張宇時(shí)

摘要：為了實(shí)現(xiàn)電弧故障的有效檢測，為電弧故障檢測技術(shù)提供一定的理論基礎(chǔ)，從電弧基本特性方面出發(fā)，通過建立電弧故障靜態(tài)模型，分析電弧靜態(tài)伏安特性以及電源電壓、電阻與伏安特性對電弧穩(wěn)定性的影響；分析在工頻交流下電弧的動(dòng)態(tài)特性及在工頻半周期里電弧故障線路電流與電壓的相位特性。

關(guān)鍵詞：故障電??；伏安特性；建模

中圖分類號(hào)：TM755 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2014）10-0031-04

在電力系統(tǒng)中，由故障電弧引起的事故越來越多。在自然環(huán)境中開斷電路，如果被開斷電路的電流（電壓）超過某一數(shù)值時(shí)（在0.25～1.00 A，12～20 V之間），則觸頭間隙中就會(huì)產(chǎn)生電弧，而電弧的溫度極高、亮度很強(qiáng)，危害很大，容易引起火災(zāi)、爆炸，造成設(shè)備損壞和人員傷亡事故。由于產(chǎn)生電弧所需的電壓電流，在某些情況下不一定超過額定電壓和額定電流，而傳統(tǒng)的電路器只有過載保護(hù)、短路保護(hù)，所以迫切需要對故障電弧進(jìn)行檢測。

電弧的形成需要經(jīng)過4個(gè)物理過程，即強(qiáng)電場放射、撞擊電離、熱電子發(fā)射和高溫游離。了解故障電弧的形成原理，才能夠有效、準(zhǔn)確地對其進(jìn)行檢測，從而實(shí)現(xiàn)后期針對故障電弧斷路器的開發(fā)。本文結(jié)合大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和電弧原理進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，總結(jié)出故障電弧的伏安特性，為今后故障電弧檢測技術(shù)的發(fā)展及故障電弧斷路器的研發(fā)提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 故障電弧靜態(tài)模型

2 故障電弧靜態(tài)伏安特性

由故障電弧伏安特性曲線可以得到，當(dāng)電路工作在2點(diǎn)時(shí)，電流為I2，如果瞬間電流大于I2，則Ua+iR>U0，Ldi/dt<0，此時(shí)線路電流要相應(yīng)地減小，一直到點(diǎn)2，使Ldi/dt=0，維持電弧穩(wěn)定；如果瞬間電流小于I2大于I1，則Ua+iR0，此時(shí)線路電流要相應(yīng)地增大，一直到點(diǎn)2，使Ldi/dt=0，維持電弧穩(wěn)定；在電路工作于點(diǎn)1，電流為I1時(shí)，如果瞬間電流小于I1，則Ua+iR>U0，Ldi/dt<0，此時(shí)線路電流要相應(yīng)地減小，一直到為零為止，使電弧熄滅。

結(jié)合上述分析可知：點(diǎn)1為不穩(wěn)定平衡點(diǎn)，當(dāng)電路工作于點(diǎn)1時(shí)，電弧可以隨時(shí)熄滅；點(diǎn)2為穩(wěn)定平衡點(diǎn)，當(dāng)電路工作于點(diǎn)2時(shí)，電弧可以持續(xù)穩(wěn)定燃熾。

2.1 電阻對電弧穩(wěn)定性的影響

當(dāng)其他條件不變時(shí)，隨著R的增加，直線B就以（0，U0）點(diǎn)為圓心按順時(shí)針方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，平衡點(diǎn)就由點(diǎn)2沿著曲線A向左的方向移動(dòng)，一直到點(diǎn)3，直線B與曲線A相切為止。如果電阻持續(xù)增大，交點(diǎn)消失，電弧熄滅。如圖2所示。

2.2 電源電壓對電弧穩(wěn)定性的影響

在其他條件不變時(shí)，隨著電源電壓U0的減小，直線B就沿著縱坐標(biāo)向下平移，平衡點(diǎn)由點(diǎn)2沿著曲線A向左的方向移動(dòng)，一直到點(diǎn)3，直線B與曲線A相切。如果電源電壓U0持續(xù)減小，交點(diǎn)消失，電弧熄滅。如圖3所示。

