0 引言

高压开关柜作为重要的控制和保护设备,广泛应用于配电系统^[1-2]。实际运行过程中,由于绝缘老化、污秽、异物以及过电压等因素的影响,开关柜内部短路燃弧故障时有发生,对设备、建筑物以及工作人员的安全造成了巨大威胁^[3-4]。为降低开关柜内部短路燃弧故障的危害,GB 3906—2006和IEC 62271-200均将内部电弧级开关设备和控制设备(internal arc classified switchgear and controlgear,IAC)的内部电弧试验列为强制性的型式试验^[5-6]。当隔室内部发生短路燃弧故障时,电弧的能量释放过程与气体爆炸现象类似^[7],将使隔室内部的压力骤增,轻则造成柜门、隔板等部件变形损坏,重则导致柜体爆裂引发严重事故。因此,研究高压开关柜内部短路燃弧产生的压力效应具有重要意义。

开展实际开关柜内部故障电弧试验周期长、耗费大,国内外学者主要采用简单封闭容器来模拟开关柜内部短路燃弧试验^[3]。Iwata等^[8-9]开展了封闭容器内部不同电极材料(铜、铁和铝)棒-棒间隙短路燃弧试验,获得了热转换系数k_p(描述使隔室内部压力上升的能量占电弧总能量的比例)的变化规律,随着电流的增大,铜电极的k_p略有下降,而铁和铝电极略有上升;Zhang等^[10-11]研究了封闭容器内部棒-棒间隙短路燃弧时压力升和k_p的影响因素,结果表明：弧压随初始压力的增加而增大,k_p与气体密度、介质类型、电极材料等有关;Fjeld E等^[12-13]建立了不同尺寸的正方体简易模型,开展了不同电极材料(铜和铝)棒-棒间隙短路燃弧试验,发现当容器中单位空气体积的电弧能量保持不变时,不同尺寸容器获得的压力升差异较小;文献[14-15]针对圆柱体试验模型,开展了不同间距和电流大小的棒-棒间隙燃弧试验,提出了基于磁流体动力学的压力升、k_p和弧压的计算方法;文献[16]通过封闭容器内部棒-棒间隙燃弧试验,分析了不同电流和间距下电弧的燃烧特性和压力升的变化规律。目前,对封闭容器内部短路燃弧压力升的试验研究以棒电极为主,而实际开关柜内部发生短路燃弧故障的部位较多、电极类型差异较大,不同电极类型对封闭容器内部短路燃弧特性及压力升的影响未见相关报道。

本文基于L-C振荡回路,开展封闭容器内部棒-棒和板-板间隙短路燃弧试验,对比了不同电流幅值和电极类型下燃弧特性和压力升变化的差异,可为后续实际开关柜内部短路燃弧的研究奠定基础。

1 封闭容器内部短路燃弧试验

1.1 试验容器和电极

试验采用的封闭圆柱体容器如图1所示,壳体材料为铁,截面直径和长度分别约为0.7 m和0.8 m。参考开关柜内部故障电弧频发部位(电缆室、母线室和断路器室等)的结构,选取棒-棒和板-板2种典型电极开展试验,具体如图2所示。棒电极为文献中广泛使用的平头圆柱形电极,其具有结构简单、布置方便的特点,直径约为20 mm;板电极参考实际母排结构制作,其尺寸为200 mm×80 mm× 8 mm。试验电极均采用铜电极进行模拟。

1.2 试验回路

封闭容器内部短路燃弧试验回路的具体布置如图3所示^[16]。图中,L和C分别为电流源的电感和电容,对应数值分别为4.2 mF和2.412 mH,通过L-C振荡产生工频衰减大电流模拟单相短路。CB

图1 封闭容器 Fig. 1 Closed container

图2 试验电极 Fig. 2 Test electrodes

图3 试验回路 Fig. 3 Test circuit

为合闸断路器;配合Int积分器的Rog罗氏线圈和高压探头分别用于测量燃弧过程的回路电流和弧压大小。右侧充电回路包括：充电变压器T、高压硅堆D、充电电阻R₀和开关K。

