电弧短路的故障分析计算及对策.doc

第一章 绪论短路故障有金属性短路和电弧短路。由于电弧具有电阻的特性，因此电弧短路电流比金属性短路电流小。在低压系统中，电弧电压占电源电压的百分值较大，电弧短路电流可能比金属性短路电流小很多。因此按金属性短路电流整定的继电保护装置在发生电弧短路时可能不动作，而无法切除电弧短路故障。电弧电压的大小与很多因素有关。要确保继电保护装置在电弧短路时可靠动作，需要计算最大电弧电压时的最小短路电流，并按这个短路电流整定继电保护。引起电弧短路的原因有很多，例如绝缘损坏或老化、污染及空气潮湿引起的空气击穿、小动物引起的电弧短路和误操作等。德国科学家调查了二百多起发电厂和变电所短路故障，发现有57%的故障由开关柜内设备引起，另外20%发生在母线上，10% 发生在导体接头处。根据大量调查，85%以上的短路故障是电弧短路。电弧短路危害大。如果在开关柜中发生电弧短路，由于电弧能量大，温度高，可能引起开关柜燃烧和爆炸。十几年前南京某大型企业由于某6kV开关室短路故障烧毁了多台开关柜，引起全厂停电十几天，造成重大经济损失。如果在电动机中发生电弧短路将烧毁电动机。电弧短路还可能引起电气火灾.北京市1999年发生的电气火灾为1350余起.电气火灾不仅会引起重大财产损失，也可能引起人身伤亡。短路电弧可能烧伤工作人员。在低压系统中有单相、两相和三相电弧短路。相电弧短路通常是由单相或两相电弧短路发展而来。而在出现三相电弧短路后，如果三相电弧短路转变为两相电弧短路，则电弧将自行熄灭，而不会再发展成三相电弧短路。在电弧短路计算中，最重要的是电弧电压。知道了电弧电压的大小，就可算出电弧短路电流。电弧电压出现在母线之间。电弧电压瞬时值是随机变化的。这是因为影响电弧的一些因素是随机变化的。因此不能用经典数学精确地描述电弧电压的变化。电弧出现在母线之间。在短路点只有2条相间电弧同时存在，而不是3条。所以这种三相电弧短路是不对称性短路。每条电弧存在的时间大约为1/3周波。由于电弧电压瞬时值比较接近其1/3周波平均值，因此用这个平均值近似模拟电弧电压。试验结果表明，此平均值也是随机变化的。平均值的概率密度接近正态分布。设电弧电压1/3周波平均值大于的概率为0.8，因为电弧电压的1/3周波平均值大于时，电弧将熄灭，所以用作为计算最小电弧短路电流用的电弧电压。 主要由系统额定电压和短路处相间距离d决定。第二章 电弧的特性第2.1节 电弧的产生电力系统及供配电系统中的短路故障可分为金属性短路和电弧短路。金属性短路是指在短路点相与相或相与地之间的直接短接，短路点没有过渡电阻。而电弧短路是指在短路点会出现电弧。短路电流在短路点通过电弧构成回路。电弧具有电阻特性。电弧短路的类型有三相短路、两相短路、两相接地短路和单相接地短路。电弧主要发生在：（1）开关电器开、合瞬间；（2）开关电器以及导线的接点接触不良时；（3）两不同相带电导体或相线对地之间的距离太近时；（4）人体或导体与高压带电体之间达到放电的距离时。引起电弧短路的原因有很多，例如绝缘损坏或老化、污染及空气潮湿引起的空气击穿、小动物引起的电弧短路和误操作等。电弧产生的具体原因如下：1、当开关电器断开又电流的线路和设备，或接通又负荷的线路而电压电流大于一定数值时，开关电器的触头间就会产生温度很高的电弧，拉闸时，开关电器的触头虽已分开，但由于触头间存在着电弧，电路仍处于通路状态，等到触头分开足够长的距离时，电弧才熄灭。2、开关电器制造不良，安装不善或维修不及时。开关设备相线间或相线对外壳间距离不合要求，施工时不按规定安装而造成电弧事故。开关电器、导线的接头由于接触不良逐步加重，造成开关损坏或线路断路，影响正常工作。低压开关电器的灭弧罩损坏或丢失，没有及时更换补给，更容易产生电弧短路事故。3、变压器、油断路器等电气设备因长期运行，绝缘油炭化，未能及时更换造成电弧事故。