2.3 電弧伏安特性曲線對電弧穩(wěn)定性的影響

在電源電壓U0、電阻R恒定，電弧長度增加時(shí)，電弧伏安特性曲線A便向上的方向移動(dòng)，平衡點(diǎn)從點(diǎn)2沿著直線B向左的方向移動(dòng)，即電弧穩(wěn)定燃熾的電流將逐漸減小，一直到相切于點(diǎn)3。如果電弧伏安特性曲線A持續(xù)向上移動(dòng)，交點(diǎn)消失，電弧熄滅。如圖4所示。

3 故障電弧動(dòng)態(tài)伏安特性

當(dāng)電路處于工頻交流電壓時(shí)，電弧熱過程滯后于電過程，電弧與弧柱之間有熱慣性，使其之間處于不穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，則此時(shí)的伏安特性就為動(dòng)態(tài)特性。在工頻交流電壓下，電弧的動(dòng)態(tài)伏安特性曲線如圖5所示。

圖5中，第一象限表示隨著電壓U的變化，直線B與電弧靜特性曲線A的穩(wěn)定平衡點(diǎn)的相應(yīng)變化情況；第二象限表示電壓U的半個(gè)周期波形曲線圖；第四象限表示與穩(wěn)定平衡點(diǎn)所對應(yīng)的電弧電流曲線，Iz為燃弧電流，Is為熄弧電流，此時(shí)回路電流發(fā)生畸變。各類工頻交流電弧的伏安特性從電弧電阻和燃熾特性兩方面來看，都會(huì)有差異。交流電弧的伏安特性與電流數(shù)值、電極材料、電弧長度、電弧冷卻程變、氣體成分及電流頻率有很大關(guān)系。

5 結(jié)論

由上述對故障電弧動(dòng)態(tài)伏安特性、靜態(tài)伏安特性的分析，還有對故障電弧伏安相位特性的分析，可以得到，電弧的伏安特性與電弧電流值、電極材料、電弧長度、電弧冷卻程度、周圍氣體成分，以及電流頻率等因素有很大關(guān)系。當(dāng)發(fā)生故障電弧時(shí)，上述多個(gè)因素的劇烈變化會(huì)引起故障電弧伏安特性的劇烈變化，故障電弧伏安特性的劇烈變化會(huì)引起每個(gè)工頻半周期燃弧電壓和熄弧電壓的不同，而工頻半周期故障電弧的線路伏安相位特性由每個(gè)工頻半周期的燃弧電壓和熄弧電壓決定，所以發(fā)生故障電弧時(shí)連續(xù)工頻半周期的線路電壓與電流工頻成分相位差變化復(fù)雜，并且不滿足單調(diào)性，這對故障電弧的檢測提出了更高的要求。

摘要：為了實(shí)現(xiàn)電弧故障的有效檢測，為電弧故障檢測技術(shù)提供一定的理論基礎(chǔ)，從電弧基本特性方面出發(fā)，通過建立電弧故障靜態(tài)模型，分析電弧靜態(tài)伏安特性以及電源電壓、電阻與伏安特性對電弧穩(wěn)定性的影響；分析在工頻交流下電弧的動(dòng)態(tài)特性及在工頻半周期里電弧故障線路電流與電壓的相位特性。

關(guān)鍵詞：故障電弧；伏安特性；建模

中圖分類號(hào)：TM755 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2014）10-0031-04

在電力系統(tǒng)中，由故障電弧引起的事故越來越多。在自然環(huán)境中開斷電路，如果被開斷電路的電流（電壓）超過某一數(shù)值時(shí)（在0.25～1.00 A，12～20 V之間），則觸頭間隙中就會(huì)產(chǎn)生電弧，而電弧的溫度極高、亮度很強(qiáng)，危害很大，容易引起火災(zāi)、爆炸，造成設(shè)備損壞和人員傷亡事故。由于產(chǎn)生電弧所需的電壓電流，在某些情況下不一定超過額定電壓和額定電流，而傳統(tǒng)的電路器只有過載保護(hù)、短路保護(hù)，所以迫切需要對故障電弧進(jìn)行檢測。