封闭容器接在图中AB两端,燃弧点位于容器的中间位置,燃弧间距d为10 cm。试验过程中,为防止气体泄漏影响压力升的测量结果,采用

密封胶对容器进行密封处理。容器内部气体为空气,初始压强为环境压强。

用直径为0.5 mm的焊锡丝短接间隙引燃电弧,由于焊锡丝的熔点仅183℃左右,将其熔化消耗的能量较小,因此,可忽略焊锡丝对燃弧特性的影响。利用Omega PX409-100G压力传感器对容器内部的压力升进行测量,压力传感器固定于容器的内壁面,距离电弧中心约0.35 m(图1封闭容器dp1所示位置);试验过程中,压力升、电流以及弧压信号均通过NI数据采集卡和LabVIEW软件系统进行采集,采样频率为5000 Hz。

1.3 试验方法与步骤

1）按图3所示搭建试验回路,调节电极间距为10 cm,用焊锡丝短接两侧电极,使其尽量位于电极截面的中间位置,并对容器密封处理。

2）将高压探头、Rog线圈、压力传感器等接入回路,其信号输出端均通过采集卡与PC相连;确定试验电容器组的充电电压,充电完成后,闭合CB投入短路电流。

3）试验结束后,打磨电极表面,减小电极表面烧蚀对试验结果的影响,重复上述过程,进行下一组试验。

2 短路燃弧特性对比

2.1 伏安特性对比

棒-棒、板-板间隙燃弧过程的电流、弧压波形分别如图4和图5所示,由图可知,棒-棒和板-板间隙电弧电流和弧压曲线的变化规律基本一致。随着电容器组的能量不断释放,电弧电流均呈衰减振荡,燃弧时间约为40~70 ms。电弧电流和燃弧时间均随充电电压的增加而逐渐增大。每个燃弧半波内,弧压基本维持稳定,但其幅值具有一定的分散性。电流过零时,由于弧隙的冷却,弧阻大幅度上升,导致间隙两端电压出现脉冲尖峰。当电容器组充电电压较小时,弧压曲线较为平滑,波动较小;而随着充电电压的升高,弧压曲线的波动程度加剧,如图4(d)和图5(c)中所示,2种电极下弧压曲线的脉冲尖峰明显增多。

电弧电流和弧压的关系还可以用伏安特性曲线来描述。图6为充电电压为3 kV左右时,棒-棒、板-板间隙燃弧时的伏安特性曲线。

当电弧电流较小时,压力升的幅值也较小,封闭容器中2种间隙电弧的伏安特性曲线与开放环境中的交流电弧类似;由于电弧的热惯性,电弧温度的变化会滞后于电流的变化,使得每个燃弧半波内,前1/2波的弧压略高于后1/2波。由图可知,受电弧电流过零时暂态过电压的影响,弧压在起弧瞬间出现了较大尖峰;通流初期,焊锡丝受热熔化,间隙电导率增大,使得弧压快速降低,伏安特性曲线上出现了极小值(图6(a)和6(d)所示波谷位置);待焊锡丝熔断后,间隙出现电弧,但燃弧初期电弧的温度较低,弧阻较大(大于焊锡丝的电阻),导致弧压有所增加;随着燃弧的进行,电弧温度逐渐升高并维持稳定,弧压逐渐减小。但与开放环境中的燃弧不同,在大电流情况下,位于电流前1/4波的弧压峰值并不总是大于后1/4波(图5(d)所示)。这主要由于电弧电流较大时,电弧能量较大,容器内部压力升、气流等因素对弧压的影响增大,使得弧压的变化较为复杂。如图6(c)、6(f)最后一个燃弧半波中(40~50 ms),棒-棒、板-板间隙弧压的前半波与后半波的幅值均无明确大小关系。

