施压供电下产生电弧的解决措施2006-12-2.doc

交流施压供电条件下产生电弧的解决措施魏香臣 吴卫伟 付聪 朱晋梅 陈小勤（西南交通大学峨眉校区 四川 中国 614202）摘 要 针对交流施压供电条件下产生的电弧对高速铁路以及工矿企业设备运行造成的不利影响，本文较为系统地对电弧的产生机理、特性以及解决措施进行了阐述。关键词 施压供电 交流电弧 特性 解决措施 1 前言交流施压供电条件下，由于供电体与受电体之间接触不良或者由于其他某些原因造成供电不正常，都可以对电气设备产生不利影响，轻者损坏设备，增加设备成本，重者直接影响生产的顺利进行。比如在铁合金企业电炉配料系统中的配料小车，由于受供电滑接线的不平、不直以及配料小车受电弓弹簧压力不够、弯道时受斜向拉力等影响，在供电滑接线与受电弓滑轮之间会产生电弧，该电弧直接损害供电滑接线与受电弓滑轮，造成经常更换受电弓滑轮，即增加成本，又增加了维护人员的工作量，严重时还会影响电炉的正常生产，造成热停等事故。再如铁路电力机车，尤其是在高速铁路上，电力机车上的受电弓与接触网接触，从中获得电能驱动电力机车，由于受机车速度、风力、地形等诸多因素的影响，受电弓与接触网之间的接触压力会不断变化，当接触压力较小时或者产生很短暂的分离时，易造成受电弓与接触网相互之间产生电弧。电弧的产生会造成电力机车受流不稳定，同时也会使受电弓和接触网受到损坏。研究交流施压供电条件下电弧的产生机理，减小或消灭电弧是非常必要的。2 交流电弧的特性21 交流电弧 在大气中开断电路时，如果被开断的电流超过0.251A，电路开断后加在触头上的电压超过1220V，则在触头间隙中通常会产生一团温度极高、发出强光和能够导电的近似圆柱形的气体，这就是电弧。电弧基本上是由气体放电产生的。按照电弧电流的性质可以分为直流电弧和交流电弧。本文重点讨论交流电弧。22交流电弧的物理特性1伏安特性电弧电阻是交流电弧的动态电阻，在数值上等于电弧电压的瞬时值与电弧电流瞬时值之比。在电压上升到点燃电压时，电弧电阻显著下降，电流开始增加。在电流过最大值后，电弧电阻开始上升，电流下降。当电流接近零时，电压达到熄弧电压，电阻又上升，可以达到很大值，电弧熄灭。交流电弧的伏安特性与电流的数值、电弧冷却的程度、电极的材料、气体的成分、电弧的长度以及电流的频率等因素有关。2交流电弧的温度和直径在交流电弧中，由于温度随电流变化，电弧的温度也是交变的。但气体的热惯性是很大的，在工频电流情况下，也将引起温度的变化稍滞后于电流。交流电弧弧柱温度的变化与周围介质对电弧的作用有关。交流电弧直径的变化与温度的变化相似。开弧时，弧柱直径在电流过零时仍保持相当大，直径的变化滞后于电流的变化。有气流吹弧时，弧柱直径几乎与电流同相位改变。23 交流电弧电压对交流电路中电流波形的影响从电力机车受电弓以下的负载可以近似看作如图1所示，由阻抗和感抗组成。电源电压为正常供电情况下，没有电弧产生时，电路电流为发生电弧时，有 式中 ia有电弧时电路电流； 图1 有电弧的电路 Ua电弧电压。此时电弧电流为式中 电弧起燃相位角。 上式中第一项是没有电弧时的电路电流，第二项可看作电弧电压所引起的“反向”电流，且随电弧电压的增加而上升。任何时刻，电弧电流都是没有电弧时的电路电流与电弧电压所引起的“反向”电流之和。电弧电压所引起的“反向”电流使电弧电流较原正弦形电流提前一个角度经过零点，电流波形发生畸变。24 交流电弧电流过零的几种情况如图1所示的电路在发生电弧时，由于时间的随意性等诸多情况，电流过零有以下几种现象：1电流理想过零此时电弧燃炽时电阻为零，电弧电压很小，与电源电压相比可忽略不计。电弧电流就是电路电流2电流自然过零电力机车的受电弓与接触网之间由于短暂分离产生交流电弧，大多数情况下受到受电弓升弓弹簧的作用马上又与接触网连接到一起，电弧随即消失。