電弧的形成需要經(jīng)過4個(gè)物理過程，即強(qiáng)電場放射、撞擊電離、熱電子發(fā)射和高溫游離。了解故障電弧的形成原理，才能夠有效、準(zhǔn)確地對其進(jìn)行檢測，從而實(shí)現(xiàn)后期針對故障電弧斷路器的開發(fā)。本文結(jié)合大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和電弧原理進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，總結(jié)出故障電弧的伏安特性，為今后故障電弧檢測技術(shù)的發(fā)展及故障電弧斷路器的研發(fā)提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 故障電弧靜態(tài)模型

2 故障電弧靜態(tài)伏安特性

由故障電弧伏安特性曲線可以得到，當(dāng)電路工作在2點(diǎn)時(shí)，電流為I2，如果瞬間電流大于I2，則Ua+iR>U0，Ldi/dt<0，此時(shí)線路電流要相應(yīng)地減小，一直到點(diǎn)2，使Ldi/dt=0，維持電弧穩(wěn)定；如果瞬間電流小于I2大于I1，則Ua+iR0，此時(shí)線路電流要相應(yīng)地增大，一直到點(diǎn)2，使Ldi/dt=0，維持電弧穩(wěn)定；在電路工作于點(diǎn)1，電流為I1時(shí)，如果瞬間電流小于I1，則Ua+iR>U0，Ldi/dt<0，此時(shí)線路電流要相應(yīng)地減小，一直到為零為止，使電弧熄滅。

結(jié)合上述分析可知：點(diǎn)1為不穩(wěn)定平衡點(diǎn)，當(dāng)電路工作于點(diǎn)1時(shí)，電弧可以隨時(shí)熄滅；點(diǎn)2為穩(wěn)定平衡點(diǎn)，當(dāng)電路工作于點(diǎn)2時(shí)，電弧可以持續(xù)穩(wěn)定燃熾。

2.1 電阻對電弧穩(wěn)定性的影響

當(dāng)其他條件不變時(shí)，隨著R的增加，直線B就以（0，U0）點(diǎn)為圓心按順時(shí)針方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，平衡點(diǎn)就由點(diǎn)2沿著曲線A向左的方向移動(dòng)，一直到點(diǎn)3，直線B與曲線A相切為止。如果電阻持續(xù)增大，交點(diǎn)消失，電弧熄滅。如圖2所示。

2.2 電源電壓對電弧穩(wěn)定性的影響

在其他條件不變時(shí)，隨著電源電壓U0的減小，直線B就沿著縱坐標(biāo)向下平移，平衡點(diǎn)由點(diǎn)2沿著曲線A向左的方向移動(dòng)，一直到點(diǎn)3，直線B與曲線A相切。如果電源電壓U0持續(xù)減小，交點(diǎn)消失，電弧熄滅。如圖3所示。

2.3 電弧伏安特性曲線對電弧穩(wěn)定性的影響

在電源電壓U0、電阻R恒定，電弧長度增加時(shí)，電弧伏安特性曲線A便向上的方向移動(dòng)，平衡點(diǎn)從點(diǎn)2沿著直線B向左的方向移動(dòng)，即電弧穩(wěn)定燃熾的電流將逐漸減小，一直到相切于點(diǎn)3。如果電弧伏安特性曲線A持續(xù)向上移動(dòng)，交點(diǎn)消失，電弧熄滅。如圖4所示。

3 故障電弧動(dòng)態(tài)伏安特性

當(dāng)電路處于工頻交流電壓時(shí)，電弧熱過程滯后于電過程，電弧與弧柱之間有熱慣性，使其之間處于不穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，則此時(shí)的伏安特性就為動(dòng)態(tài)特性。在工頻交流電壓下，電弧的動(dòng)態(tài)伏安特性曲線如圖5所示。

