直流系統(tǒng)中直流電弧的研究與實(shí)踐

王新想 嚴(yán)建海 王靜 熊天龍 李浩

摘 要：直流配電過程中直流負(fù)荷或相關(guān)電氣開關(guān)開斷時(shí)可能存在燃弧問題。本文旨在探索直流電弧相關(guān)知識(shí)，研究直流電弧的產(chǎn)生原因和特性，探討不同負(fù)載特性條件下直流電弧的起弧情況，并給出實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果，為后續(xù)應(yīng)對(duì)低壓直流配電系統(tǒng)中的電弧問題提供參考。

關(guān)鍵詞：直流系統(tǒng);電氣開關(guān)開斷;直流電弧

中圖分類號(hào)：TM135文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）19-0132-03

Abstract： There may be arc-pulling problems when DC load or related electrical switches are interrupted in DC distribution process. The purpose of this paper was to explore relevant knowledge of DC arc， to study the causes and characteristics of DC arc， to explore the arc-starting situation of DC arc under different load characteristics， and to give the actual experimental results for subsequent response. The arc problem in low voltage DC distribution system can be referred to this article.

Keywords： DC system;electrical switch off;DC arc

隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展及直流負(fù)載的大量涌現(xiàn)，直流系統(tǒng)在分布式能源、新能源汽車、數(shù)據(jù)機(jī)房、船舶、電網(wǎng)儲(chǔ)能、智能樓宇等系統(tǒng)中得到了大量應(yīng)用。在直流系統(tǒng)中，如果發(fā)生設(shè)備老化、導(dǎo)線絕緣下降、接線端子或金屬接頭松動(dòng)以及線路發(fā)生開路或接地等現(xiàn)象，極易伴隨直流電弧的產(chǎn)生。一方面電弧的能量集中，溫度很高，容易使故障范圍快速擴(kuò)大，損壞導(dǎo)線絕緣，點(diǎn)燃附近的可燃物，造成火災(zāi)甚至發(fā)生爆炸，威脅供電電源和控制電路的安全運(yùn)行;另一方面，由于直流電弧的隨機(jī)性和不穩(wěn)定性，導(dǎo)致其不易熄滅且難以檢測(cè)，威脅各種電力電子系統(tǒng)的安全運(yùn)行，容易引發(fā)火災(zāi)、爆炸等安全事故。因此，研究直流電弧的電氣特性對(duì)直流供配電系統(tǒng)安全操作意義重大。

1 電弧現(xiàn)象概述

1.1 電弧現(xiàn)象的特點(diǎn)

在有金屬觸點(diǎn)的電器中，觸頭接通和分?jǐn)嚯娏鞯倪^程中如果伴隨氣體放電的現(xiàn)象，就稱為電弧[1]。電弧現(xiàn)象具有如下特點(diǎn)[2]：①電弧是氣體中的一股強(qiáng)烈電子流，屬于氣體放電的一種形式，在外力作用下很容易彎曲變形;②電弧是由陰極區(qū)、陽極區(qū)、弧柱區(qū)三部分組成，電弧的外觀像一團(tuán)亮度極高、溫度極高的火花;③電子的源泉是陰極，接受電子的是陽極;④產(chǎn)生的極限條件：電路中的電流和電壓必須大于某一最小生弧電流（[ISH]）和最小生弧電壓（[USH]），在大氣中開斷電路時(shí)，電壓大于10～20 V，電流大于250 mA的電路時(shí)，就會(huì)發(fā)生電弧。

1.2 電弧的結(jié)構(gòu)

電弧結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1.3 電弧的產(chǎn)生

在工程實(shí)踐中，電弧的產(chǎn)生途徑一般包括電路進(jìn)行開斷時(shí)產(chǎn)生的操作電弧，或者因?yàn)榻^緣下降導(dǎo)致的真空和氣體間隙的擊穿，整個(gè)電弧從產(chǎn)生到出現(xiàn)會(huì)經(jīng)歷暗放電、輝光放電、火花放電直至電弧放電的過程。

1.4 電弧的危害

電弧使開關(guān)設(shè)備開斷故障電路的時(shí)間變長(zhǎng)，增加了線路中短路故障的風(fēng)險(xiǎn);電弧在外力作用下的不穩(wěn)定性極易導(dǎo)致飛弧短路和人員受傷，或引起其他線路事故;電弧產(chǎn)生的高溫還可能導(dǎo)致觸頭和絕緣融化，引起著火、爆炸等事故[3]。

2 直流電弧燃弧實(shí)踐

2.1 燃弧實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建

為了驗(yàn)證實(shí)際的電弧特性，本文通過下面一系列的組合實(shí)驗(yàn)，對(duì)直流電路中的燃弧現(xiàn)象進(jìn)行觀察和研究。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由DC220 V直流電源、刀閘K1及負(fù)載支路組成，如圖2所示。其中，負(fù)載支路是由不同性質(zhì)的元器件組合而成的，本實(shí)驗(yàn)中共分為7組，各支路中電阻、電感、電容參數(shù)分別為[R]=25 Ω，[L]=200 μH，[C]=940 μF。

2.2 燃弧實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)步驟

燃弧實(shí)驗(yàn)主要模擬工程實(shí)踐中的開關(guān)開斷導(dǎo)致的操作電弧產(chǎn)生過程，具體實(shí)驗(yàn)步驟為：①按圖1搭建實(shí)驗(yàn)電路;②接通電源待電路穩(wěn)定工作，斷開開關(guān)，觀察現(xiàn)象;③閉合開關(guān)，觀察現(xiàn)象;④切換不同負(fù)載支路，重復(fù)上述步驟①至③，并記錄現(xiàn)象。

