摘要：当前我国经济的快速发展对电力的需求也在不断提高，电力开关系统在应用过程中会受到电弧的影响对系统的正常使用带来不便。因此，要提高对电弧的控制。
关键词：电力开关；电弧；发展；灭弧；测量
1电弧发展过程
绝缘材料上的电应力是由局部放电和过电压引起。绝缘子或绝缘体表面脏污或者内部缺陷在高电压下都会产生局部放电。在空气绝缘开关柜中，沿面放电所占比例较大。局部放电的进一步发展，可导致局部化学污染(臭氧和硝酸)。这些污染很容易从化学和机械方面劣化绝缘材料，最终导致相对地或相间电弧故障。过电压是绝缘材料通常承受的另一种电应力。每种绝缘材料都有一个最大的耐受场强，一旦所施加的场强超过该值，绝缘就会被永久性破坏。绝缘材料的局部击穿电压水平称为其电介质强度或击穿电压。当施加足够高的电压后，绝缘材料本体中将会有自由电子流过。一旦电流强制流过绝缘介质，就会发生绝缘材料的击穿。击穿后，因为物质的分子结构被改变了，该物质可能具有有限的绝缘特性也可能失去绝缘特性；此时，即使较低的过电压水平也将引起绝缘的逐步劣化，这会导致局部放电的产生，并最终形成电弧故障。
此外，环境应力也会导致开关柜绝缘故障。用在腐蚀环境和石油化工行业中的电气设备，其预期寿命会远小于用在空气清新的环境中的同类设备。此外，电气设备周围环境中的机械振动也会造成绝缘材料的机械破坏。
2利用结构改变熄弧
利用隔板将开关设备分隔为多个空间以减少电弧的产生。图1是带有灭弧栅的大电流低压开关。不同形式的栅片对电场分布影响很大,其最大电场强度也有很大差别。图1的结构a中,栅片长度相同且平行放置,在动触头和栅片之间等位线最密集,这一区域的电场强度最大,并且这种结构的电场分布最不均匀。结构b和结构c中,将栅片改为不同长度,可明显改善等位线的密集程度,使电场分布变得均匀。这两种结构的最大电场强度值相差不大,位置略有变化,在动触头和最接近的栅片间电场强度最大。结构d中,栅片改为竖直放置,最大场强点移到了触头之间。由于栅片竖直放置,触头灭弧区域电场分布最均匀,在恢复电压电场作用下,电弧重燃率最低,燃弧时间最短。自能式灭弧就是最大限度地利用电弧自身的能量,使灭弧室建立起气吹熄弧所需的压力,因而不需要操作机构提供很大的压缩功,这必将大大提高断路器的机械可靠性。为提高断路器开断大电流与小电流的性能,提高断口电压,人们提出了热膨胀与磁旋弧相互结合的灭弧方式,其原理是开断电流时,电弧在膨胀室内燃烧,部分电弧能量加热周围气体,从而使膨胀室内气压增大,当动触头运动到喷口打开时,气流流到膨胀室外面,对电弧形成强烈的气吹,并在电流过零时将电弧熄灭。这种自能式断路器的熄弧方法先进,操作功小,整体体积小,因而受到用户和研发者的重视。
图1触头灭弧系统结构
3测量开关柜故障电弧的方法
3.1电磁发射
正常负荷电流流过松动连接点也会造成微火花放电，并会电离周围空气(等离子体产生)。此外，绝缘子沿面放电和电晕也可能电离电极附近的空气并产生等离子体。所有这些现象都是电磁发射源。电磁发射的传播特性和频率取决于放电脉冲波形的上升时间。因局部放电产生的电流波形的初始上升时间是比较小的，其频带可能达到射频，这称为RF(radiofrequency)发射。局部放电脉冲的产生有一定的随机性，其波形上升时间根据局部放电的性质、放电发生的位置和介质材料的不同而不同。因此，RF发射的频谱很宽，通常来说可以分为高频、超高频和特高频。常用的检测手段有特高频传感器、RF天线以及微分电场传感器等。
