故障电弧检测技术的探究.doc

故障电弧检测技术的研究 1、相关定义 1.1、电弧的基本概念 1801 年,英国人 H.Davy 发现了电弧。1808 年,H.Davy 和 Ritter 历史上第一次 进行了电弧试验并进行了观察。电弧是根据它的形状命名的,在自然条件下由于对 流的存在,热气体向上运动,使电极间的电弧向上弯曲而成拱状,而”拱形物”的 德文是”Bogen”,英文是”Arc”,因此把它起名为”Elektrischer Bogen”(德文)即 “ElectricArc”(英文),意思是电的拱形物,即电弧[29]。 1.2、电弧的定义及分类 关于电弧,最通俗的定义是空气放电现象的一种,两个电极间的电流通过某种绝缘介质, 如空气放电产生火花,这既是电弧。在文献[10]中则非常具体地讲述了气体放电及电弧理论。 电弧按照电流的种类可以分为直流电弧、交流电弧和脉冲电弧;按照电弧的状态可以分 为自由电弧和压缩电弧。 按照电弧产生的方式及副作用情况,也可以将电弧分为好弧与坏弧。好弧就是指当插接 板的正常插拔、负载正常工作以及负载开关机等产生的电弧,之所以称之为好弧,是由于这 类电弧是负载正常状态下产生的,其特点是瞬时性,不会持续,不会引起线路和设备异常造 成火灾,可以被认为是没有任何危害的。当线路正常工作而产生的好弧时,我们要求AFCI 断路器不能脱扣断开电路,如果在发生好弧的情况下,断路器脱扣了,这种情况就是误动作, 应当尽量避免;坏弧就是串联电弧、并联电弧等一切具有破坏性和潜在危险性的电弧,亦称 作故障电弧,由于线路绝缘皮老化或者短路等情况,出现故障的位置会出现间歇性火花放电, 其高温能很容易周围的易燃物质起火,尤其是破损的绝缘皮。在本论文中出现的电弧均指故 障电弧。 其中按故障电弧的产生原因,故障电弧又可以分为串联电弧、并联电弧。串联电弧产生 的原因多是线路绝缘皮老化、电器开关和铰链的触点连接发生松动等情况造成,如图 1.1 所 示;并联电弧产生的原因类似一种短路的情况,例如当图钉刺穿电线绝缘层或金属板切断其 下面的电缆时发生的电弧都属于并联电弧[11],如图 1.2 所示;很多文献提到了第三种电弧— —对地电弧,即火线与地线之间的电弧,由于其扑拓结构跟并联电弧一致,对其研究可以完 全包含在并联电弧中,故多数对故障电弧的研究还是集中于串联电弧和并联电弧中[11]。 由于并联电弧瞬间电流很大,近似短路,普通断路器即可对并联电弧产生的大电流进行 2 杭州电子科技大学硕士学位论文 预防保护,而串联电弧则根据负载不同而复杂多变,对线路中出现的串联电弧很容易避开通 常断路器的漏电保护和过流保护作用[2],故本论文研究的电弧均是以串联电弧为主的国内低 压配电环境(220V/50Hz)中的交流电弧。 图 1. 1 串联故障电弧 图 1. 2 并联故障电弧 1.3、电弧的基本概念与特性 1.2.1 电弧的概念1.2.1 电弧的概念 根据 Ul1699 对电弧的定义,电弧指的是电通过绝缘介质产生的发光放电现 象,经常伴随着电极的挥发[1]。电弧或弧光放电是气体放电。在正常状态下,气 体绝缘性能良好,是绝缘体。但当加在气体间隙两端上的电场足够大时,电流 就可以通过气体,这种现象称之为放电[4]。放电现象受气体种类和电极材料、几 何形状、压力、两极间距离、间隙间电压等因素影响。电弧可分为三个区域: 阴极电位降区域、弧柱和阳极电位降区域。三个区域的电位降与电位梯度如图 1.1 所示。对于阴极而言,其附近的正空间电荷使得电位出现急剧跃变,导致了 阴极的电位降U c。沿着弧柱电位U n均匀上升,表明弧柱的电位梯度较稳定。在 阳极附近未补偿的负空间电荷的存在,决定了阳极的电位降U an。但上面所说的 电位降区域集中在非常小的电弧长度内,一般为10 4厘米[4]。 图 1.1 电弧电位降和电位梯度分布 2 第 1 章 引言 通过气体的气体放电与通过液体或固体时的性质不同,气体放电时会发生 一些特殊效应和现象。欧姆定律仅在气体中的少数特殊场合适用。由于气体的 特殊性,其导电系数并非常数,因此电流与电压之间的关系不是简单成正比例 关系。因此,通常认为电弧是一个非线性的导体。电弧的放电现象还与气体中 分子和原子的各种过程有关,现象复杂多样。通常情况下只能对电弧现象进行 定性分析,定量分析十分困难,在分析时也常从近似关系出发,因此所得到的 分析结果应用范围受限[4]。 1.4、定义材料属性和边界条件 本文采用氩气作为保护气体,它的物理性质参数随着温度的变化而变化, FLUENT 材料数据库中不包含。选择 Define/Materials 命令,打开 Materials 对话 框,在 Name 中输入 ar,特性参数栏中前四项的下拉列表中选择 piecewise-linear, 打开