电弧

12.1.1电弧现象通常情况下，干燥的天气是良好的绝缘介质，但是当空气介质中两触头间电场足够强大时，空气介质就会被电场电离，使得电流通过空气介质，这种气体中通过电流的现象称为气体放电，电弧放电就是气体放电的一种，一般气体放电的物理过程包括激发、电离、消电离、迁移、扩散等。以一个直流电路为例（包括直流电源、电阻和两级之间有一定距离的间隙），简单说明电弧的产生。图2-1为气体放电的静伏安特性，图中的坐标值是大致的数值。200400800600100001010.10.010.0010.00010.00001过渡汤逊放电正常辉光放电非正常辉光放电过渡电弧图2-1气体放电的静电伏安特征Fig.2-1Voltageandcurrentcurvebetweengasgap开始时，电压很低，空气离子的形成与复合保持平衡状态，气体的电导也保持不变。当电压增加时，进入到非自持汤逊放电阶段，此时放电状态会随外界催离素（如X射线、宇宙线、阴极的加热等）作用的失去而停止，这种可以因催离素作用失去而停止的放电现象被称为非自持放电。接下来，电流持续升高，同时升高电压至第二个弧顶时，电流急剧增大，而电压迅速减小，这时空气进入了电弧放电的阶段。实际中，变为电弧还有几种途径，其他途径不包含图2-1的某些放电过程。在各种放电形式中，电弧的电流密度大，而一般其他气体放电形式的电流密度小，一般电弧的电流密度可以达到几百至几万A/cm2，电弧的另一个特点是阴极压降低，通常只有10V。2.1.2电弧的物理特性电弧发生在阴极和阳极之间，电弧之间的电压降并不是沿着电弧的长度而均与分布。如图2-2所示，可以沿电弧长度把电弧分三个区域：阳极电压降区域、弧柱区域和阴极电2压降区域[20]。阳极区阴极区静触头弧柱动触头图2-2电弧的组成区域Fig.2-2Componentofarc当电弧产生时，阴极电压降区周围的空气会产生大量的正电荷，形成正离子层，使得阴极区周围电位发生突变。这时候在阴极区表面上一个很小的区域（阴极斑点区），约25-4-cm1010至大小的区域将产生电弧放电时的大部分电子，位于电弧中间的是弧柱区，通常自由状态下可以把弧柱近似看成一个圆柱体的气体通道。弧柱内的气体介质中正负带电粒子数基本相等。因为弧柱区不存在空间电荷，所以可以把弧柱近似为电位沿圆柱体轴线均匀分布的金属电阻，电弧阳极电压降区域则聚集着大量电子，但阳极只接收从弧柱区域过来的电子，不具有发射正离子的能力。从电弧放电的本质上来讲，阳极区没有参与放电的过程，衡量电弧特性有以下几点：（1）电弧电位梯度：电弧弧柱区域由等离子体组成，电流会产生的电磁场，并使得等离子体向着电弧中心区域压缩。假设弧柱区域是对称的圆柱体，可以把电弧的电位梯度近似表示为：lEUUUcaarc)(（2-1）其中，Uarc为弧柱区域的电压降；Ua为阳极区域电压降；Uc为阴极区域电压降；l为电弧长度。电弧弧柱的电流Iarc与电位梯度E的关系为：EnebrIearc2其中，r为弧柱圆柱体的半径；n为弧柱区域内的电子密度；be为电子迁移率；e为电子电荷大小。（2）电弧温度电弧的发生伴随着高温高热，并且由于温度的变换会影响其他特性。当燃弧时，温度可达6000k-20000k，电弧熄灭时温度达到3000k-4000k。电弧的发生与熄灭和温度的高低有密切的关系，反过来，电弧的温度又和电流的大小有重要关系，通常电流的增大基本上3会导致温度的上升。（3）电弧直径电弧发生时，可以看成一个极其明亮的圆柱体。圆柱体的直径认为是弧柱，是电弧最大导电部分。电弧的直径大小和触头材料、气体介质种类、气压、温度以及气体与弧柱的作用程度等相关。