圖5中，第一象限表示隨著電壓U的變化，直線B與電弧靜特性曲線A的穩(wěn)定平衡點(diǎn)的相應(yīng)變化情況；第二象限表示電壓U的半個(gè)周期波形曲線圖；第四象限表示與穩(wěn)定平衡點(diǎn)所對應(yīng)的電弧電流曲線，Iz為燃弧電流，Is為熄弧電流，此時(shí)回路電流發(fā)生畸變。各類工頻交流電弧的伏安特性從電弧電阻和燃熾特性兩方面來看，都會(huì)有差異。交流電弧的伏安特性與電流數(shù)值、電極材料、電弧長度、電弧冷卻程變、氣體成分及電流頻率有很大關(guān)系。

5 結(jié)論

由上述對故障電弧動(dòng)態(tài)伏安特性、靜態(tài)伏安特性的分析，還有對故障電弧伏安相位特性的分析，可以得到，電弧的伏安特性與電弧電流值、電極材料、電弧長度、電弧冷卻程度、周圍氣體成分，以及電流頻率等因素有很大關(guān)系。當(dāng)發(fā)生故障電弧時(shí)，上述多個(gè)因素的劇烈變化會(huì)引起故障電弧伏安特性的劇烈變化，故障電弧伏安特性的劇烈變化會(huì)引起每個(gè)工頻半周期燃弧電壓和熄弧電壓的不同，而工頻半周期故障電弧的線路伏安相位特性由每個(gè)工頻半周期的燃弧電壓和熄弧電壓決定，所以發(fā)生故障電弧時(shí)連續(xù)工頻半周期的線路電壓與電流工頻成分相位差變化復(fù)雜，并且不滿足單調(diào)性，這對故障電弧的檢測提出了更高的要求。

摘要：為了實(shí)現(xiàn)電弧故障的有效檢測，為電弧故障檢測技術(shù)提供一定的理論基礎(chǔ)，從電弧基本特性方面出發(fā)，通過建立電弧故障靜態(tài)模型，分析電弧靜態(tài)伏安特性以及電源電壓、電阻與伏安特性對電弧穩(wěn)定性的影響；分析在工頻交流下電弧的動(dòng)態(tài)特性及在工頻半周期里電弧故障線路電流與電壓的相位特性。

關(guān)鍵詞：故障電?。环蔡匦?；建模

中圖分類號(hào)：TM755 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2014）10-0031-04

在電力系統(tǒng)中，由故障電弧引起的事故越來越多。在自然環(huán)境中開斷電路，如果被開斷電路的電流（電壓）超過某一數(shù)值時(shí)（在0.25～1.00 A，12～20 V之間），則觸頭間隙中就會(huì)產(chǎn)生電弧，而電弧的溫度極高、亮度很強(qiáng)，危害很大，容易引起火災(zāi)、爆炸，造成設(shè)備損壞和人員傷亡事故。由于產(chǎn)生電弧所需的電壓電流，在某些情況下不一定超過額定電壓和額定電流，而傳統(tǒng)的電路器只有過載保護(hù)、短路保護(hù)，所以迫切需要對故障電弧進(jìn)行檢測。

電弧的形成需要經(jīng)過4個(gè)物理過程，即強(qiáng)電場放射、撞擊電離、熱電子發(fā)射和高溫游離。了解故障電弧的形成原理，才能夠有效、準(zhǔn)確地對其進(jìn)行檢測，從而實(shí)現(xiàn)后期針對故障電弧斷路器的開發(fā)。本文結(jié)合大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和電弧原理進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，總結(jié)出故障電弧的伏安特性，為今后故障電弧檢測技術(shù)的發(fā)展及故障電弧斷路器的研發(fā)提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 故障電弧靜態(tài)模型

2 故障電弧靜態(tài)伏安特性

由故障電弧伏安特性曲線可以得到，當(dāng)電路工作在2點(diǎn)時(shí)，電流為I2，如果瞬間電流大于I2，則Ua+iR>U0，Ldi/dt<0，此時(shí)線路電流要相應(yīng)地減小，一直到點(diǎn)2，使Ldi/dt=0，維持電弧穩(wěn)定；如果瞬間電流小于I2大于I1，則Ua+iR0，此時(shí)線路電流要相應(yīng)地增大，一直到點(diǎn)2，使Ldi/dt=0，維持電弧穩(wěn)定；在電路工作于點(diǎn)1，電流為I1時(shí)，如果瞬間電流小于I1，則Ua+iR>U0，Ldi/dt<0，此時(shí)線路電流要相應(yīng)地減小，一直到為零為止，使電弧熄滅。

