南宫NG·28

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：

主要从事低压南宫NG·28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：

主要从事低压南宫NG·28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%的电弧故障是由于南宫NG·28短路喷弧引发[3]。因此，研究低压南宫NG·28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，本文以上海南宫NG·28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。

图4 试验等效回路

        由图4可得回路方程，

        在分断交流电路过程中，弧隙中释放的能量对低压南宫NG·28的工作性能有着很大的影响，它影响触头和灭弧室的烧损程度及发热情况。

3

试验结果与分析

        试验开始时，断路器处于合闸位置。闭合高压开关，按照GB14048.2要求进行断路器短路分断试验。试验选取断路器额定电流125A，额定电压690V，运行分断能力20KA。

        试验电压为220V时，试验所得参数如表1所示。

        试验电压为436V时，试验所得参数如表2所示。

        试验电压为690V时，试验所得参数如表3所示。

        分断试验波形如图5～10所示。

图5 220V 3KA

 图6 220V 5KA

图7 220V 10KA

图8 436V 3KA

图9 436V 5KA

图10 436V 10KA

        通过试验数据可知，在相同试验电压的条件下，峰值电流、电弧能量与预期电流成正比，燃弧时间与预期电流成反比；在相同的预期电流下，峰值电流、燃弧时间、电弧能量与电弧电压成正比。在同等条件下，试验电压对电弧的影响明显高于预期电流。 

4结语

        本文通过对低压断路器交流短路电弧伏安特性的理论分析与试验比对，得出断路器短路电弧特性与试验电压以及预期电流有着极大的关联。比较分析了不同电压与预期电流下，短路电弧特性的区别，为研究交流短路电弧提供了重要的理论与现实依据。

参考文献

[1] 陈喆歆，吴诩，杨飞等. 低压断路器电弧仿真研究[J]. 南宫NG·28与能效管理技术，2014（10）：10-17.

[2] 李兴文，陈德桂，汪倩. 低压断路器电弧仿真实验和研究[J]. 低压南宫NG·28，2010（24）：1-11.

[3] 吴华仁，李晓慧. 低压电弧短路电流计算[J]. 中国电力，2002（7）：44-47.