4、配电器具的接线端子选用不当或长期运行后已松动未能拧紧，造成局部过热发展成电弧事故。5、电气设备的绝缘部分污损，未能及时补救或清除，也容易产生电弧事故。6、违章操作。如带负荷拉刀闸，低压带电操作引发电弧短路事故。7、人体、导体距高压带电体的距离太近将引发电击事故（电弧事故的一种）8、线路敷设不善。在穿管线路敷设过程中，使线、缆绝缘损坏，造成线间或对保护钢管间的电弧放电，使绝缘日趋损坏，最后形成电弧事故。电缆在敷设过程中，施工碰伤绝缘或弯曲半径过小而损伤绝缘，长期运行后都会由微小电弧逐步发展成为电弧事故。9、鼠啮、虫咬造成绝缘损坏，逐步形成电弧事故。第2.2节 故障电弧的物理现象2.2.1 故障电弧的定义：故障电弧是一种可以用数学统计法描述的随机物理现象,这种现象也可称之为气体电离。这种气体电离首先是空气电离,并通过不同电位、电极间(相与相,相与地之间) 的高温导电等离子气体保持着。如果将故障电弧看作是电网网络中一种元件的话,则它是一种随时间变化的非线性欧姆组件。2.2.2故障电弧效应：低压柜发生电弧故障时,首先看到强烈的弧光,伴随这种现象,低压柜冒出浓浓的黑烟和强烈的爆炸声。故障电弧短路结果会产生压力效应、辐射效应和弧根效应2 ,如图1 所示。 图1 故障电弧效应电弧刚点燃时,周围空气就立刻电离,气体压力迅速上升;在电弧点燃515 ms ,压力上升至0. 20. 3 MPa。故障电弧40 %的能量产生了压力效应,使柜体内的零部件受到损害。空气电离后,气温升至400010000 K。这些热量通过辐射形式使可燃性材料(操作人员的服装) 着火、非可燃性材料热分解,短路容量为100 MVA。发生电弧故障时,柜体内压力、温度随时间变化曲线如图2 所示。故障电弧总是在母线上最高的场强位置形成弧根。所以在柜体某一位置发生电弧故障时,电弧沿着母线边缘迁移,迁移速度为140 m/ s。电弧可能会滞留在母线的角上,稳定燃烧,导致金属材料的溶化和汽化。1 kA 故障电弧电流每秒可燃化510 g 导体材料,导体材料汽化进一步导致空气电离。故障电弧10 %能量消耗在弧根效应中。由于发生故障电弧时的压力、辐射、弧根效应造成设备严重损害,同时高温、高压气体伴随电弧效应产生炽热的金属和非金属材料颗粒由柜体逸出,造成人身伤害,甚至引起火灾。因此,对电弧故障防护研究,就是人们当前迫切需要解决的问题。第2.3节 低压系统中电弧短路的危害低压开关设备中，故障电弧会在10ms内将温度升高到13000K，同时在约15ms内将压力上升到约2Pa3Pa。设备内的零部件如门在这样的高压力作用下会脱离它们的固定机构并被掀开。高温还在设备内产生熔化和蒸发过程。结果产生毒气，毒气又在压力作用下向外排出。这样对附近的工作人员就有生命的危险。工作人员吸入毒气造成死亡的例子不少。更多的情况是烧伤皮肤和使人目眩。除了人身伤害外，还有设备的损坏，如建筑内的开关设备和二次部分部分或全部地被破坏。即使破坏过程结束了，用户还要承受长时停产及高昂的事故费用。根据德国精密机械和电工技术职业协会（BGFE）的事故统计，故障电弧事故约占总电流事故的25%。如果将电流事故与运行中常规事故的人均费用作一比较，则2000年的电流事故为29654欧元，正常运行事故仅为4484欧元。2000年电流死伤事故的34%发生在开关设备中。这就是说，电气专业人员是最危险的人群。根据BGFE的统计，电气专业人员在电流事故中占60%以上。其中一个原因是忽视了5项安全规程。正因为故障电弧涉及到人身和设备安全，引起了国际社会和各国的高度重视。在低压技术中，有关低压开关设备内部故障电弧的国际试验标准为IEC/TR361641:1996-01。在德国乃至欧洲的试验标准为DINEN0660-1附录部分2。这些标准包括了“故障电弧条件下的人身防护”和“故障电弧条件下的设备防护”等名词术语。