1　概　述 　　低壓限流斷路器是低壓配電系統中應用最為普遍的電器產品之一，它在開斷故障電流的同時也能對故障電流進行限制，因此具有較高的開斷能力。 　　與一般的斷路器的滅弧室不同，低壓限流斷路器的滅弧室采用多個滅弧柵片。在開斷過程中，首先動觸頭和靜觸頭分開產生電弧，在電磁場和熱場，流場的作用下運動至滅弧柵片。當電弧進入柵片后，由于被分成的多個短弧的近極壓降，使電弧電壓迅速上升，從而達到限流的目的。 　　為了有較高的電弧電壓，限流斷路器滅弧室的柵片數比一般的斷路器要多，并且排列得更緊密。這樣，電弧在進入滅弧室時所受的阻力要較大，在柵片入口處停滯的時間也較長。因此在柵片入口處所產生的金屬蒸氣也較多。近年來對低壓限流斷路器的研究表明：電弧在柵片入口處多次出現在柵片內與柵片外，導致電弧電壓的反復跌落，如圖1所示（1.25ms/格），降低了限流斷路器的限流特性，使燃弧時間增長。　　 　　1988年日本名古屋大學YoshiyukiIkuma等人首次用快速攝象機觀察到電弧的背后擊穿現象。他們還采用微波穿透技術發現在低壓斷路器開斷過程中，電弧電壓發生突降前，將要發生背后擊穿的間隙都出現溫度的上升，這是由于電弧的熱氣流經過滅弧室的后壁的反射進入相應區域的結果。游離氣體的進入和溫度的上升，使相應區域的臨界電場強度降低，可以導致背后擊穿。 　　目前低壓限流斷路器開斷過程中所產生的短間隙大電流電弧，是一種金屬蒸氣占主導地位的電弧。因而要提高這類電弧的電弧電壓，就必須控制金屬蒸氣。針對這種情況，近年發展了用于低壓斷路器限流開斷的金屬噴流控制技術。 　　本文在滅弧室柵片間插入絕緣材料，形成一個縫隙，更直接的對柵片滅弧室中的電弧進行冷卻，它的作用相當于窄縫滅弧室的固體器壁的冷卻作用，但不同的是它主要依靠器壁材料的產氣作用，這樣我們將這種新型滅弧室稱為混合式滅弧室。通過實驗證明，在限流斷路器的滅弧室中采用這種技術，可以有效減小金屬蒸氣的噴流。配合以隔弧板，不僅消除了背后擊穿現象，而且進入滅弧室后的電弧電壓能夠始終保持較高的值，明顯縮短了燃弧時間，減小了允通能量，大大提高了限流斷路器的開斷性能。 2　混合式滅弧系統的實驗研究 　　為觀察電弧運動，采用了西安交通大學電器教研室研制的二維光纖測試系統。系統的探測部分由32根光纖組成，排列在整個燃弧區域。由于電弧光很強，為了便于判斷，采用門檻值，凡高于此值的光信號作為電弧的反映。系統將光纖傳送的光信號轉化為電信號，最終成為數據存儲在計算機。拍攝速度可達0.83μs。可使我們細致的觀測到電弧運動。 　　實驗采用LC單頻振蕩回路電路供給，提供50Hz的電流，整個實驗回路及模型限流斷路器如圖2所示。　 　　在實驗中，將二維光纖電弧測試系統的光纖陣列置于限流斷路器的壁上，用它觀察得到的限流斷路器開斷過程中電弧運動如圖3。 　　從限流斷路器開斷過程中電弧運動的觀察結果可以看出，用二維光纖陣列電弧測試系統可以對開斷過程中電弧的運動進行觀察。上圖中，每一個圓代表一根光纖，如果光纖觀測到了電弧，則相應的小圓被填充。上面的結果可看出，在1.5ms時，電弧產生，2.0ms時電弧向前運動，3.2ms時電弧開始進入滅弧柵片，3.5ms時電弧已經完全進入滅弧柵片，4.2ms時電弧退出了滅弧柵片。這說明一般的限流斷路器在開斷過程中存在背后擊穿，降低了開斷性能。 　　本文直接在滅弧室柵片間插入產氣絕緣材料如圖4中所示，在電弧的高溫作用下，發出大量的絕緣物蒸氣，這樣由于限制了電弧弧根，并借助絕緣物產生的蒸氣，使電弧弧根周圍壓力進一步提高，控制了電極發射出的金屬蒸氣的噴流運動方向。