气吹的冷却和驱动作用对电弧的影响

1.基于灭弧室内气体的高温形成的气吹

传统的气吹灭弧技术一般用于高压断路器，20世纪以来人们也开始注意这种技术用于低压断路器的可能性，低压断路器的自动气吹技术主要依靠电弧的能量，使灭弧室的压力增高，这个压力与灭弧室外界大气压之间的压力差就可以形成由灭弧室通过出气口的气流，这一气流有两种作用：一种是对电弧产生冷却作用；另一种是产生对电弧的驱动力，迫使电弧进入灭弧栅片。传统的低压塑壳断路器，依靠自励磁场驱动力，一般灭弧栅片间的间距取2mm左右，但采用气吹以后，新型断路器，额定电流在250A的框架，栅片间距可减小到1～1.5mm，因而在相同灭弧室体积条件下，灭弧栅片可增多。传统的无气吹塑壳断路器一般栅片数在7片左右，而新型有气吹的断路器在同一灭弧室尺寸下栅片数可增加至10～11片。这就大幅度提高了断路器的开断能力。

要依靠电弧能量提高灭弧室压力来产生气吹作用，有两种途径：一个是利用电弧高温加热灭弧室内气体来形成气吹；另一个是在灭弧室内放置产气材料，在电弧高温侵蚀后产生大量气体，促使灭弧室压力增高，而形成气吹。

首先让我们来讨论由于灭弧室内高温形成的气吹。

当灭弧室内呈现电弧时电弧的能量将大部分用于加热灭弧室内的气体，根据理想气体状态方程

pV=mRT （4-56）

式中 p——灭弧室内压力；

V——灭弧室体积；

m——灭弧室气体质量；

R——普通气体常数；

T——灭弧室温度。

则灭弧室压力就会升高，由于灭弧室都带有出气口，以下来推导带出气口时，灭弧室中温度和压力变化的数学模型。

设在dt时间内，电弧供给灭弧室的能量为dQ，气体通过出气口消耗的能量为dE，则根据能量平衡方程，导致灭弧室温度和压力上升的能量为

d（mc_VT+pV）=dQ-dE （4-57）

式中 m——灭弧室气体质量；

c_V——气体定容比热容；

Q——电弧提供给灭弧室的能量；

E——气体通过出气口消耗的能量。

其中 dQ=K_pu_arcidt （4-58）

式中 K_p——电弧能量转换成压力上升部分的比例系数，K_p＜1；

u_arc——电弧电压；

i——电弧电流；

t——时间。

出气口消耗的能量：

dE=K/（K-1）（p/ρ）αAρ_nv_ndt （4-59）

式中 K——气体绝热指数，对空气K=1.4；

ρ——灭弧室内气体密度；

A——出气口面积；

α——气体摩擦和收缩系数；

ρ_n——出气口的气体密度；

v_n——出气口的气体速度。

将式（4-56）、式（4-58）、式（4-59）代入式（4-57），可得

由式（4-60）可以看出，灭弧室压力的变化率dP/dt随电弧供给的能量K_pu_arci增大而增大，而随出气口面积A的增加而减小。

电弧提供给灭弧室的能量，造成灭弧室内气体温度和压力上升，但是利用这一压力形成气吹，还要通过对灭弧室结构的特殊设计。

传统的塑壳断路器灭弧室结构如图4-76a所示，灭弧室上端有排气口，而下端与断路器的机构和脱扣器相通，因而相当于灭弧室上下都有出气口，这样不能形成通过上排气口驱动电弧的强烈气流。为了堵塞下出气口，图4-76b在灭弧室下部用一带开口槽的弧形隔板把灭弧室与断路器下半部分隔开，隔板上带槽是为了让动触头杆当断路器操作时可在其中运动，动触头杆上带有与开口槽相匹配的弧形绝缘挡板，动触头开断时，弧形挡板堵住开口槽使灭弧室与断路器下半部分封闭，这样就可存贮气体压力，产生对电弧的气吹作用。

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图4-76 两种不同出气口的灭弧室

a）传统灭弧室结构 b）灭弧室下端出气口堵住的结构

另一种结构是把每一相的灭弧室制作成一个仅带一个出气口的半封闭单元，把动触头的转轴也由传统的在灭弧室外端引入到这一半封闭单元中，这样就不存在下出气口的问题，图4-77所示为这种结构的一个灭弧单元，灭弧室内由电弧能量造成的压力升高，通过唯一的排气口，形成对电弧的强有力气吹。

