电弧故障的分类与特性.docx

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1、电弧故障的分类与特性低压供配电线路中的电弧一般可分为两种，一种是正常电气操作过程中产生的电弧，通常称之为正常工作电弧，比如电机在旋转过程中所产生的电弧就是所谓的正常工作电弧，还有电器设备的正常开关操作、电器电源插头的插拔过程时产生的电弧等都属于正常工作电弧，这些正常工作电弧是伴随着电气工作过程中的，而且是不可避免的，正常工作电弧的产生是瞬时性的，它不会持续的存在，也不会影响低压供配电系统和线路中的其它用电设备的正常工作，更不会以此引起电气火灾危及用电安全皿。所以通常线路中在发生正常工作电弧的情况下，一般都认为此时的低压供配电系统和线路上的用电设备是安全的；另外一种电弧是在电气设备异常操作过程中

2、产生的电弧，或是低压供配电线路发生故障情况下的电弧，这样的电弧称为电弧故障，低压供配电系统中的电弧故障一般是由于电气设备触头松动、线路绝缘老化、绝缘水平下降并击穿以及接地故障等问题引起的电弧。应该指出，电弧的这种区分方法不是根据电弧的任何物理参数的不同，而是针对电弧的产生结果能否导致电力安全及事故的发生这一问题来具体的划分，所以，对电弧类别的归属进行判断就存在较大的困难，这也就是在电弧故障识别及检测技术领域所要解决的技术难题。1-3-1电弧故障的分类对电弧故障如果按其产生的位置来分类，可以具体的将其分为串联模式电弧故障和并联模式电弧故障，其示意图与电路等效图如图3所示。串联电弧故障的产生原因主

3、要有两个方面，一方面是由于振动等原因引起的电极之间接触不良、连接松弛或接触处断裂，进而形成了间歇性的电弧，即点接触式串联电弧故障。当两个电极接触处出现间歇性的电弧时，电弧的间歇性燃烧会使导体的热量集聚，如果不能够及时散热便会导致导体过热，进而引燃导体外层绝缘材料，引发电气火灾；另一方面是由于配电线路年久失修而导致线路被腐蚀氧化、电缆绝缘被碳化，或是连接端子锈蚀等问题，在绝缘体上形成了碳化通道，由此形成的电弧燃炽即为碳化路径式串联电弧故障廿）。当低压配电线路中存在绝缘介质的腐蚀与碳化问题时,处于损坏断口处两端的起始电压幅值很低，据测量仅有几百毫伏，但是随着电线绝缘介质被逐渐的氧化和腐蚀，损坏断口

4、处两端的电压便会逐步的升高，当电压幅值升高到几伏时，气体间隙便能够维持电弧稳定的燃炽，电弧产生足够的能量进而引燃导体外层绝缘材料，最终导致电气火灾的发生。串联电弧故障受到阻抗负载限制，电弧电流一般略低于正常负载电流您图。串联电弧电流由于受到负载性质的影响，其波形变化多样且没有规律，所以针对串联电弧故障的检测十分困难。按发生位置,故障电弧的类型基本上可分为两类如图1-3： A类和B类。A类为串型电弧，B类为并型电弧。(A)串型电弧(B)并型电弧图-3故障电弧的类型Fig. 1-3 types of fault arc并联电弧故障是一种短路电弧故障，归纳其产生原因也有两个方面，一方面是由于外力因素

5、使火线与零线之间的绝缘破损、开裂，进而造成火线和零线之间的电弧故障，即点接触式并联电弧故障27-28；另一方面是由于电线长期捆扎在一起，由于导线腐蚀老化，而导致火线和零线之间的绝缘层出现了碳化，形成了碳化通道，进而导致两导线之间形成了电弧，即碳化路径式并联电弧故障吠3。】并联电弧故障的电流波形同样受到负载影响，但电流幅值要明显大于负载电流，并联电弧故障产生的能量也要大于串弧故障，很容易在故障点形成导电通道，使金属导体过热并引燃可燃物，甚至能够使金属电极发生融化也。但由于并弧故障电流幅值明显大于正常线路的负载电流，传统的过流保护装置在一定程度上即可以起到一定的保护作用。串、并联电弧故障的电流幅值