图4 棒-棒间隙电弧电流与电压波形 Fig. 4 Arc current and voltage waveforms of the rod-rod gap

图5 板-板间隙电弧电流与电压波形 Fig. 5 Arc current and voltage waveforms of the plane-plane gap

由上述分析可知,板-板间隙的弧压、电流波形和伏安特性曲线整体变化规律与棒-棒间隙类似,但区别在于板-板间隙的弧压波动程度明显大于棒-棒间隙,这与2种电极的燃弧区域面积有较大不同有关,多次燃弧后,棒电极和板电极表面的烧蚀情况如图7所示,棒电极表面的烧蚀程度远大于板电极。分析认为：棒电极的截面积较小,电弧运动区域较小,烧蚀点更为集中;而板电极的截面积较大,电弧的运动区域较大,烧蚀点较为分散,导致烧蚀程度较小。由板电极表面烧蚀的黑色斑点分布区域较

图6 电弧伏安特性曲线 Fig. 6 Curves of the arc volt-ampere characteristic

图7 电极烧蚀痕迹 Fig. 7 Erosion trace of the electrodes

广可知：板-板间隙电弧的运动区域远大于棒-棒间隙,使得电弧的运动特性更为复杂,弧压曲线的波动程度也更大。因此,实际开关柜内部发生短路燃弧故障时,由于电极的结构较为复杂,电弧的烧蚀点并非固定,需考虑电弧的运动特性。

2.2 弧压的变化规律

2.2.1 弧压的对比

为便于比较棒-棒、板-板间隙的弧压大小,定义各燃弧半波弧压的有效值u_arc^[16]如下：

\(Q=\int_{{{t}_{1}}}^{{{t}_{2}}}{u(t)\cdot i}(t)\text{d}t=\sum\limits_{k=1}^{n}{u(k)}\cdot i(k)/f\) (1)

\({{u}_{\text{arc}}}=Q\cdot f/\sum\limits_{k=1}^{n}{i\left( k \right)}\) (2)

式中：Q为电弧能量,kJ;t₁和t₂为过零时刻;u(k)和i(k)分别为第k个采集点的电弧电压(V)和电弧电流(kA);n为单个燃弧半波的采集点数;f为采样频率,Hz。

由于弧压受多种因素的影响,为描述弧压随电弧电流的变化规律,取试验中第1个电流半波的弧压有效值和电流峰值进行分析。2种电极下弧压有效值与电弧电流的关系如图8所示。

图8 弧压和电弧电流的关系 Fig. 8 Relationship between arc voltage and current

由图8可知,弧压有效值随电弧电流的变化较为复杂,并无明显变化规律。当电流峰值为2.5~4 kA时,棒-棒和板-板间隙弧压有效值的变化范围分别为188~204 V、160~196 V。相同电流峰值下,棒-棒间隙的弧压有效值分散性较小,随电流峰值的增大整体近似线性增大;而板-板间隙的弧压分散性较大,且弧压有效值明显小于棒-棒间隙,整体随电流峰值的增大略有增加。棒-棒和板-板间隙对应的电弧电位梯度的范围分别为18.8~23.8 V/cm和15.9~19.6 V/cm,该数值略大于开放环境中的燃弧^[17]。对于实际开关柜内部短路燃弧时弧压的取值建议根据实际试验进行确定,且电极类型的影响不可忽略。

2.2.2 弧压的影响因素

Lowke等^[18]对空气中的燃弧特性开展了相关研究,提出了开放性环境的弧压计算模型,其考虑了电磁力和自然对流的影响,忽略了电弧内部的湍流和流体粘性等因素,同时忽略了金属蒸汽对弧压的影响,得到大电流弧压表达式：

\({{u}_{\text{arc}}}=0.52{{(\frac{hl}{\sigma })}^{\text{0}\text{.5}}}{{(\mu {{j}_{0}}\rho )}^{\text{0}\text{.25}}}{{i}^{\text{0}\text{.25}}}\) (3)

