低壓電器裝置電弧故障的研究

付維涌 柳松

（遵義市產品質量檢驗檢測院）

0 引言

隨著電力設備的快速發展和廣泛應用，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備中出現的電弧現象，可以導致電氣設備損壞、火災、甚至人員傷亡。對于電弧故障的研究具有重要意義。首先，了解電弧故障的發生機理可以幫助工程師設計出更安全可靠的電氣設備；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象，為電力系統的運行和維護提供重要參考；最后，針對電弧故障進行研究，可以促進電氣設備的安全技術和故障處理方法的進一步改進［1-3］。

在本工作中，使用了一種新的方法來評估220V交流電下電弧故障的嚴重性。該實驗用廣泛的PVC簾線類型進行，為了在低壓下獲得穩定的電弧而不發生高壓碳化，只切割了一根導線，并用機電系統控制產生的電弧間隙。傳感器用于捕捉電弧的信息，包括電弧電壓、電流、能量、電弧穩定性以及火焰發生。在本文中研究了電弧的發生、穩定性和結果，重點分析了負載電流對電弧的影響及評價方法。

1 程序設置

電能的利用伴隨著過載、短路、接地泄漏、電弧故障的風險，以及破壞基礎設施和間接影響安全的可能。保護裝置（如熔斷器、微量元素控制板和剛性輻射防護裝置）被廣泛應用，以改善電力裝置的安全性。保險絲和多氯聯苯可以防止過載和短路，從而減少火災的風險。剩余電流裝置可以檢測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。

本文切割長度為15cm的繩索，在露出單根電線的每一端剝去外部絕緣層2cm，每根電線的絕緣層剝離長度為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內部導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械連接距離為50mm，當致動器向下移動時，樣品在儀器上的定位必須能夠分離繩索的切割導體，并在致動器向上移動時使切割導體重新接觸［4-5］。電線端部的位置由100Hz的頻率控制，每步行程為0.0254mm，完整測試設置的示意圖如圖1所示。電流互感器用于轉換電流信號，電流信號由數字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP）轉換為數字信號。電弧電壓測量為切口兩端電位之間的差值，然后由DSP調節電弧電壓信號。基于電弧產生強大寬帶高頻噪聲的原理，可以通過將高頻噪聲與線路解耦，并用頻譜分析儀進行濾波來收集有關電弧的額外信息。選擇22MHz中心頻率和300kHz帶寬是為了避免測量中的干擾。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。信號處理器測量該電平，并認為當噪聲功率超過－75dBmW （300kHz）或1Hz時存在電弧。

圖1 電弧故障模擬和數據采集的測試裝置

2 實驗研究

2.1 在電纜下進行測試

單個樣本的測試數據，如圖2所示。

圖2 在5A、220V下電纜測試

第一個圖形表示測試時間內能量的波動，其中實線表示累積的總能量，虛線表示累積的電弧能量。總能量和電弧能量之間的差異主要是由發光引起的，該樣品的能量進展主要可以分為兩個階段： （1）碳化階段。從測試開始到大約16s時，電弧的穩定性非常低，當故障未碳化時，無法獲得穩定的電弧，只有當導體之間的距離足夠短時，觸點接通或斷開瞬間，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，不穩定的電弧不能點燃電纜，但會碳化聚氯乙烯絕緣層。 （2）點火階段。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，并檢測到火焰。在測試過程中，電弧電壓保持在15～30V，值很低，對于低壓電源下的電弧故障是合乎邏輯的，只有當導體或電極之間的距離非常小才能發生串聯電弧。實驗測試了數百個樣本，所有著火的樣品都有相同的特性，碳化階段總是先于點火階段，每個階段的持續時間和能量水平會根據測試參數不同而變化。