6、存在很大差异刖，串、并联电弧故障电流幅值与支路正常电流幅值范围如图1-4所示。并联电弧故障类似于短路过程，电流幅值一般能达到75500A,且由供电电源决定，现有的过流和短路保护装置完全能够起到保护作用。串联电弧故障电流受到线路负载的影响，电流幅值较小，一般在530A以内，而线路负载正常运行电流范围也是在30A以内，因此，现有的过流和短路保护装置无法起到保护作用。串联故障电弧在低压配电系统中经常发生并且危害性极大，所以本文以串联故障电弧为研究对象，对其进行数据采集和检测判断。支路电流范围典型并联电弧故障典型串联电弧故障电弧故障电流检测范围0.2A 5A30A 40A 50A75A500A图1-4

7、串、并联电弧故障电流幅值与支路正常电流幅值范围Fig. 1-4 amplitude of fault current in series and parallel arcand amplitude range of branch normal current某些文献除了以上的几种电弧故障类型，还定义了另外一种电弧故障类型，该种电弧故障发生在火线与地线之间，是一种并联电弧故障.刈。这种电弧故障仅发生于存在地线的低压配电系统中，其等效电路图与前文所提到的并联电弧故障的等效电路图是相同的，因此，此种类型的电弧故障具有与并联电弧故障相同的电气特性，所以在本文的研究过程中，仅仅采用串、并联的分类方法。1

8、-3-2故障电弧的特性分析经过对线性电路串联电弧故障电压和电流实测波形的分析发现，在由阻感负载组成的线性电路中，所有的电弧故障都具有一些共同的电气特性,电弧电压和电流时序曲线如图1-5所示，图为电阻负载电路中单相串联电弧故障的电压和电流波形曲线，从图中可以看出，串联电弧故障电流波形在电流零点时刻的附近变为平坦的波形，这是由电弧的熄灭和复燃过程所引起的，电弧的电压波形在电弧燃炽和熄灭区域以外的范围近似为矩形波3M0 o线性电路中电弧故障的产生对线路中的电流有较大的影响，从以下几个方面具体分析。图1-5交流串联电弧故障电压、电流波形Fig. 1-5 waveforms of AC series a

9、rc fault voltage and current(1) “零休”现象线性负载电路处于燃弧过程时，线路电流波形存在稳定的“零休”时段，其原因是当线路中存在电弧故障时，由于电弧具有电流 减小时电压 上升的伏安特性，电路电流不再呈现正弦波。在电流波形的半波初始和结尾区域部分，电流波形偏离正弦波的程度较为严重，而且电流的畸变程度还与电路的负载性质有关。电路负载为阻性时，电流过零后，由于弧隙上电压上升缓慢，电弧功率R上升速度较小，弧隙被冷却的时间相对较长，因而燃弧尖峰电压爆出现较迟。在僚出现之前，京很小，此时与负载电流相比较可以认为是零值，此过程即为电流过零后的“零休”现象 在熄弧尖峰电压4出现

10、之后，同样因为电源电压u低于4,此时八迅速减小到很小的数值，这一现象称为电流过零前的“零休”。在电感性负载电路中，在燃弧尖峰电压4出现之前，情况与电阻性负载电路相似，但因为此时弧隙上电压上升速度较快，爆出现较早，所以电流过零后的“零休”时间要短得多；在熄弧尖峰电压A出现之后，此时在电弧间隙上的电压与电源电压无关，而是由自感电动势来维持，因此电弧电流八的零前“零休”现象很微弱。在线性负载电路中由于“零休”现象的存在，因此电流在过零前后，电流波形出现较为强烈的变化，其波形为曲折的交变波形而不是平顺的正弦波。电弧的灭弧过程受到电弧电流的零前“零休”维持时间的影响很大，电弧电流“零休”维持时间的增大是