式中：i为电弧电流,A;σ为电弧电导率,S/m;μ为磁导率,H/cm;j₀为阴极斑点电流密度,A/cm²;l为电弧轴向长度(弧长),cm;ρ为电弧密度,g/cm³;h为电弧的焓,J/g。

由式(3)可知,弧压与电弧的物理参数、电弧电流、弧长等因素密切相关,而在封闭容器中,这些参数均受内部压强的影响;文献[18]指出,压强对弧压的影响主要体现在电弧密度ρ上,若不考虑阴极斑点电流密度随压强的变化关系,参考式(3),当压强p∝ρ,则u_arc∝p^0.25。Zhang等^[10]对封闭容器内部不同初始压强下的弧压进行了测量,结果表明：弧压与初始压强(空气密度)成正比。电弧密度与压强和温度均有关,但对大电流电弧而言,电弧的温度一般稳定在30 000 K左右,此时电弧温度的升高对电弧密度的影响较小,而压强的影响较大。因此,对实际开关柜内部短路燃弧(短路电流较大)而言,电弧密度受压强的影响较大。

试验过程中,随着充电电压的升高,电弧释放的能量增加,使得容器内部的压强增大,压强的增大还会使电弧等离子体的电导率增大^[19],但压强对电弧密度的影响远大于电导率^[20]。因此,燃弧后期,随着封闭容器内部压强的增大,对电弧燃烧特性产生的影响较大,导致弧压不如燃弧前期稳定。此外,电弧等离子体的参数也受气流、电磁力、间隙类型等因素的影响。随着短路电流的增大,在相同间距下,由于板-板间隙的表面积(燃弧区域)远大于棒-棒间隙,电弧在电磁力的作用下运动特性(如弧长、位置等)改变较大,而电弧的运动特性会直接影响弧压的数值。因而板-板间隙电弧在磁场、气流等因素的影响下运动的随机性较大,弧压数值的波动更为剧烈,分散性远大于棒-棒间隙。同时,板电极的存在会对电弧的伸长有一定的阻碍作用^[21],使得板-板间隙燃弧时弧长l较短,而弧压与l^0.5成正比(式(3)所示),所以板-板间隙的弧压有效值整体小于棒-棒间隙。

3 封闭容器内部短路燃弧压力升对比

由于不同充电电压下获得的压力升(相对压强)波形类似,仅数值有所差异,因此,图9分别给出了棒-棒间隙和板-板间隙在2组充电电压下获得的压力升曲线。其中,图9(a)、(b)和(c)、(d)分别为3 kV和3.4 kV的试验结果。

由图9可知,压力升波形的波动程度较大,并非为平滑的曲线,且无固定的振荡频率,经频谱分析发现该振荡的主要原因为：电弧能量释放过程中,会对空气的吸热膨胀过程造成较大扰动,同时压力波的反射、叠加等效应也会造成压力升数值的波动,从而导致各位置的压力升曲线波动较为剧烈。但压力升整体随燃弧时间的增加近似线性增大,且燃弧结束后,由于弧后电流和弧隙残余等离子体的影响,铜电极的熔化、放热化学反应等过程

图9 压力升对比 Fig. 9 Comparison of pressure rise

仍会引起容器内部的压力升出现小幅度增大^[22]。

进一步观察图9发现,板-板间隙燃弧时获得的压力升曲线波动程度要高于棒-棒间隙,如图9(b)中,压力升的波动幅度达到数kPa,说明板-板间隙燃弧时,电弧的运动特性极不稳定,导致电弧能量的释放过程较为复杂,与前文的分析结论一致。