結(jié)合上述分析可知：點(diǎn)1為不穩(wěn)定平衡點(diǎn)，當(dāng)電路工作于點(diǎn)1時(shí)，電弧可以隨時(shí)熄滅；點(diǎn)2為穩(wěn)定平衡點(diǎn)，當(dāng)電路工作于點(diǎn)2時(shí)，電弧可以持續(xù)穩(wěn)定燃熾。

2.1 電阻對電弧穩(wěn)定性的影響

當(dāng)其他條件不變時(shí)，隨著R的增加，直線B就以（0，U0）點(diǎn)為圓心按順時(shí)針方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，平衡點(diǎn)就由點(diǎn)2沿著曲線A向左的方向移動(dòng)，一直到點(diǎn)3，直線B與曲線A相切為止。如果電阻持續(xù)增大，交點(diǎn)消失，電弧熄滅。如圖2所示。

2.2 電源電壓對電弧穩(wěn)定性的影響

在其他條件不變時(shí)，隨著電源電壓U0的減小，直線B就沿著縱坐標(biāo)向下平移，平衡點(diǎn)由點(diǎn)2沿著曲線A向左的方向移動(dòng)，一直到點(diǎn)3，直線B與曲線A相切。如果電源電壓U0持續(xù)減小，交點(diǎn)消失，電弧熄滅。如圖3所示。

2.3 電弧伏安特性曲線對電弧穩(wěn)定性的影響

在電源電壓U0、電阻R恒定，電弧長度增加時(shí)，電弧伏安特性曲線A便向上的方向移動(dòng)，平衡點(diǎn)從點(diǎn)2沿著直線B向左的方向移動(dòng)，即電弧穩(wěn)定燃熾的電流將逐漸減小，一直到相切于點(diǎn)3。如果電弧伏安特性曲線A持續(xù)向上移動(dòng)，交點(diǎn)消失，電弧熄滅。如圖4所示。

3 故障電弧動(dòng)態(tài)伏安特性

當(dāng)電路處于工頻交流電壓時(shí)，電弧熱過程滯后于電過程，電弧與弧柱之間有熱慣性，使其之間處于不穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，則此時(shí)的伏安特性就為動(dòng)態(tài)特性。在工頻交流電壓下，電弧的動(dòng)態(tài)伏安特性曲線如圖5所示。

圖5中，第一象限表示隨著電壓U的變化，直線B與電弧靜特性曲線A的穩(wěn)定平衡點(diǎn)的相應(yīng)變化情況；第二象限表示電壓U的半個(gè)周期波形曲線圖；第四象限表示與穩(wěn)定平衡點(diǎn)所對應(yīng)的電弧電流曲線，Iz為燃弧電流，Is為熄弧電流，此時(shí)回路電流發(fā)生畸變。各類工頻交流電弧的伏安特性從電弧電阻和燃熾特性兩方面來看，都會(huì)有差異。交流電弧的伏安特性與電流數(shù)值、電極材料、電弧長度、電弧冷卻程變、氣體成分及電流頻率有很大關(guān)系。

5 結(jié)論

由上述對故障電弧動(dòng)態(tài)伏安特性、靜態(tài)伏安特性的分析，還有對故障電弧伏安相位特性的分析，可以得到，電弧的伏安特性與電弧電流值、電極材料、電弧長度、電弧冷卻程度、周圍氣體成分，以及電流頻率等因素有很大關(guān)系。當(dāng)發(fā)生故障電弧時(shí)，上述多個(gè)因素的劇烈變化會(huì)引起故障電弧伏安特性的劇烈變化，故障電弧伏安特性的劇烈變化會(huì)引起每個(gè)工頻半周期燃弧電壓和熄弧電壓的不同，而工頻半周期故障電弧的線路伏安相位特性由每個(gè)工頻半周期的燃弧電壓和熄弧電壓決定，所以發(fā)生故障電弧時(shí)連續(xù)工頻半周期的線路電壓與電流工頻成分相位差變化復(fù)雜，并且不滿足單調(diào)性，這對故障電弧的檢測提出了更高的要求。