故障电弧条件下的人身防护，是指开关组合电器在故障电弧的机械和热力作用下限制威胁人身安全的能力。故障电弧下的设备防护是指开关组合电器在故障电弧条件下限制影响设备功能的能力。人身防护和设备防护试验，包容不了所有的危害效应，诸如有毒气体、光辐射、热气流、声压和高压力。这些威胁到人身安全，如在门打开的情况下，于电弧产生时在带电设备中作业的工作人员。低压开关设备的故障电弧防护分“结构上的故障电弧防护”和“故障电弧防护装置”。结构上的故障电弧防护是通过开关组合电器的结构来实现的，以防止故障电弧的产生。结构上的故障电弧防护只能在设备封闭情况下限制故障电弧的效应，但如果设备已被打开，那就不起作用，这就需要附加防护装置。第2.4节 高压系统中电弧短路的危害和低压开关设备一样，高压开关设备中的电弧也是有很大危害的，因为电弧的温度很高，达到数千摄氏度，能烧坏触头，甚至导致触头熔焊。同时高温在设备中产生毒气和强光，造成光污染和大气污染，如果电弧不立即熄灭，就可能烧伤操作人员，烧毁设备，甚至酿成火灾。电弧对电器的影响主要有以下几个方面：（1） 触头虽已打开，但由于电弧的存在，使要断开的电路实际上并没有断开。（2） 由于电弧的温度很高，严重时可使触头熔化。（3） 电弧向四周喷射，会使电器及其周围物质损坏，甚至造成短路，引起火灾。所以必须采取措施熄灭或见效电弧，为此首先要了解电弧的物理本质，即电弧产生原因。第三章 电弧短路电流计算第3.1节 解微分方程求解短路电流三相电弧短路通常是由单相或三相电弧短路发展而来。而在出现三相电弧短路后，如果三相电弧短路转变为两相电弧短路，则电弧将自行熄灭，而不会再发展成三相电弧短路。三相电弧短路等效电路如图3-2所式。图32 三相电弧短路等效电路然而，根据实验数据显示，当线路发生三相短路时，三个短路电弧, , 是不会同时存在的，在某一时间，只有任意两个短路电弧存在。因此三相短路时，等效电路图如下（图3-3图3-4图3-5），并可以对下面的图分别列出微分方程3.2.1当时，满足图3-3的等效电路：图3-3 存在的等效电路3.2.2当时，满足图3-4的等效电路：图3-4 存在的等效电路3.2.3当时，满足图3-5等效电路：图3-5 存在的等效电路根据以上三种等效电路，编写程序，求解微分方程，解出三相短路电流的值。程序见附录。当d=20mm, Z=20+j20时三相短路电流波形如下图：=5.656KA根据以上方法可求得电弧短路电流如下表格：d=20mm时电弧短路电流Z/m20+j2030+j3040+j4050+j5060+j60/KA5.6563.6782.8922.2631.909d=40mm时电弧短路电流Z/m20+j2030+j3040+j4050+j5060+j60/KA4.3142.8992.1571.7681.485d=100mm时电弧短路电流Z/m20+j2030+j3040+j4050+j5060+j60/KA2.6871.7681.3441.0610.884d=150mm时电弧短路电流Z/m20+j2030+j3040+j4050+j5060+j60/KA2.1921.5561.1320.8840.707曲线图如下：曲线1：d=20mm时电弧短路电流波形曲线2：d=40mm时电弧短路电流波形曲线3：d=100mm时电弧短路电流波形曲线4：d=150mm时电弧短路电流波形1234由于电弧具有电阻特性，极间距离d越大，则电阻越大，导致短路电流越小。第3.2节 等效电阻法计算短路电流有些继电保护装置的整定不必精确考虑短路电流和电压的波形，而是按短路电流有效值的大小来整定。因此只要计算最小三相电弧短路电流有效值。经过对电力系统中大量短路故障实例的分析发现，80%95%的短路故障是电弧短路。因此研究电弧短路电流的计算具有重要意义。有一种电弧短路电流的计算方法是用15m 电阻模拟电弧的作用。