为便于比较不同电极类型下容器内部压力升数值的差异,采用小波软阈值方法^[23]对压力升波形进行平滑处理后,取燃弧开始与结束后的平均值之差作为压强的相对增大值,即压力升^[20]。对比2种电极的试验结果,发现：当电容器组的充电电压相等,燃弧全过程的电弧能量相近时,板-板间隙燃弧引起的压力升数值要大于棒-棒间隙。如电容器组的充电电压约为3 kV时,棒-棒和板-板间隙整个燃弧过程释放的电弧能量分别约为9.248 kJ和8.942 kJ,两者较为接近,仅相差3.3%左右;而容器内部的压力升分别约为4.381 kPa和5.124 kPa,两者相差达到14.5%左右,且随着电弧能量的增大,差异有增大趋势,说明：板-板间隙燃弧时,电弧释放的能量转换为压力升的能量比例更大,即k_p因子更大。该原因可由封闭容器内部电弧能量的平衡机制来说明,如图10所示^[3]。

当容器内部发生短路燃弧故障时,电弧释放的能量Q_arc一方面会传递给周围空气,使空气受热膨胀、压力上升(Q_therm),还包括以下传递方式：弧根与电极间的热传导Q_e、电极受热熔化形成金属蒸气携带能量Q_mv、金属蒸气与周围空气发生放热或吸热反应释放或吸收能量Q_chem、同时还以电磁波的形式辐射至容器壁使金属壁面温度升高Q_rad^[3]。由于

图10 封闭容器内部电弧能量平衡机制 Fig. 10 Balance mechanism of arc energy in a closed container

燃弧时间较短,金属电极及容器壁与周围空气进行热交换的能量较少,因此,对容器内部压力升影响较大的能量主要有：Q_therm、Q_mv和Q_chem。板-板间隙燃弧时,由于电弧的运动区域较大,燃弧点并不固定,导致板电极吸热熔化所消耗的能量小于棒电极,即Q_e较小,因此板-板间隙燃弧时周围空气吸收的能量Q_therm增加,k_p增大。

由于本文采用的容器尺寸较小,而压力波的传播速度(当地声速)较快,使得容器内部的压力升在2 ms左右便会均匀分布,因此,k_p可采用式(4)进行计算^[15]。式中,R为摩尔气体常数,8.314 J/(mol·K);V为容器的容积,约为0.311 m³;M为空气的摩尔质量,28.96 g/mol;c_v为比热容,0.717 J/(g·K);Q_arc为电弧能量,kJ;dp为试验测量的压力升,Pa。

${{k}_{\text{p}}}=\text{d}p\cdot V\cdot M\cdot {{c}_{v}}/(R\cdot {{Q}_{\text{arc}}})$ (4)

根据式(4)计算得到：充电电压为3 kV时,板-板和棒-棒间隙燃弧对应的k_p分别约为0.37和0.44,可见板-板间隙短路燃弧时的k_p值要大于棒-棒间隙,即相同电弧能量下,板-板间隙燃弧获得的压力升数值要大于棒-棒间隙。

4 结论

本文利用L-C振荡回路开展了封闭容器内部棒-棒、板-板间隙短路燃弧试验,分析了不同电极类型对燃弧特性和压力升的影响,得到了如下结论：

1）板-板间隙燃弧时,电弧在磁场、气流等因素的影响下运动特性更为复杂,使得板-板间隙的弧压波动较为剧烈,弧压的分散性也大于棒-棒间隙。

2）2种电极类型下,弧压有效值随电流的变化规律较为复杂,整体随电流峰值的增加而增大,棒-棒和板-板间隙燃弧对应的电弧电位梯度平均值分别约为21 V/cm和18 V/cm,相同电弧电流下,棒-棒间隙的弧压有效值要高于板-板间隙。

3）在间隙距离和电弧能量相同的情况下,板-板间隙燃弧时,引起压力上升的能量占电弧总能量的比例k_p更大,其压力升的数值要大于棒-棒间隙;当间隙距离改变、电弧能量进一步增大时,两者之间的关系还有待开展进一步研究。

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