付維涌 柳松

（遵義市產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)院）

0 引言

隨著電力設(shè)備的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，低壓電器裝置的電弧故障也隨之增多。電弧故障是指電氣設(shè)備中出現(xiàn)的電弧現(xiàn)象，可以導(dǎo)致電氣設(shè)備損壞、火災(zāi)、甚至人員傷亡。對(duì)于電弧故障的研究具有重要意義。首先，了解電弧故障的發(fā)生機(jī)理可以幫助工程師設(shè)計(jì)出更安全可靠的電氣設(shè)備；其次，研究電弧故障的特性和行為可以幫助人們更好地理解電弧現(xiàn)象，為電力系統(tǒng)的運(yùn)行和維護(hù)提供重要參考；最后，針對(duì)電弧故障進(jìn)行研究，可以促進(jìn)電氣設(shè)備的安全技術(shù)和故障處理方法的進(jìn)一步改進(jìn)［1-3］。

在本工作中，使用了一種新的方法來評(píng)估220V交流電下電弧故障的嚴(yán)重性。該實(shí)驗(yàn)用廣泛的PVC簾線類型進(jìn)行，為了在低壓下獲得穩(wěn)定的電弧而不發(fā)生高壓碳化，只切割了一根導(dǎo)線，并用機(jī)電系統(tǒng)控制產(chǎn)生的電弧間隙。傳感器用于捕捉電弧的信息，包括電弧電壓、電流、能量、電弧穩(wěn)定性以及火焰發(fā)生。在本文中研究了電弧的發(fā)生、穩(wěn)定性和結(jié)果，重點(diǎn)分析了負(fù)載電流對(duì)電弧的影響及評(píng)價(jià)方法。

1 程序設(shè)置

電能的利用伴隨著過載、短路、接地泄漏、電弧故障的風(fēng)險(xiǎn)，以及破壞基礎(chǔ)設(shè)施和間接影響安全的可能。保護(hù)裝置（如熔斷器、微量元素控制板和剛性輻射防護(hù)裝置）被廣泛應(yīng)用，以改善電力裝置的安全性。保險(xiǎn)絲和多氯聯(lián)苯可以防止過載和短路，從而減少火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)。剩余電流裝置可以檢測(cè)由絕緣缺陷或誤接觸帶電部件而造成的電流泄漏，從而增加安全性。

本文切割長(zhǎng)度為15cm的繩索，在露出單根電線的每一端剝?nèi)ネ獠拷^緣層2cm，每根電線的絕緣層剝離長(zhǎng)度為1cm。在距離繩索樣品一端約5cm處，打開外部絕緣片，彎曲繩索，露出內(nèi)部單根電線。最近的電線被完全切斷，其他電線完好無損。繩子向后彎直，在扁平電線上，外部薄片和其中一個(gè)內(nèi)部導(dǎo)體可以通過一次切割直接完成。將繩索樣品放置并固定在支撐板上，試樣的放置必須確保切口位于頂部，切口本身距離板邊緣5mm，用放置在試樣下方的線性致動(dòng)器的臂擰緊試樣的無支撐端。板的邊緣與繩索和臂之間的機(jī)械連接距離為50mm，當(dāng)致動(dòng)器向下移動(dòng)時(shí)，樣品在儀器上的定位必須能夠分離繩索的切割導(dǎo)體，并在致動(dòng)器向上移動(dòng)時(shí)使切割導(dǎo)體重新接觸［4-5］。電線端部的位置由100Hz的頻率控制，每步行程為0.0254mm，完整測(cè)試設(shè)置的示意圖如圖1所示。電流互感器用于轉(zhuǎn)換電流信號(hào)，電流信號(hào)由數(shù)字信號(hào)處理器（Digital Signal Processor，DSP）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。電弧電壓測(cè)量為切口兩端電位之間的差值，然后由DSP調(diào)節(jié)電弧電壓信號(hào)?；陔娀‘a(chǎn)生強(qiáng)大寬帶高頻噪聲的原理，可以通過將高頻噪聲與線路解耦，并用頻譜分析儀進(jìn)行濾波來收集有關(guān)電弧的額外信息。選擇22MHz中心頻率和300kHz帶寬是為了避免測(cè)量中的干擾。頻譜分析儀的視頻輸出提供與高頻噪聲功率成比例的電壓，單位為dBmW。信號(hào)處理器測(cè)量該電平，并認(rèn)為當(dāng)噪聲功率超過－75dBmW （300kHz）或1Hz時(shí)存在電弧。