U15 m1）取R=20m，WL=20m,=20+j20I=380/()=5.443KA2) 取R=30m，WL=30m,=30+j30I=380/()=4.057KA分别计算=40+j40、Z=50+j50、=60+j60、=70+j70具体电流值见表格1Z/m20+j2030+j3040+j4050+j5060+j6070+j70I/KA5.4434.0573.2262.6752.2842.109曲线图如下：第3.3节 运用1584标准计算短路电流 最小三相电弧短路电流有效值与最小三相金属性短路电流有效值有一定的对应关系。通过对大量电弧短路实验结果的分析，得到与的关系为：=当d=60 mm =-0.0068d+0.85+0.06(2-R/X)(0.0133d+1)当60d=250 mm =-0.0009d+0.5+0.105(2-R/X)R：短路回路等效电阻（不包括电弧电阻）； X：短路回路等效电抗XR1) d=20 mm取R=20 m X=20 m=380/()=7.757=-0.006820+0.85+0.06(2-1)(0.013320+1)=0.789=0.7897.757=6.127 KA取R=30 m X=30 m=380/()=5.171 KA=-0.006820+0.85+0.06(2-1)(0.013320+1)=0.789=0.7895.171=4.032 KA取R=40 m X=40 m=380/()=3.878 KA=-0.006820+0.85+0.06(2-1)(0.013320+1)=0.789=0.7893.878=3.06 KA取R=50 m X=50 m=380/()=3.103 KA=-0.006820+0.85+0.06(2-1)(0.013320+1)=0.789=0.7893.103=2.448 KA取R=60 m X=60 m=380/()=2.586KA=-0.006820+0.85+0.06(2-1)(0.013320+1)=0.789=0.7892.586=2.04 KAd=20mm时电弧短路电流Z/m20+j2030+j3040+j4050+j5060+j60/KA6.1274.0323.062.4482.04/KA7.7575.1713.8783.1032.586分别计算d=40mm 、d=100mm、 d=120mm时的电弧短路电流具体见下列表格：d=40mm时电弧短路电流Z/m20+j2030+j3040+j4050+j5060+j60/KA5.23.4652.5982.0791.733d=100mm时电弧短路电流Z/m20+j2030+j3040+j4050+j5060+j60/KA3.9992.6631.9771.5981.332d=150mm时电弧短路电流Z/m20+j2030+j3040+j4050+j5060+j60/KA3.6502.4331.8251.4601.2171584标准法计算电弧短路电流波形图如下：曲线1：d=20mm时电弧短路电流波形曲线2：d=40mm时电弧短路电流波形曲线3：d=100mm时电弧短路电流波形曲线4：d=150mm时电弧短路电流波形4321金属性电弧短路电流波形图如下：第3.4节 近似简化法计算短路电流经过大量实验证明电弧短路电流也与对称金属性短路电流有效值、系统电压、极间距离由一定的关系。