此外，絕緣物產生的氣體冷卻電弧弧柱，使電弧電阻上升，電弧電壓提高。 　　通過運用二維電弧光纖測試系統對開斷時電弧運動的觀察，本文發現，一般結構的限流斷路器在開斷時，電弧多次反復出現背后擊穿，這與開斷過程中電弧電壓的跌落是相應的。在滅弧室柵片間插入產氣絕緣材料后，由于滅弧室內柵片間的絕緣板對熱氣流擴散的限制，并且產生大量的氣體，對電弧進行更直接的冷卻，因此電弧電壓較平穩，在整個開斷過程中，電弧反復在柵片滅弧室之外出現的次數也大為減少。 　　采用隔弧板，由于具有最好通氣情況，可以在開斷中抑制熱氣流的回流，控制金屬蒸氣的向后擴散，也可以使大量的能量排出。具有好的開斷特性，可以非常有效的抑制背后擊穿現象的產生。從二維光纖電弧測試系統的觀察結果，以及開斷時的限流斷路器開斷電弧電壓電流波形圖，可以看出幾乎沒有背后擊穿的發生。但在開斷中，由于大量金屬蒸氣的擴散，使電弧電阻變小，電弧電壓持續下降，最高值與最低值有時相差150V，不利于開斷特性的提高。 　　考慮到上面的結構的優點與缺點，而采用窄縫滅弧室，柵片滅弧室與隔弧板相配合的混合式滅弧室，多次實驗獲得的限流斷路器開斷電弧電壓電流波形圖，以及用二維光纖陣列電弧測試系統所觀察的電弧運動圖象，都明顯看出，這種結構完全抑制了背后擊穿的發生，并且一旦電弧進入柵片滅弧室，則電弧電壓始終保持一個較高的值，燃弧時間以及充能能量都是最小的。通過實驗中對多種結構進行對比。在上圖4中，結構（1）與（2）采用了窄縫與柵片配合，結構（1）中的滅弧室后部用開孔面積50%的絕緣板以防止飛弧。但這樣開斷時有時也會有背后擊穿的發生。結構（2）中除了采用窄縫與柵片配合，還在滅弧室柵片之后續接上絕緣隔離板，這樣即保證了滅弧室內氣體的流通，消弱了熱氣流的回流，又保證了電弧不會在滅弧室的后部跑出柵片而導致電壓的突降。結構（3）也采用了這種能消弱熱氣流的回流的方法，但沒有采用窄縫與柵片配合。圖4中的（4），（5）分別是（2）與（3）的側視圖。這些結構的開斷電弧電壓電流波形有所不同。如圖5所示。 　　圖5中（1），（2）是1.25ms/格，（3）是0.625ms/格。綜合圖5實驗結果，可得出表1所示對比： 　　a:一般情況的開斷特性 　　b:采用窄縫與柵片配合時的開斷特性 　　c:單獨采用隔弧板的開斷特性 　　d:新型的混合式滅弧系統的開斷特性 　　從表1可以看出，在一般結構的限流斷路器中，平均燃弧時間較長，平均背后擊穿的次數也是較多的，采用窄縫與柵片配合的限流斷路器模型在開斷中背后擊穿次數一般不多于1次，但也影響到開斷特性的提高。最好的開斷情況是采用窄縫滅弧室，柵片滅弧室與隔弧板相配合的混合式滅弧室的限流斷路器，它不僅完全沒有背后擊穿，而且在開斷時，一旦電弧進入了柵片滅弧室，電弧由于近極壓降而迅速上升，以后一直保持這個較高的值，因此對平均燃弧時間大大減少，比一般結構減少了20%，明顯提高了開斷特性。 3　結　論 　　對目前低壓限流斷路器開斷過程中所產生的短間隙大電流電弧，經實驗證明，不同于傳統的空氣電弧，這類電弧是一種金屬蒸氣占主導地位的電弧。因而要提高這類電弧的電弧電壓，就必須控制金屬蒸氣。本文研究了一種將窄縫滅弧室，柵片滅弧室與隔弧板相配合應用于限流斷路器的新型混合式滅弧系統。控制了柵片間金屬短弧的金屬蒸氣噴流，同時削弱滅弧室中熱氣體的回流。實驗證明，新型的混合式滅弧系統不僅有效的抑制了背后擊穿現象的發生，而且進入滅弧室的電弧始終具有平穩的較高電弧電壓，有效的提高了限流斷路器的開斷性能。