圖1 電弧故障模擬和數(shù)據(jù)采集的測(cè)試裝置

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 在電纜下進(jìn)行測(cè)試

單個(gè)樣本的測(cè)試數(shù)據(jù)，如圖2所示。

圖2 在5A、220V下電纜測(cè)試

第一個(gè)圖形表示測(cè)試時(shí)間內(nèi)能量的波動(dòng)，其中實(shí)線表示累積的總能量，虛線表示累積的電弧能量?？偰芰亢碗娀∧芰恐g的差異主要是由發(fā)光引起的，該樣品的能量進(jìn)展主要可以分為兩個(gè)階段： （1）碳化階段。從測(cè)試開始到大約16s時(shí)，電弧的穩(wěn)定性非常低，當(dāng)故障未碳化時(shí)，無法獲得穩(wěn)定的電弧，只有當(dāng)導(dǎo)體之間的距離足夠短時(shí)，觸點(diǎn)接通或斷開瞬間，才能獲得短電弧。由于電弧比低，所以平均功率低，并且累積的能量增加較慢。在此階段，不穩(wěn)定的電弧不能點(diǎn)燃電纜，但會(huì)碳化聚氯乙烯絕緣層。 （2）點(diǎn)火階段。16s后，故障處的絕緣被充分碳化，電弧比迅速增加到95%，電弧非常穩(wěn)定，積累的能量攀升得更快，幾秒鐘后，隔熱層無法再承受高溫，并檢測(cè)到火焰。在測(cè)試過程中，電弧電壓保持在15～30V，值很低，對(duì)于低壓電源下的電弧故障是合乎邏輯的，只有當(dāng)導(dǎo)體或電極之間的距離非常小才能發(fā)生串聯(lián)電弧。實(shí)驗(yàn)測(cè)試了數(shù)百個(gè)樣本，所有著火的樣品都有相同的特性，碳化階段總是先于點(diǎn)火階段，每個(gè)階段的持續(xù)時(shí)間和能量水平會(huì)根據(jù)測(cè)試參數(shù)不同而變化。

2.2 能量分析

如果排除在低負(fù)載電流下發(fā)光引起的波動(dòng)或在高負(fù)載電流下電弧的劇烈性質(zhì)，則可認(rèn)為當(dāng)550J的電弧能量在故障區(qū)域迅速消散時(shí)，故障聚氯乙烯電纜可能會(huì)被點(diǎn)燃，當(dāng)然，該值僅對(duì)本實(shí)驗(yàn)程序且短期內(nèi)有效。在實(shí)際工程中，電弧可能會(huì)間隔很長(zhǎng)的時(shí)間，碳化過程需要更多的時(shí)間，并且大部分電能會(huì)在環(huán)境中耗散。這種能量的一部分對(duì)于碳化故障區(qū)域十分必要，而一旦電弧穩(wěn)定并引發(fā)電纜點(diǎn)火，其余的能量會(huì)迅速消散。碳化能和點(diǎn)火能的比例因電流范圍而異，對(duì)于圖2所示的例子（中頻5A、220V），點(diǎn)火階段在16s后開始，在25s時(shí)檢測(cè)到明顯的火焰，點(diǎn)火能量約為300J。以相同的方式分析每個(gè)測(cè)試結(jié)果，以確定點(diǎn)火能量，結(jié)果如圖3所示。

圖3 交流240V點(diǎn)火能量與電流的關(guān)系

在中頻電流（3～10A）中，平均點(diǎn)火能量恒定在450J，恒定的能量對(duì)于點(diǎn)燃固定的材料十分必要。當(dāng)然，只有當(dāng)點(diǎn)火階段足夠短，以避免通過傳導(dǎo)或?qū)α鞯哪芰亢纳?，并且所產(chǎn)生的電弧足夠穩(wěn)定時(shí)，才顯示正確結(jié)果。在高范圍電流（＞10A）下，由于強(qiáng)大電弧的爆炸性，平均點(diǎn)火率下降。在此范圍內(nèi)，因?yàn)榉€(wěn)定電弧的發(fā)生率非常低，并且可以在沒有預(yù)碳化的情況下獲得短火焰，無法應(yīng)用碳化和點(diǎn)火之間的區(qū)別，因此，圖3中未顯示電流超過10A的值。在低范圍電流（＜3A）下，平均點(diǎn)火能量也下降，分散度增加，因?yàn)樵谶@些電流下，穩(wěn)定的電弧消耗低功率，并且它可能持續(xù)更長(zhǎng)的時(shí)間來產(chǎn)生火焰，點(diǎn)火能量可能達(dá)到高值，另一方面，當(dāng)電弧穩(wěn)定時(shí)，同時(shí)觀察到火焰。