经过总结，的出以下公式：lg=K+0.662lg+0.0966V+0.000526G+0.5588V(lg)-0.00304G(lg)lg:对称金属性短路电流有效值V：系统电压d:极间距离G：极间距离 1）d=20 mm取R=20 m X=20 m=7.757KA K=-0.153 G=20mm V=380Vlg=K+0.662lg+0.0966V+0.000526G+0.5588V(lg)-0.00304G(lg)=4.15KA取R=30 m X=30 m=5.171KA K=-0.153 G=20mm V=380Vlg=K+0.662lg+0.0966V+0.000526G+0.5588V(lg)-0.00304G(lg)=2.99KA取R=40m X=40 m=3.878KA K=-0.153 G=20mm V=380Vlg=K+0.662lg+0.0966V+0.000526G+0.5588V(lg)-0.00304G(lg)=2.34KA取R=50m X=50 m=3.103KA K=-0.153 G=20mm V=380Vlg=K+0.662lg+0.0966V+0.000526G+0.5588V(lg)-0.00304G(lg)=1.95KAd=20mm时电弧短路电流Z/m20+j2030+j3040+j4050+j5060+j60/KA4.152.992.341.951.46分别计算d=40mm 、d=100mm、 d=120mm时的电弧短路电流具体见下列表格：d=40mm时电弧短路电流Z/m20+j2030+j3040+j4050+j5060+j60/KA3.5852.772.191.721.23d=100mm时电弧短路电流Z/m20+j2030+j3040+j4050+j5060+j60/KA2.782.221.7851.461.062d=150mm时电弧短路电流Z/m20+j2030+j3040+j4050+j5060+j60/KA2.391.931.6251.2800.86曲线图如下：曲线1：d=20mm时电弧短路电流波形曲线2：d=40mm时电弧短路电流波形曲线3：d=100mm时电弧短路电流波形曲线4：d=150mm时电弧短路电流波形4321第四章 分析比较不同方法计算出的短路电流第4.1节 解微分方程法与金属性短路电流的比较虚线表示：金属性短路电流实线从上到下依次表示：解微分方程法计算的d=20mm、d=40mm、d=100mm、 d=150mm 电弧短路电流。比较：1、由于电弧具有电阻的特性，因此电弧短路电流比金属性短路电流小。2、在低压系统中，电弧电压占电源电压的百分值较大，电弧短路电流可能比金属性短路电流小很多。3、d越大电弧短路电流越小。第4.2节 解微分方程法与1584标准法的比较虚线从上到下依次表示：解微分方程法计算的d=20mm、d=40mm、d=100mm、 d=150mm 电弧短路电流。实线从上到下依次表示：1584标准法计算的d=20mm、d=40mm、d=100mm、 d=150mm 电弧短路电流。比较：1、1584标准法计算的电弧短路电流比解微分方程法计算的电弧短路电流略微偏大。2、1584标准法计算的平均电弧短路电流。3、解微分方程法计算的最小电弧短路电流。4、这两种方法计算的电弧短路电流曲线变化趋势都是一样的。第4.3节 1584标准法与近似简化法的比较实线从上到下依次表示：1584标准法计算的d=20mm、d=40mm、d=100mm、 d=150mm 电弧短路电流。虚线从上到下依次表示：近似简化法计算的d=20mm、d=40mm、d=100mm、 d=150mm 电弧短路电流。 比较：1、1584标准法计算的电弧短路电流比近似简化法的电弧短路电流略微偏大。2、阻抗越小，计算出的电弧短路电流差别越大；阻抗越大，计算出的电弧短路电流差别越小3、Z相同时，d越小，这两种方法计算的电弧短路电流相差的越大。第4.4节 等效电阻法与解微分方程法的比较虚线表示：15m等效电阻法电弧短路电流。实线从上到下依次表示：1584标准法计算的d=20mm、d=40mm、d=100mm、 d=150mm 电弧短路电流。比较：1、15m等效电阻法与解微分方程法中d=20mm的电弧短路电流比较接近。