2.3 燃弧實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析

7組不同支路的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及原理分析按順序總結(jié)如下。

①容性負(fù)載燃弧實(shí)驗(yàn)初步分析。開關(guān)K1斷開瞬間，開關(guān)兩端沒有壓差，[ΔU]為0，沒有電流流過，沒有觀察到火花現(xiàn)象;合閘的瞬間，開關(guān)兩端有壓差，電容快速充電，[ΔU]接近220 V，有輕微的火花現(xiàn)象。

②阻性負(fù)載燃弧實(shí)驗(yàn)初步分析。開關(guān)K1斷開瞬間，開關(guān)兩端有壓差，[ΔU]接近于220 V，由于負(fù)載為純阻性，有明顯的燃弧現(xiàn)象;同樣，在K1合閘的瞬間，開關(guān)兩端有壓差，[ΔU]接近于220 V，同樣會(huì)有電流流過，也會(huì)有火花現(xiàn)象。

③容性、阻性負(fù)載燃弧實(shí)驗(yàn)初步分析。K1在分閘的瞬間，電容將K1兩端的壓差變小，不容易起弧，即使起弧，前端的電源通過K1，通過電弧給電阻電容同時(shí)供電，電容處于充電狀態(tài)，電流大于[IR]，這個(gè)大電流會(huì)讓電弧的動(dòng)態(tài)特性偏離靜態(tài)特性，更容易滅弧。K1合閘的過程中，合閘的電流等于電容的充電電流加上電阻的電流[I=IC+IR]，所以會(huì)有明顯的火花。

④感性、阻性負(fù)載燃弧實(shí)驗(yàn)初步分析。開關(guān)K1斷開的瞬間，流過開關(guān)K1的電流緩慢變小，開關(guān)K1斷開的瞬間，電感上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓，與電源電壓為串聯(lián)關(guān)系，意味著K1的電壓差變大，更容易起弧。在開關(guān)K1閉合的瞬間，電感減小流過K1的電流，只看到輕微的火花。

⑤感性、容性負(fù)載燃弧實(shí)驗(yàn)初步分析。K1開關(guān)開斷、閉合的瞬間，因?yàn)闆]有電流，均未觀察到電弧現(xiàn)象。

⑥感性、阻性、容性組合負(fù)載初步分析。直流電路中，感性、容性、阻性的結(jié)合最符合直流負(fù)載的實(shí)際應(yīng)用情況。K1在開斷和閉合的瞬間，有輕微的火花，K1分閘時(shí)有微小火花，電容起到了抑制作用，K1合閘時(shí)有微小火花，電感起到抑制作用。

⑦開關(guān)電源類負(fù)載初步分析。K1在開斷和閉合的瞬間，有輕微的火花;K1分合閘時(shí)產(chǎn)生輕微火花，等效于上述第六個(gè)感性、容性、阻性組合負(fù)載的實(shí)驗(yàn)組合。

無電弧、微小火花及劇烈燃弧的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分別如圖3至圖5所示。

2.4 實(shí)驗(yàn)小結(jié)

通過上述7個(gè)分組實(shí)驗(yàn)，對(duì)觀察到的現(xiàn)象和表現(xiàn)程度進(jìn)行比較，相關(guān)數(shù)據(jù)見表1。

結(jié)合實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和表1，通過電弧現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)，可得出以下幾點(diǎn)結(jié)論。

①不同的負(fù)載條件會(huì)影響電弧現(xiàn)象的發(fā)生。電感在電路中會(huì)加大開關(guān)開斷時(shí)的電弧，抑制開關(guān)閉合時(shí)的電弧;電容在電路中會(huì)減小開關(guān)斷開時(shí)的電弧，加大開關(guān)閉合時(shí)的電弧。

②開關(guān)電源電路是一個(gè)非常完美的電感、電容、電阻組合，自帶滅弧特性。

③在上述實(shí)驗(yàn)過程中，研究者甚至觀察到飛弧短路的現(xiàn)象。因此，應(yīng)研制相關(guān)保護(hù)或滅弧裝置，在電弧產(chǎn)生時(shí)迅速滅弧。

④電路燃弧時(shí)金屬接頭有明顯的灼燒痕跡，如何更有效地模擬電弧對(duì)電極的灼燒過程和電弧的能量釋放，還需要進(jìn)行大量的研究。

3 結(jié)語

本文在參閱相關(guān)文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，通過對(duì)直流電弧理論進(jìn)行探討和不同負(fù)載下燃弧實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐，分析不同負(fù)載條件對(duì)電弧產(chǎn)生的影響。隨著直流配電系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展，電弧的開斷和故障電弧的檢測(cè)也將會(huì)是直流配電領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)方向之一。在工程實(shí)踐中進(jìn)行直流電弧的監(jiān)測(cè)和保護(hù)，減少電弧現(xiàn)象的產(chǎn)生，減少對(duì)設(shè)備的傷害，針對(duì)不同負(fù)載特性，采取合理的滅弧措施，會(huì)給直流系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行帶來更多的保障。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉源，汲勝昌，祝令瑜，等.直流電源系統(tǒng)中直流電弧特性及其檢測(cè)方法研究[J].高壓電器，2015（2）：24-29.

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[3]翟國(guó)富，薄凱，李慶楠，等.直流電弧運(yùn)動(dòng)過程中重?fù)舸┈F(xiàn)象及機(jī)理研究[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2016（11）：105-113.