圖4顯示了在2A、220V交流條件下的典型結(jié)果。總能量和電弧能量之間的差異較明顯。此結(jié)果表明，斷層區(qū)耗散的能量90%是由發(fā)光產(chǎn)生的，即使測(cè)試設(shè)備被認(rèn)為有利于電弧放電，也無法避免電弧，因?yàn)楫?dāng)致動(dòng)器向下移動(dòng)以斷開連接時(shí)，發(fā)光絲并未立即斷開，而是延長(zhǎng)一段時(shí)間才斷開。碳化階段基本在整個(gè)試驗(yàn)過程中持續(xù)，點(diǎn)火階段非常短。電弧一旦穩(wěn)定下來，火焰就被探測(cè)到。在1A和2A的極低電流下，發(fā)光現(xiàn)象可以被認(rèn)為是點(diǎn)火的主要原因。只有在過熱引發(fā)導(dǎo)體的第一次氧化之后，才能開始發(fā)光，如許多通斷電弧動(dòng)作。第一個(gè)氧化階段在本次的測(cè)試示例中可見，如圖4所示。在持續(xù)260s的發(fā)光階段之前的12s，電弧穩(wěn)定性較高約15%。

圖4 在2A、220V下電纜測(cè)試

3 結(jié)束語

本文工作集中在多方面：在現(xiàn)實(shí)條件下模擬電弧故障，了解電弧的演變及其可能的結(jié)果，以及評(píng)估交流220V、50Hz下電流的影響。試驗(yàn)裝置的主要目的是在沒有碳化作為預(yù)處理的情況下，在電纜試樣上產(chǎn)生串聯(lián)電弧。該系統(tǒng)包括彎曲帶有切割導(dǎo)體的電纜，控制兩個(gè)銅導(dǎo)體之間的間隙距離以產(chǎn)生電弧，測(cè)量電氣參數(shù)和檢測(cè)火焰。使用該裝置可以模擬真實(shí)的電弧故障場(chǎng)景。當(dāng)釘子損壞電纜或延長(zhǎng)線被壓碎時(shí)，可能會(huì)發(fā)生此類故障。最具指導(dǎo)意義的發(fā)現(xiàn)之一是電弧故障從產(chǎn)生缺陷的那一刻起，一直演變到電弧變成潛在危險(xiǎn)，此演變很大程度上取決于負(fù)載電流。測(cè)試結(jié)果表明，電弧故障需要時(shí)間才能碳化并產(chǎn)生穩(wěn)定的電弧，產(chǎn)生穩(wěn)定電弧的能量可能因負(fù)載電流或測(cè)試程序而異。在建立了穩(wěn)定的電弧之后，點(diǎn)燃聚氯乙烯電纜所需的能量平均為450J，實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明只有100J的點(diǎn)火值。如果電弧故障持續(xù)足夠長(zhǎng)的時(shí)間，電纜或附近任何易燃材料都會(huì)被點(diǎn)燃。在3～10A的范圍內(nèi)，80%的測(cè)試樣本起火，大多數(shù)普通家用電器都在這個(gè)功率范圍內(nèi)工作。實(shí)驗(yàn)結(jié)果還可觀察到從串聯(lián)電弧到并聯(lián)故障（電弧或短路）的轉(zhuǎn)變，強(qiáng)烈的爆炸可能會(huì)將熾熱的熔融物投射到遠(yuǎn)離斷層位置的地方，并點(diǎn)燃易燃材料。本文研究能夠?qū)Φ蛪弘娖餮b置電弧故障的研究提供一定的參考和指導(dǎo)，促進(jìn)電氣設(shè)備的安全運(yùn)行和維護(hù)。