2、当Z=25m时，15m等效电阻法与解微分方程法计算出的电弧短路电流近似相等第五章 电弧的影响对于开关柜、电弧短路的主要原因是由于绝缘水平不够造成的。由于偶然原因绝缘水平降低,开始对地产生泄漏电流,逐渐形成电流电弧。电弧连续燃烧,使开关柜内产生大量高温金属气体,发展成为两相短路,并最终过渡到三相短路,即所谓绝缘事故引起电弧短路。手车式开关柜的电弧短路由于上述原因外,还可能由于隔离插头电接触不良,长期载流过热,插头烧熔并脱落、产生负荷电流电弧,电弧连续燃烧,产生大量高温金属气体,最后也能发展成为两相、三相短路,即所谓载流事故引起弧光短路。对于装有少油断路器的成套开关柜,在电弧短路时,由于电流大量热量可以使断路器喷出(逸出)油气,和电弧接触结果,还会引起开关柜爆炸事故。根据国外实测资料,在610kV 成套配电装置中,单相电弧接地过渡到两相短路的时间为0. 50. 6s。从两相短路过渡到三相短路的时间和两相电弧短路的电流大小以及开关柜构造(尺寸) 有关。当短路电流210kA 时,时间约0. 100. 02s。为了降低电弧短路时开关柜损坏的程度,应尽量缩短电弧短路保护装置的动作时间。开关柜中的电弧另一个特点是移动速度非常快,能从短路点沿母线背离电源侧方向“跑出”,这是由于母线短路电流产生的电磁场和电弧的电磁场相互作用的结果。短路电流愈大,“跑出”的速度愈快。由于向外“跑出”,可以从开关柜内这个小室窜到另一个小室;还可以通过没有隔离的母线小室窜到旁边的开关柜,从而产生所谓“火烧连营”,烧毁整段开关柜。电弧短路除了产生前面的电磁效应外,还产生光和热的效应,国外就是利用电弧这些效应,研制出各种各样的电弧短路保护装置。由于开关柜内部故障电弧具有破坏性大等特点，对保护装置有如下要求：（1）速动性：这一点是最主要的，以便减轻电弧对开关柜的损坏程度，因此电弧短路保护的动作时间愈短愈好，不超过100ms。（2）可靠性：即在其他无关的因素影响下不要误动作，在恶劣的环境下能可靠工作，抗干扰能力强。（3）选择性：即下级保护动作时，上级保护不应动作。（4）简单性：构造简单，容易制造，容易安装维护，造价低。考虑到上述要求，本电弧检测保护装置采用弧光检测单判据原理，将信号输送至现有的继电保护装置（如Moeller 公司的Easy 系列小型可编程控制器以及南京因泰莱电器股份有限公司的PA100 系列继电保护装置等），一旦检测到电弧弧光，继电保护装置即发出跳闸指示，使断路器立即分闸。第六章 电弧短路的危害及对策6.1节 电弧短路的危害及相应的措施几弧危害：电弧短路的危害：1、电弧能引发短路事故，严重时可误跳上一级开关，造成大面积停电。2、电弧的温度极高，能使开关电器的触头，绝缘材料烧损，甚至造成开关电器损坏。3、电弧可危及人身安全，导致眼睛、面部、手、胸等部位灼伤，严重时可致残，甚至危及生命。4、电弧可造成绝缘损坏危及线路和设备安全。5、电弧能引燃周围的易燃易爆物，发生火灾和爆炸。电弧事故的预防措施：1、开关电器应选择符合规定的合格产品，开关设备相线间的距离，相线对外壳的间距均应符合产品标准，导线（包括母线）的相间距离，相线对地的距离均应符合设计及安装规程。2、加强对开关设备及线路接头、接点的巡视维护工作。发现接触不良及时处理，导线与设备端子连接时，应尽量拧紧，避免连接松弛造成局部过热形成电弧3、作好绝缘油的抽样化验，及时更换不合格的绝缘油4、管线安装时，应采取措施避免碰破，磨破绝缘，弯曲半径应符合规程规定5、按规程操作电气设备，杜绝带负荷拉刀闸，低压带电作业呀注意带电体之间的距离，采取防止短路的措施6、人体与高压带电体保持足够的安全距离7、低压开关电器要保证足够的安全距离8、对设备的裸露部分及支持绝缘子应经常巡视，发现污损，即使处理9、防止鼠害、虫害造成绝缘损伤，防止小动物进入带电倒替内引发电弧事故10、易燃、易爆场所应采取防爆电器6.2节 电弧光保护由于85%以上的短路故障是电弧短路，所以用于预防短路故障的措施几乎都可以用于预防电弧短路。