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低压断路器交流短路电弧伏安特性的研究

2017-03-24

低压断路器交流短路电弧

伏安特性的研究

技术专家介绍

洪轩

短路专项工程师；

机电工程二级建造师；

助理工程师。

工作方向：

主要从事低压电器产品的检测；国家级技术课题的研究；以及检测设备的研发等。

张志文

项目经理；

中级工程师。

工作方向：

主要从事低压电器产品的检测；检测方案的评估与实施；产品应用领域及新领域检测技术研究，及检测设备的研发等。

引言

随着现代化建设的发展，低压断路器作为一种重要的工具和手段，在光伏、船电、轨道交通等领域，发挥着越来越重要的作用。随着生产自动化程度的日益提高，不仅对低压断路器的数量需求不断提高，而且对产品的性能、质量等要求也越来越高[1-2]。经过对电力系统中大量故障实例分析发现，80%～95%的电弧故障是由于电器短路喷弧引发[3]。因此，研究低压电器短路电弧特性已显得至关重要。

由于短路电弧是一个十分复杂的过程，在目前的条件下无法进行定性的分析。本文从短路电流是否过零点入手，建立电弧模型，以试验回路为基础分析短路电弧的伏安特性。根据试验数据与波形，分析试验电压、预期电流对交流短路电弧伏安特性的影响。

1电弧模型的研究

低压断路器触头动静触头刚开始做分离运动时，接触面积减小，接触处的电流密度逐渐增大，因而此处的金属强烈发热。在触头分离瞬间，接触处的金属首先熔化，形成液态金属桥，然后一部分变成金属蒸汽进入触头间隙中。随着动触头与静触头之间的开度增大，弧隙中的气体温度越来越高，热电离起主导作用，气体中的带电粒子越来越多，气体导电率升高，触头之间形成电弧。

电弧放电是一个高度非线性的时变过程，它受到空气热导率、电弧辐射、对流、电弧形状、电弧长度和电源参数等影响，所以要建立一个精确的电弧模型几乎是不可能的，加上不同类型的电弧特性也存在一定的差异，所以难以实现共性化。本文从分析短路电弧故障特性入手，根据短路电流是否过零点，建立电弧动态模型。

如图1所示交流电路，当电流幅值不变，且弧长不变时，交流电弧一个周期内电流与电压的关系如图2所示。

图1 交流电路电弧

图2 交流电弧的伏安特性

当触头电压上升到燃弧电压udr时起弧。由于电弧的热电离作用，特性曲线AB段是下降的，自B点以后，电流由峰值逐渐减小。电弧电压相应的回升，但因弧柱具有热惯性，BC段低于AB段。当电弧电流不断减小，到达C点时的电压称为熄弧电压uxm。在电弧过零后，在反方向重燃。

为了简化短路电弧中的复杂物理化学过程，忽略电弧与电极之间的相互作用，根据Cassie电弧模型，需要做出以下假定条件：

（1）电弧是具有圆柱形的气体通道，其截面有均匀分布的温度；

（2）电弧通道的直径明确，在直径以外的气体电导率较小；

（3）认为电弧的温度不随着电弧电流的变化而变化；

（4）电弧等离子体的能量和能量散出速度与弧柱横截面的变比成正比，能量散出是因为气流或与气流有关的弧柱变化过程造成。不考虑从电极散出的能量。

基于上述假设条件，从能量平衡原理出发，电弧现象的数学模型可表示为：

电流由负值过零瞬间，电弧暂时熄灭，此时电源电压加在触头之间。在电流过零时的小电流燃弧期间，采用Mayr动态电弧模型，其初始条件由Cassie电弧方程来决定。

由短路电流在非过零点的电弧公式（6）与过零时的数学模型公式（10）可以看出，无论电流是否在零点，短路电弧的特性主要与峰值电流Ip、燃弧时间tarc、电弧能量W等参数相关。因此分析上述参数对研究短路电弧有着极其重要的作用。

2短路电弧相关参数的测量

通过对电弧数学模型与伏安特性的分析可知，影响电弧性能的最主要的参数为电弧电压与电流。为了更好的研究电弧特性，本文以上海电器科学研究所大容量交流通断试验室为平台，以塑壳断路器为试验对象，搭建了测试系统的主回路，如图3所示，测量短路电弧的相关参数。

图3 试验主回路

主回路35KV进线，通过两个高压开关(201DL\201HK)后进入高压阻抗(R1、L1)，利用变压器调节电压后进入低压侧。本回路选用选相开关作为低压闭合开关，同时也可以控制合闸角度，经选相开关控制的电流经低压阻抗（R2、L2）后进入试验端口。将断路器三相进线端与试验端口连接，出线端短接并接地进行试验。为了模拟断路器实际应用情况，在低压侧空芯电抗器上并联分流电阻，分流值约为通过电抗器电流的0.6%。图中V1、V2、V3用于测量线电压，V4、V5、V6用于测量三相相电压，I1、I2、I3用于测量三相电流。

为了简化计算分析，将主回路等效成如图4所示电路。