11、由于电弧电流过零前出现电弧功率为零的时间持续较长所导致，所以，在电弧电流的过零时刻和过零后的一段时间内，电弧弧柱温度降低、弧柱直径变细，更有利于弧柱的消失，以及促进电弧间隙中的气体由导电状态过渡到绝缘状态，显然，这对防止电弧重燃起着非常有利的作用。通过以上分析也可以说明，处于阻性负载电路中的电弧与感性负载电路中电弧相比较，其更容易熄灭。(2)电流过零时的下降速度在电感性负载电路中，电弧电压机对电流云的另一影响是，当几下降到接近零时，使左的下降速度变快40。证明如下：当电路中不存在电弧时，由于此时电流滞后于电源电压90度，因此当电弧电流降为零值时，电源电压将处于最大值。电弧电流的变化率为：石土

12、Z(1-1)式(1-1)中，几为电弧电流；&为电源电压幅值；L为电路中的电感。如电路存在电弧，设二比电源电压的幅值小很多M仍然落后于U约为90度，当几下降到零时，正处于接近峰值。几过零时，&二风,此时九的下降速度为:dii, ,动了士-F(1-2)式(1-2)中，将优和如相加，是因为在京落后于近90度情况下，八过零时的总是和U的方向相反。由此可见，当电路中存在电弧时，几过零时的下降速度随着电源电压U的增大而加快。而几下降速度增大意味着在过零前电弧的散热时间较短，在过零后弧柱将较热、较粗，仅从这一点来看，的增大不利于电弧的熄灭。(3)减小电路的功率因数角0当交流电路中存在电弧时，电路的功率因数角

13、将减小。在电路为电感性负载的情况下，。减小的程度可计算如下：其电路电压的幅值为优，电路电感为L o设弧隙的电压为优=，其值为一个常数，那么电弧处于稳定燃炽状态时、 如以电流 正半波起始零点为起点，可列出微分方程如下：diL - + U = Um -sin(w7 + )(1-3)式(1-3)中，0为方二0时电源电压的相位角。由此可以解得i = cos(ar + ) t + KcoLL(1-4)式(1-4)中，4为积分常数。起始条件p0时，i =0代入，可得：K = -cos()coL(1-5)UU,U- cos(初 +(p)-Z + coLLcoL cos()则有:(1-6)在下半波的末尾，仁兀

14、/0时，7=0,代入可得:0 = -Um - COS（69Z + ） 一乃 + COS（0）coL(1-7)此时，电路的功率因数角为：(P = arccos(万2 )(1-8)可见，/越大，0越小，就是说，电弧的存在，相当于在电路中串联了电阻。以上关于电弧故障电流的“零休”现象、电流过零时的下降速度以及功率因数角。的减小等现象普遍存在于线性负载电路中，所以在线性负载电路中可以根据以上所分析的电路电流特征来检测和判断线路中电弧故障的产生。而对于非线性负载电路，由于负载的电气参数会随着电源电压与线路电流的变化而发生变化，而且非线性负载多种多样，所以非线性电路没有一个稳定的伏安特性供我们参考。当非线

15、性电路处于电弧故障燃弧状态时，其电路电流的变化错综复杂，电弧故障电流波形中会包含大量的噪声干扰和高次谐波。而且当非线性负载电路处于正常工作状态时，由于负载参数随着线路电压与电流的变化而不断发生变化，其正常工作状态的线路电流波形也会出现线性负载电路处于电弧故障状态时的电流波形特征，所以针对非线性负载电路，不能够仅仅依靠电弧故障电流的“零休”现象、电流过零时的下降速度或功率因数角0的变化来检测判断线路中的电弧故障。根据非线性负载的电气特性及工作特点，将非线性负载分为了两大类别，一种是具有瞬时突变性质的非线性负载，主要包括变压器运行中产生的激磁电流和放电管产生的瞬时放电电流等；另一种是具有周期性的非线性负载，主要包括荧光灯、节能灯这一类的气体放电光源，还有应用大量电力电子器件的现代化电气设备，这里也包括开关电源的