例如防止误操作，防止小动物进入开关室，防止绝缘击穿等。这里介绍一种新型的减小电弧短路危害的措施：电弧光保护。6.2.1 电弧光保护的工作原理 电弧光保护系统通过检测开关柜内部发生故障时发出的电弧光来判断是否发生故障。弧光是电弧的最明显且变化最快的特征物理量，因而电弧光保护具有超高速的动作性能，整套保护的动作时间可保证这种高速动作性能时最重要的。为了避免外界光干扰可能引发系统的误跳闸，在实际应用种往往还引入过流闭锁信号，即只有同时检测到弧光信号及过流动作信号才发出跳闸指令切除故障，从而进一步提高保护系统动作的可靠性6.2.2 电弧光保护系统的组成（1）主单元 主单元为电弧光保护系统的控制中心，它收集来自弧光检测辅助单元及过流检测辅助单元的动作信号，并对收集的数据进行处理、判断，发出跳闸信号以切除故障。在配置有过流检测辅助单元的情况，电弧光保护系统只有在同时检测到弧光和过流时才发出跳闸指令。在进线断路器未能动作切除故障时，它将启动断路器失灵保护逻辑，发出跳闸指令给上游短断路器切除故障。（2）弧光检测辅助单元 弧光检测辅助单元采集来自弧光传感器的动作信号，并通过数据总线将弧光传感器的动作信号传送给主单元。弧光检测辅助单元通过拨码开关可以设定其地址。当系统发生弧光故障时，辅助单元收集来自弧光传感器的动作信息并传送给主单元，在主单元上显示辅助单元和弧光传感器的地址编号，有利于及时检修和排除故障。（3）过流检测辅助单元 在电弧光保护系统中，采用过流检测辅助单元有二方面的作用，其一时作为弧光保护的闭锁元件进一步提高保护系统的可靠性；其二时弧光检测辅助单元的配合提供有选择性的跳闸信号，过流检测辅助单元的过流动作信号通过数据总线传送给主单元以提供跳闸决策。（4）弧光传感器 弧光传感器安装在开关柜各间隔室中，可实现对各种接线中、低压开关柜提供有选择性的保护。在实际应用中有二种弧光传感器，一种采用光电感应元件，检测在发生弧光故障时突然增加的光强，并将光信号转换成电流信号通过RS485总线传送给弧光检测辅助单元；另一种采用光直接检测传感器，它通过光纤字节传送给弧光检测辅助单元，因而具有动作速度快，不受开关柜内部强电磁场干扰的特点。6.2.3电弧光保护系统的作用电弧光保护系统具有非常快的动作速度，其整套保护的动作时间在几毫秒以内，远快于传统母线保护方案。所以，对于开关柜各单元室的总故障清除时间可以控制在100ms以内。因此，在发生弧光故障、柜内压力和温度急剧增加以前，电弧光保护系统就可以发出跳闸指令切除供给的短路电流，使设备损坏及人员伤害的损失减到最小。对于中低压开关柜来说，以最快的速度切除故障意味着最大限度的限制电弧燃烧释放的能量，其益处是：保护附近工作人员免受电弧故障效应的伤害；开关柜内部部件的损坏限制到最小；大大减少开关设备损坏的维修费用；最大限度的减少用户的停电时间，可尽快恢复生产；对于使用年限很长需要进行改造的开关柜，采用电弧光保护可有效延长其使用寿命，从而减少对开关设备的投资费用电弧光保护作为中低压母线保护，对配电系统还将提供以下益处：保护昂贵的主变压器或厂用变压器免受巨大的短路电流冲击而损坏；防止波及站用直流系统，避免事故扩大而造成经济损失。6.3节 电弧故障断路器AFCI由于低压电弧短路电流大约是金属性短路电流的3575%，熔断器和低压断路器有时不能可靠地切除低压电弧短路故障。因此美国科研人员开发了电弧故障断路器（AFCI）.图5 是GE公司生产的AFCI。图6显示在家庭发生电弧短路时的电流电压波形。图5 AFCI 图6 电流电压波形6.3.1 AFCI装置的作用电弧故障断路器（AFCI）是一种防电弧危害的装置，它能够检测识别电弧并且断开电路。AFCI可以探测到电路中的电弧，它设计精巧，在开关正常开合发生微小电弧时不会触发。