工程上，电弧的直径经验公式表示为：Idarcarc26.0（2-2）其中darc的单位时cm；Iarc的单位是A。（4）交流电弧特性我国电气化铁路供电网采用50HZ交流供电，而交流电弧的物理过程因为其电流会经过零值而与直流电弧有所不同，在交流电弧的电流值过零点前后的很短时间内（几个到十几个微秒），电弧间隙形成的电阻将变得很大，而过零前后的这段时间里电流值并不是正弦变化的，可以认为等于电弧两端电压与电阻的比值。因此过零前后的电流值会非常小，接近于零，这段时间称为电弧电流零区。电弧电流值达到零的时刻起，交流电弧间隙中同时进行着两个互相的过程，即介质恢复与电压恢复。介质的恢复过程，是此时的电弧间隙中介强度开始增加，间隙中介质由导电通道变为绝缘介质的过程，这有利于电弧的熄灭。电压的恢复过程，是电弧熄灭过程中电弧两端电压开始急剧升高，这有可能使气体再次电离而导致电弧的重燃。对于弓网离线电弧而言，如果断路器未能及时断开，过分相处的电弧会因受电弓与接触线离线的距离足够大，而弓网之间电压不足以使空气击穿，过零后熄灭，不会再次燃弧2.3电弧数学模型2.3.1经典电弧模型以建立在能量平衡理论上的经典电弧模型为例，分析电弧特性。能量平衡理论把电弧看成一个拥有圆柱体的介质通道，该介质通道的电导值随能量大小变化[29]。由能量平衡理论，得到：plossiedtdq（2-4）公式（2-4）中q表示单位长度电弧中积累的能量，能量q是热量的数值，dtdq为单位长度电弧弧柱所存储能量的变化；e为电弧电压；i为电弧弧柱的电流；e*i4为单位长度的输入功率；ploss为单位弧长弧柱的散出功率。将（2-4）转化为：111112121pgepgpgeplosslosslosslossdgdqdtdggdtdgdgdq上式中，g为单位长度电弧的电导。假设losslosspdgdqgdgdqpgf,,（2-5）则（2-4）式可变为：111112losslosspiepgedtdgg（2-6）式（2-7）为基于电弧平衡理论的电弧模型普遍数学形式，其中并未对θ和lossp做任何限制，因而可用各种假设条件推出相应的电弧模型。2.3.2Cassie电弧模型CassieA.M提出的电弧模型可以从宏观上研究电弧的外部特征，建立该模型的假设条件为：（1）电弧有着圆柱体形状的介质通道，其截面积温度是均匀分布的。（2）气体通道的直径会随着电弧通道内电流的变化而发生改变，但电弧的温度在空间上和时间上都是不变的。（3）圆柱气体通道有清晰的界限，即直径以外的电导很小，在直径内电导很大。（4）不考虑能量由电机散出，电弧的能量散出是电弧柱变化所造成的，且散出的能量的速度与弧柱截面的变化成正比。根据以上假设条件，并结合公式（2-6）有：002020QrdrdQdgdq（2-7）式中0Q为单位体积大小的电弧所存储的能量；r为电弧柱的半径；0为电弧的电导率；5根据假设条件，有：02prploss（2-8）式中0p为单位体积的电弧所散发出的功率的大小。公式（2-7）可变为：0200020prQrpdgdqgloss（2-9）令00020210prprpgEloss（2-10）再将式（2-10）代入式（2-6），并考虑（2-9），可以得到1112020Eedtdgg（2-11）式中0为电弧的时间常数；0E为电弧的电压梯度。公式（2-11）即为Cassie电弧数学模型表达式。2.3.3Mayr电弧模型Mayr电弧模型的建立基于以下假设条件：（1）电弧弧柱式圆柱体形形状的介质通道，该圆柱介质通道界面的直径是恒定的，而弧柱内某位置点的温度随该点到圆柱体轴线距离的增大而减小。（2）电弧弧柱的功率通过传导与一部分辐射的形式散发。