2.2 能量分析

如果排除在低負載電流下發光引起的波動或在高負載電流下電弧的劇烈性質，則可認為當550J的電弧能量在故障區域迅速消散時，故障聚氯乙烯電纜可能會被點燃，當然，該值僅對本實驗程序且短期內有效。在實際工程中，電弧可能會間隔很長的時間，碳化過程需要更多的時間，并且大部分電能會在環境中耗散。這種能量的一部分對于碳化故障區域十分必要，而一旦電弧穩定并引發電纜點火，其余的能量會迅速消散。碳化能和點火能的比例因電流范圍而異，對于圖2所示的例子（中頻5A、220V），點火階段在16s后開始，在25s時檢測到明顯的火焰，點火能量約為300J。以相同的方式分析每個測試結果，以確定點火能量，結果如圖3所示。

圖3 交流240V點火能量與電流的關系

在中頻電流（3～10A）中，平均點火能量恒定在450J，恒定的能量對于點燃固定的材料十分必要。當然，只有當點火階段足夠短，以避免通過傳導或對流的能量耗散，并且所產生的電弧足夠穩定時，才顯示正確結果。在高范圍電流（＞10A）下，由于強大電弧的爆炸性，平均點火率下降。在此范圍內，因為穩定電弧的發生率非常低，并且可以在沒有預碳化的情況下獲得短火焰，無法應用碳化和點火之間的區別，因此，圖3中未顯示電流超過10A的值。在低范圍電流（＜3A）下，平均點火能量也下降，分散度增加，因為在這些電流下，穩定的電弧消耗低功率，并且它可能持續更長的時間來產生火焰，點火能量可能達到高值，另一方面，當電弧穩定時，同時觀察到火焰。

圖4顯示了在2A、220V交流條件下的典型結果。總能量和電弧能量之間的差異較明顯。此結果表明，斷層區耗散的能量90%是由發光產生的，即使測試設備被認為有利于電弧放電，也無法避免電弧，因為當致動器向下移動以斷開連接時，發光絲并未立即斷開，而是延長一段時間才斷開。碳化階段基本在整個試驗過程中持續，點火階段非常短。電弧一旦穩定下來，火焰就被探測到。在1A和2A的極低電流下，發光現象可以被認為是點火的主要原因。只有在過熱引發導體的第一次氧化之后，才能開始發光，如許多通斷電弧動作。第一個氧化階段在本次的測試示例中可見，如圖4所示。在持續260s的發光階段之前的12s，電弧穩定性較高約15%。

圖4 在2A、220V下電纜測試

3 結束語

本文工作集中在多方面：在現實條件下模擬電弧故障，了解電弧的演變及其可能的結果，以及評估交流220V、50Hz下電流的影響。試驗裝置的主要目的是在沒有碳化作為預處理的情況下，在電纜試樣上產生串聯電弧。該系統包括彎曲帶有切割導體的電纜，控制兩個銅導體之間的間隙距離以產生電弧，測量電氣參數和檢測火焰。使用該裝置可以模擬真實的電弧故障場景。當釘子損壞電纜或延長線被壓碎時，可能會發生此類故障。最具指導意義的發現之一是電弧故障從產生缺陷的那一刻起，一直演變到電弧變成潛在危險，此演變很大程度上取決于負載電流。測試結果表明，電弧故障需要時間才能碳化并產生穩定的電弧，產生穩定電弧的能量可能因負載電流或測試程序而異。在建立了穩定的電弧之后，點燃聚氯乙烯電纜所需的能量平均為450J，實驗結果還表明只有100J的點火值。如果電弧故障持續足夠長的時間，電纜或附近任何易燃材料都會被點燃。在3～10A的范圍內，80%的測試樣本起火，大多數普通家用電器都在這個功率范圍內工作。實驗結果還可觀察到從串聯電弧到并聯故障（電弧或短路）的轉變，強烈的爆炸可能會將熾熱的熔融物投射到遠離斷層位置的地方，并點燃易燃材料。本文研究能夠對低壓電器裝置電弧故障的研究提供一定的參考和指導，促進電氣設備的安全運行和維護。