低压配电故障电弧的危害及防护

低压配电故障电弧的危害及防护

刘志鑫

国网晋中供电公司城区供电中心 山西省晋中市 030600

摘要：电弧的形成包括热电子发射、强电场发射、碰撞游离以及热游离四个因素，是一个连续的过程，通过建立电弧数学模型检测电弧、基于电弧物理现象的检测和基于电流电压波形的电弧检测这三种常用的低压配电故障电弧的检测方法对于预防和降低由于低压电弧故障而导致的电气火灾给人们的生命和财产安全带来的隐患起到了积极的作用。

关键词：低压配电 故障电弧 检测

随着科技的进步，各种新技术不断涌现，电气化产品应用得到了极大的普及，各种低压电器已经遍布到人们生产生活的各个领域， 但由此也带来了一定的安全隐患。由于电气线路老化或配置不当等原 因造成的电气安全事故有逐年上升的趋势，电弧故障是电气火灾的 主要诱因之一[1]。随着电力事业的不断发展，单机发电容量呈现不断上升的趋势，随之而来的单台供电变压器容量也随之跟着提高。虽然低压配电装置器件及配件技术不断更新、额定容量不断提高，新工艺、新器件不断更新，产品质量不断提高，但低压配电装置中以短路 形式出现的低压电弧故障仍然不能杜绝，由此造成的损失非常严重。 据美国消防管理局(USFA)统计，每年家居电路故障大约导致67 800场火灾，485人死亡，以及8 680亿美元的经济损失；国每年发生火灾， 13万至16万起，其中电气火灾，占全部火灾的40%左右。2010年1至 9月份全国共发生火灾89664起（不含森林、草原、矿井地下部分火灾），而因为电线短路、超负荷、电器设备故障等电气原因电气原因引发火灾达到26051起，电气火灾比重仍然高达30%，并有不断上升的趋势。低压电弧故障是导致电气火灾的重要原因之一[2]。

1.电弧产生的原因及分类

1.1电弧产生的原因

电弧是一种发光的穿过绝缘介质的放电、通常同时伴随着电极的部分挥发，是一种气体形式的放电。正常情况下，气体具有良好的电气绝缘性，但当气体间隙两端电场足够强大时，会引起电流通过气体，即产生放电现象。放电现象与气体的种类和压力、电极的几何形状和材质、两极间间距以及施加在间隙两端的 电压等因素密切相关[3]。 低压故障电弧的分类

1.2低压故障电弧的分类

低压故障电弧主要包括以下几类:⑴相线与中性线或相线之间 相互作用从而引发的电弧故障;⑵因电极之间的连接不紧密、导线断裂、导线与插座的连接点接触不良等原因而产生的连接性电弧故障;⑶相线和接地的金属管道结构、大地或设备外壳之间相互作用从而产生的故障电弧。现在民用低压配电系统中，电弧是很难产生并持续燃烧，可是当低压配电系统中有一个导电通道或电极之间存在不紧密接触的时候，如绝缘层破损、老化、家电或者设备电源线错误使用的时候，就会很容易产生故障电弧。产生这些足以引起电弧的导电通道可能需要几个月甚至几年的时间，所以故障电弧具有不易检测和不易判断的特点。现在的低压配电线路一般都装有短路保护和过载保护，接地短路故障因回路阻抗大，所以往往会形成电弧型放电，进而引起电弧放电电流小，普通的继电保护装置当发生电弧短路故障时不能动作或难以及时动作，无法及时切除电弧短路故障，从而形成事故，造成损失。

2.电弧的形成过程

电弧的形成包括热电子发射、强电场发射、碰撞游离以及热游离四个因素，是一个连续的过程。

2.1 强电场发射，

开关电器分闸的瞬间，由于动、静触头间的距离很小，触头之间形成非常大的电场，触头内电子在强电场的作用下被拉出来，形成强电场发射。

2.2 热电子发射

当断路器的动、静触头分离时，触头之间的接触压力及接触的面积逐渐缩小，接触电阻不断增大，致使接触部位剧烈放热，阴极表面温度急剧的升高，发射出电子，形成热电子发射。

2.3 碰撞游离

从阴极表面发射出的电子在电力场作用之下，高速向着阳极运动，运动过程中不断地与中性质点（分子或原子）发生碰撞，当高速运动的电子积聚了足够的动能时，就会打出一个或多个电子，从而使中性质点游离，即碰撞游离。