图4-77 半封闭的灭弧室单元

2.基于电弧对产气材料的侵蚀造成的气吹

由开断电弧产生的电弧温度可达3000～30000℃，它远超过产气绝缘材料的气化温度，在电弧高温作用下，绝缘材料受电弧侵蚀而产气，使灭弧室内压力增高，通过上端出气口，形成高速气流来驱动和熄灭电弧。一般对产气材料来说，要求产生的气体在电弧温度作用下有良好的导热性，特别是能产出较多的氢气以利于冷却电弧。由于产气材料气化时要消耗电弧能量，产生的气体较空气有更好的导热性，因而这种气吹方式较上面介绍的单靠电弧加热气体介质实现气吹的方案要有效。

设电弧在一长方形灭弧室内燃烧，灭弧室内壁由产气绝缘材料制作，如图4-78所示。

图4-78 长方形灭弧室

该长方形截面为A，上端全部开口。根据动量平衡

Δp_hAΔt=Mv （4-61）

式中 Δp_h——由于器壁产气引起灭弧室压力的增量，它是灭弧室压力与环境压力之差；

M——气体介质的质量；

v——气流的流速；

A——灭弧室出口处截面；

Δt——时间增量。

假设出口处流速为声速c，上式可改写成

式中 ——单位时间的流量。

设出口处产生的质量流是由于电弧侵蚀产气材料所造成，并认为电弧用于侵蚀材料消耗的功率为k_hu_arci，这里k_h为侵蚀材料消耗功率占的总电弧功率的比例系数，则

式中 h——使产气材料质量M气化所需要的能量，这里用焓表示。

把式（4-63）代入式（4-62）可得

由上式可知，由电弧侵蚀材料在灭弧室内引起的压力增量Δp_h与电弧消耗在材料气化上的功率成正比，而与材料气化所需的焓和出气口面积成反比。

如图4-79所示的五种产气材料放置方式都可产生气吹效应。图4-79a在动触头两侧放置产气绝缘材料，这种方案也称为金属蒸气喷流控制技术，因为绝缘材料产生的气体可以对触头断开时的金属蒸气起控制作用，后者在电弧开断阶段是电弧导电的基础；图4-79b是用一产气绝缘材料的套子套在栅片的两个腿上，触头开断后的电弧能很好地与产气材料接触；图4-79c的方案是一种被称为冲击窄缝加速器的结构，在静触头附近放置产气绝缘材料，并在触头区形成一个窄缝，当触头开断时，利用缝内器壁绝缘材料产气，形成与窄缝外介质的压力差，造成一股向槽外的强烈气流，这股气流不但有利于熄弧，并且也推动动触头，加快斥开速度；图4-79d的结构是在灭弧室器壁两侧放置产气材料的绝缘片，绝缘片内包有铁片以增强磁吹，这种结构由于产气绝缘片占了一定空间，因而栅片采用短栅片，没有传统栅片的两条长腿；若把产气的两种方法结合起来，即把图4-76、图4-77与图4-78的结构结合起来就能获得更好的气吹作用；图4-79e的结构也称为U形槽，它是在U形铁磁体外包产气材料，并把它以倒U形方式套在触头上，也可以在出口处形成强烈气喷。

图4-79 五种带产气材料的灭弧室

美国伊顿公司（Eaton Corporation）研发中心的Xin Zhou通过一实验模型，得出了产气材料对电弧运动速度的影响。图4-80为实验装置的顶视图，装置的上下有两个长电极，长度为81.28mm，它也是电弧的跑弧道，电极间隙为7.64mm，装置的器壁用耐热玻璃制作，以便于用快速摄像机观察电弧运动。不同产气材料薄片，宽度为7mm，放在跑弧道路径离起弧点12.7mm处，用细铜丝起弧。电弧运动的记录采用多媒体CCD快速摄像机，拍摄速度为12000幅/s。以振荡回路提供短路电流，电流幅值为10kA。

图4-80 实验装置顶视图

产气材料薄片分别采用：S级和T级纤维充填三聚氰胺，20%和10%玻璃纤维充填的聚酯和聚酰胺（POM₁₂），从图4-81中可见，电弧在进入产气材料前，不同产气材料电弧运动速度在46m/s到54m/s波动；进入产气材料后，电弧运动速度在71m/s到91m/s之间波动。可见进入产气材料后，由于产气材料的气吹作用，电弧运动速度有较大的提高。

图4-81 采用不同产气材料薄片时，电弧在薄片前和进入后的速度对比

—进入产气材料前的速度 —在产气材料中的速度