（4-72）的比值，并计及式（4-70）可得

由于当电流过零时，T₀≈2000～4000℃，且一般击穿时间接近τ，因而可认为，由此式（4-73）可写成

其中，E₀=E_∞T_amb/（KT₀）。

若使用击穿时间t_bd和击穿电压U_bd来表示，则式（4-74）可改写成

这样，利用式（4-75），对复杂的重燃过程，我们可用当电流过零瞬间的击穿电压U₀和时间常数τ来表示击穿过程和击穿电压U_bd。

式（4-75）是从假定间隙的压力为大气压力，并且击穿电压与气体密度成线性关系来推导的，考虑到实际灭弧室压力高于大气压力，计及气体压力，宜于把式（4-75）写成以下的形式：

低压断路器的电压恢复过程，根据对塑壳断路器的大量实验，获得在不同开断回路条件和不同断路器灭弧室尺寸条件下瞬态恢复电压上升至峰值的时间t_rec与灭弧室内的电弧能量W_q的关系如图4-90所示，由图中可见，恢复时间t_rec在50～700μs之间，它决定于回路功率因数，电流过零瞬间灭弧室内电子密度和限流电流过零瞬间的角度等因素。

图4-90 电压恢复时间与灭弧室电弧能量的关系