2.4 热游离，弧柱中气体分子在高温作用下剧烈热运动，带有很大动能的中性质点相互碰撞、游离，形成电子和正离子，即热游离。 以断路器断开过程为例，当出头分离时，突然解除解除压力导致阴极表面形成高温炽热点，产生热电子发射；同时，由于触头间隙很小，导致电压强度很高，进而产生强电场发射。从阴极表面逸出的电子在强电场的作用下，会加速向着阳极运动，从而发生碰撞游离，触头间隙中带点质点急剧增加，同时伴随着温度骤然升高，产生热游离，并且成为游离的主要因素，这时，在外电压作用下，间隙会被击穿，进而形成电弧。

3 低压故障电弧的检测方法

故障电弧也是电弧的一种，所以首先要进行电弧检测，然后进行判断，是否为故障电弧。目前电弧的检测方法大致分为建立电弧模型，检测相应参数测量电弧、根据电弧发生时产生的声、光、辐射、温度等物理参数变化来进行电弧检测以及根据电流、电压波形变化检测电弧三种检测方法。

3. 1 建立电弧数学模型检测电弧

当前，对于电弧领域的研究较多，对于电弧建立数学模型的研究也相当广泛。与低压故障电弧相关最密切的数学模型应为空气开关数学模型。对于检测设计安全型电路的研究主要是利用低能直流电弧的数学模型，通过对其进行研究，建立静态伏安特性模型、动态伏安特性模型和电流线性衰减模型[4]。 203.由于电弧数学模型使用受到条件的限制，同时，检测参数多等困难，当前利用电弧数学模型进行故障电弧检测进展得非常缓慢，仅停留在仿真阶段[5]。但是对于电弧数学模型的研究能够深入的了解电弧本质，对故障电弧的检测起到了基础性作用。

3. 2 基于电弧物理现象的检测方法

电弧产生的同时，必然会伴随着声、光、辐射、温度等物理参数变化的变化。尤其是配电柜中产生电弧时，由于配电柜中电流较大，这些现象就变的尤为突出，具体表现为高温、高压、噪声和强烈的电弧光。对于家庭等供配电系统由于电弧的物理现象相对较弱，所以要采用灵敏度更高的传感器进行检测，随着而来的问题就是高灵敏难度传感器易形成故障电弧误报，同时对于绝缘损坏、接地故障等引起的故障电弧很难预测其发生的具体位置。

3. 3 基于电流电压波形的电弧检测方法

不管是电流较大的配电柜还是电流较小的家庭供配电系统,无一例外，在发生故障电弧时，其电压和电流的都会产生明显的变化，因此可以通过观察电压和电流的波形变化来对故障电弧进行检测。由于电流、电压检测故障电弧具有易于实现、检测范围广、检测位置受限小等优点，是目前研究最多的一种检测方法。但由于电网中存在其它引起电流、电压变化的因素，因此，有效区分电流、电压变化的性质是目前研究的重点问题。低压配电故障电弧引起的灾害给人民的生命和财产带来了损失，为解决和防范由于故障电弧所引起的住宅建筑电气事故，需要对故障电弧检测及防护技术进行更加深入科学的研究为科学、安全配电用电做好基础。

参考文献：

[1]Storlichtbogenschutz in Nieuerspannungsbereich. ETZ,Helf1997, 23~24

[2]胡星福,高华云,毛江虹.触头表面粗糙度对接触电阻影响的 探讨[J].电工材料, 2004(1): 14-16.

[3]GB/Z 22204—2008过载继电器可靠性试验方法[S]. 2008.

[4]孟庆海, 牟龙华, 林伯泉. 低能电弧放电模型比较分析[J]. 中国矿业大学学报, 2002, 31 (2) : 2012

[5]康健. 接地故障电弧的精确数字仿真及其计算[J]继电器, 2002, 30 (5) : 16218