（3）忽略电弧沿着圆柱体轴线方向散出的能量，和Cassie模型一样不计由两个电极上的能量损耗。仅考虑电弧弧柱的长度和能量耗散的关系，并认为电弧的电压与弧柱的电压降相等。（4）不考虑电弧弧柱内介质的物理性质随温度变化的热效应关系。（5）电弧弧柱内的热游离情况，即电导值按照沙哈方程式确定，即：00QQegg（2-12）式中0g为电弧的电导常数；0Q为单位长度的弧柱所含热量大小，当Q等于0Q大小的热量输入或输出时，电导g6将随电弧能量的变化而相应增大或减小e倍。因为有：gQdqdgdgdq01（2-13）将式（2-13）代入式（2-5）可以得到losslossMpQpgQg001（2-14）再把式（2-14）代入式（2-6）可以得到Mayr模型的数学表达式111lossMpiedtdgg（2-15）式中g为电弧的电导，M为电弧的时间常数，e为电弧电压，i为电弧的电流，ie为单位长度电弧输入的功率，lossp为单位长度电弧损失的功率。Mayr模型中把电弧时间常数M定义为：电弧弧柱的电流消失以后，电弧的电阻增大e倍所需的时间。时间常数M的大小反映了电弧电阻的热惯性性质，这个与介质材料等因素有关。时间常数越大，电弧电阻上升越慢。Mayr电弧模型的物理意义为：当单位长度电弧的功率e*i比其散出功率lossp大时，电弧介质的热游离将加强，电导g有增加的趋势，从而使电弧的温度上升。以上讨论的Cassie与Mayr电弧模型，是以能量平衡方程为基础，建立在一些假设条件基础上得到的电弧模型。其表达了电弧的电压、电流、电导、时间常数和能量耗散间的关系。在Mayr电弧模型中，只要将时间常数M和能量耗散lossp固定下来，就可以由电弧模型求解电弧两端的电压和电流随时间变化的关系。但在现实情况中，时间常数M和能量耗散lossp并不是常数，其大小是随电弧电流、电阻、介质变化和环境等因素变化而改变的，因此模型并不能精确的表达电弧。尽管如此，Mayr电弧相对于弓网离线电弧电磁干扰的分7析有着重要的参考价值。电弧是一种气体游离放电现象，也是一种等离子体。电弧中的电流从微观上看是电子及正离子在电场作用下移动的结果，其中电子的移动构成电流的主要部分。电弧的特点是温度很高，电流很小，持续时间短，一旦出现击穿点则会频繁出现。电弧放电时，会产生大量的热，能引燃周围的易燃易爆品，造成火灾甚至爆炸。[2]线路上的电弧可分为两种，一种是正常的操作弧，称“好弧”；另一种是故障电弧，称“坏弧”。“好弧”是指电机旋转（如电钻、吸尘器等）产生的弧。当然，人们开关电器、插拔电器时产生的弧也属于“好弧”。“坏弧”即故障电弧，故障电弧的类型基本上可分两类：A类和B类。A类称串型电弧，B类称并型电弧，如图1所示，故障电弧类型A类（左）和B类（右）。电气火灾监控系统的基本组成包括：电气火灾监控设备、剩余电流式电气火灾监控探测器以及测温式电气火灾监控探测器。该系统能够对被保护线路中的电流、剩余电流、温度进行监视，并及时发现电气火灾隐患，预防电气火灾发生。但许多严重的火灾事故仅仅是由线路中低于额定电流或预期短路电流的故障电弧引起的。这些危险的电弧可能发生在设计不合理或者老化的供电线路、电器插头以及家用电器的电源线、内部线束或零部件绝缘。当故障电弧发生时，线路上的漏电、过流和短路等保护装置，可能无法检测到或者无法迅速动作切断电源，极易引发火灾。故障电弧的最主要危害是引发火灾，当故障电弧产生时，其中心温度高达3000℃~4000℃，并且伴有金属熔化物喷溅出来。故障电弧产生的高温高热，极易引燃线路绝缘层导致线路起火，如果在故障点附近存在有可燃物时，也极易引燃可燃物而导致火灾的发生。