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1、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”ElektrischerBogen”(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
2、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
3、、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
4、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
5、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Uc。沿着弧柱电位Un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Uan。但上面所说的
6、电位降区域集中在非常小的电弧长度内,一般为104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
7、,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Piecewise-LinearProfile面板(图4.26),按照上一章所述的参数值与温度的关系填表,最后一项引用自定义UDF(图4.27)。图4.26Piecewise-LinearProfile面板图4.27物性参