在受电弓与接触网之间产生交流电弧时，电弧电流较原来的正弦形电流提前过零。3 解决措施31 交流电弧熄灭原理依据弧隙介质强度恢复理论和弧隙的能量平衡理论，电流自然过零时，交流电弧的熄灭过程基本上可以分为两个阶段：第一阶段是弧隙电阻增加阶段。在电流过零前电弧燃炽时，弧隙的电阻很低。当电流接近自然过零时，弧隙的温度还是很高的，弧隙中还存在着热游离和大量电子，但此时输入弧隙的能量减少了，电弧电阻由低向高过渡。在电弧电流过零及其过零后，电弧电阻很快上升，为弧隙从导体状态转变成介质状态创造条件。第二阶段是介质强度恢复阶段。热游离停止，导体变成介质，介质强度增加。在以上两个阶段中，电弧熄灭的条件是不同的。在第一阶段，弧隙是一个导体，有剩余电流通过，弧隙仍得到能量。为了保证电弧熄灭，必须使电弧能量扩散大于能量输入，迅速去游离。在第二阶段，介质强度上升，当介质强度恢复始终高于电压恢复时，电弧熄灭。32 交流电弧的熄灭和方法 交流电弧可以分为长弧和短弧两种，在空气中，交流短弧的熄灭原理与长弧的熄灭原理是根本不同的。321 交流短弧的熄灭和方法在交流短弧的熄灭过程中，起主要作用的是近阴极的介质恢复强度。按照斯列宾的理论，电流过零时，只要外施电压大于初始介质恢复强度，就应发生间隙击穿，电弧电压从电流零值立刻上升。塔也夫认为，当电流大于100A时，初始介质恢复强度已不是决定于阴极区域的过程，而是决定于电流过零时弧柱强烈的冷却。综合以上理论，依据典型实验数据，可以认为，近阴极效应还是存在的，而初始介质恢复强度与电流大小有关。对于低电压交流开关电器，熄灭交流短弧的方法可以采用灭弧室。灭弧室可以分为两类，即去离子栅式和狭缝式。有关实验数据结果表明，介质恢复强度曲线符合于各种灭弧室的熄弧能力。迷宫式灭弧室介质强度恢复得最快，其次为斜缝式，金属柱栅式和去离子栅式，而宽缝式灭弧式介质强度恢复得最慢。迷宫式和斜缝式都是属于狭缝型式的灭弧室，电弧的熄灭是由于电弧迅速移动和拉长，弧柱与冷的缝壁相接触，使去游离强烈地增加。去离子栅灭弧室是根据熄灭交流短弧原理将电弧分成几段，主要依靠近阴极效应的初始介质强度，同时金属栅片的导热性也促进电弧的去游离过程。金属柱栅式，实际上是去离子栅式的发展。宽缝式灭弧室的熄弧能力最差。对于低电压交流开关电器，根据电弧的伏安特性、电弧能量、电弧间隙上的恢复电压和电弧在去离子栅灭弧室中的运动等方面的理论研究，针对于额定频率为50Hz或60Hz的电源都可以正常使用。322 交流长弧的熄灭和方法在交流长弧中电流过零时，弧柱中的过程对熄弧起主要作用。要迅速熄灭电弧，必须加强弧柱的去游离过程，使介质恢复强度很快上升。根据电弧的性质及交流电弧燃炽和熄灭的特点，为了增加弧隙去游离速度及介质强度恢复速度，可以采用以下办法：（1）增加电弧的长度；（2）磁场吹弧，使电弧在空气中迅速运动；（3）靠电弧本身的能量或靠外界的能量使气流或液体纵向或横向吹弧；（4）将电弧引入狭缝中或电弧在管道中与介质密切接触；（5）在真空中熄弧；（6）将长弧分成一系列短弧。323交流施压供电条件下交流电弧的熄灭高速铁路电力机车受电弓与接触网之间产生的电弧，由于是高电压，所以可以划为长弧。减小或者消灭电弧的产生主要在以下几方面：1采用新材料、新工艺，提高接触网的张力，减少接触网的摆动。2适当增加高速铁路的曲率半径。3提高受电弓质量，保证与接触网足够的接触压力。4借用机车的高速，利用风速进行熄弧。对于配料小车受电弓与供电滑接线间产生的电弧，建议采用以下办法：1在直道上保证供电滑接线平直；在弯道上，保证三根供电滑接线间距相等、并且有一定的转弯半径。2受电弓滑轮的接触面光滑、转弯灵活。3保证受电弓滑轮与供电滑接线有一定的压力。4