3.2声音发射(超声)
电气设备中的局部放电也会引起机械振动，这种振动会导致超声信号的发射。实际测量中，局部放电产生的超声信号易于受到电磁噪声的干扰；此外，信号的频率对局部放电的类型也有较强的依赖性。在开关柜中，绝大部分局部放电都是沿面放电，声音频谱的范围分布在超声波段。它们可以通过压电传感器、加速度传感器和声谐振传感器等进行检测，通常频带范围为10~300kHz。由于声音信号的直线传播特性，超声检测方法可以实现对高压设备内部的局部放电源的定位。在实际测量中，如果与电特性测量手段相结合，超声测量的效果会更加明显。但超声信号在金属(高压设备的器壁)中衰减很快，并且易受环境噪声的影响。这是超声法检测局部放电信号时的一个比较大的缺点。
3.3光发射
紫外光(UV)是在局部放电的电离、激发和复合过程产生的，在此过程中，不同材料的物质会发射出不同波长的光。这些光信号的强度和波长依赖于多种因素，如绝缘材料特性、温度、局部放电强度等。局部放电所产生的光发射主要分布在UV、可见光和红外(IR)区域。在开关柜的电缆终端，在中压和高压下的电晕发射的光谱范围约为280~405nm。
3.4高频电流分量
局部放电大都可以在回路中产生一个电流脉冲，该电流脉冲具有很陡的上升沿和较高的频率。常规的测量工频电流测量的CT无法准确测量这种高频脉冲，在局部放电测量中通常采用高频CT。
3.5热发射(IR发射和热电离)
在高压和中压开关柜中，因局部放电引起的气体电离、激励、离子复合成分子等现象，是产生热现象的主要因素。串联电弧、电晕，还有接触点松动所导致的触点电阻增加，是产生热现象的主要原因。这些因素产生的热现象，位于IR谱段，可由IR测量表计、热电偶等进行测量。在这种情况下，在合适的位置安装温度在线监测系统能够较好地预测电弧故障。但由于热源的位置具有不确定性，要想达到宽广的覆盖面，整个系统会比较复杂。
3.6化学发射
在电离过程中，中性粒子或分子失去或接受电子，会产生一个净电荷。这些离子与其他原子的离子相结合，产生一个分子，这是局部放电的副产品。在气体绝缘开关柜中，局部放电最常见的副产品是臭氧和二氧化氮。这些复合物在潮湿的环境下与水分子反应，会生成硝酸。对大多数用于开关柜的电介质和绝缘子来说，硝酸是非常危险的。硝酸在分解绝缘材料的化学结构方面起到主要作用。在开关柜中，气体可用在线检测仪进行探测，但化学物质(如硝酸)则难以探测。
上面从电弧故障发生后的电、磁、声、光、热以及化学等特性分析了电弧测量方法。但从实际应用角度，在某种特定情况下，并非所有方法都适用。一些测量方法，因为传感器在开关柜中安装位置的限制而无法在线安装，也有一些传感器因成本高，也不适宜大量采用。
4结语
总之，电力开关中的电弧所造成的影响是很大的。我们要对电弧的产生进行分析，并采取有效的灭弧措施，保证开关的正常使用。
参考文献
[1]王学军,陈德桂.栅片灭弧室电场的计算及其对灭弧性能的影响[J].西安交通大学学报,2016,31(8):20-24.
[2]杨茜,荣命哲,吴翊,等.低压断路器中空气电弧重击穿现象的仿真与实验研究[J].中国电机工程学报,2016,27(6):84-88.
论文作者:张静
论文发表刊物:《电力设备》2017年第25期
论文发表时间:2017/12/25
标签：电弧论文; 局部论文; 电场论文; 绝缘材料论文; 电流论文; 测量论文; 超声论文; 《电力设备》2017年第25期论文;