在住宅区的卧室内，所有分支电路上的125V，1520A的单相电源出口都必须安装AFCI。上述强调了“分支电路”和“电源出口”。前者说明电源插座所在的电路必须安装有断路器，后者说明电灯和插座都在考虑之列。打开开关时产生的电弧通常认为是正常操作引起的，不会产生危险。因此功率较大的开关都自带电弧抑制器，电弧抑制器可以在电弧造成危害之前释放其热量。但是，如果在电线上或设备内部没有安装电弧抑制器，发生类似的电弧故障时，就很容易再成火灾，危及设备和人身安全。AFCI的作用就是避免上述情况的发生。及时检测识别电弧，是预防由电弧引起的火灾的有效手段。AFCI可以及时检测到电弧故障并且断开电路，预防火灾的发生。小开关、恒温器及类似设备引起的微小电弧不会触发AFCI，因而AFCI不会误动作。6.3.2 AFCI装置的应用AFCI技术在家用电器电源插头上的应用要考虑三个设计层面。首先要符合UL1699标准。 然而仅仅达到UL1699的要求是不够的。如果产品在应用条件下所涉及的误动作或表现出的非期望特性，我们就不能依赖UL1699标准来衡量。美国德州仪器公司的应用和技术经验指出满足“产品适用性”要求, 对许多应用来说是非常重要的，特别是对AFCI技术用于家用电器领域尤其如此。其次，UL标准只是安全标准并不能覆盖所有方面，所以一个带有AFCI保护的电源插头产品的设计者需要确定他的设计要满足家电产品的“适用性”。这不仅包括针对具体使用AFCI插头的家用电器进行测试，而且还要包括AFCI产品实际与家用电器连接后使用时的测试。最后，从一个好的设计的实用角度来看 带有AFCI功能的电源插头既要能满足并超越UL1699的标准，而且在实际的应用过程中还要满足“适用性”测试，这样的产品才能给用户带来即安全又可靠的地保证。AFCI技术的设计者如何才能完成这些要求呢? 对家用电器的电源插头来说，符合UL1699的标准是必须的。我们可以发现有许多有关电弧检测方面的专利，实际上电弧检测是非常容易的工作，但真正的挑战是如何能区分“正常”和“故障”电弧，并且不发生误动作。理想情况下，AFCI算法的灵敏度不仅可以通过UL1699标准的基本要求，而且还要有足够的能力对不安全电弧提供最快速的检测。由于对不同电弧的感应能力和有害电弧的辨别能力的严格要求，目前，许多AFCI技术只是仅仅部分满足UL1699标准的要求。虽然一些AFCI技术能够通过UL1699标准，但在实际应用过程中，对于不同电弧的检测可能会表现不够稳定或不能对有害电弧提供最快速的检测，显得很“脆弱”。因此，带有AFCI功能的电源插头，除了能满足UL1699标准外，还要能适用于不同的家用电器和电器制造商的设计，这是一个非常严峻的挑战，它超越了UL1699标准，但在实际的使用中却又非常重要。AFCI 电源插头的设计者不仅要对家用电器的工作原理和条件非常熟悉，而且他们还必须考虑不同电器制造商的众多型号和规格。首先, 一个 AFCI 电源插头的设计者必须要参照UL1699标准，决定采取什么样的测试项目来替代电器的负载上。请记住，标准的UL1699 测试项目与家用电器是没有任何关系的，即使NEC标准要求所有的家用电器制造商在2004年8月1日后对其生产的电器电源插头部分要带有AFCI保护（参考UL484标准）。要完成此任务，逻辑上要使用一些标准负载代替家用电器来做UL1699的测试。例如：美国德州仪器公司针对电器重新采用了不同的UL1699测试项目，用于替代家用电器的特定负载上(例如吸尘器等)。由于不同的电器的信号参数变化非常大，美国德州仪器公司针对不同制造商生产的不同规格的电器来做测试，其电流范围包括15A35A115VAC240VAC, 制冷量包括6000BTU14500BTU。此外, 美国德州仪器公司已经和众多电器制造商一起工作，来理解任何可能会影响AFCI电源插头性能的情况。通过这种合作，我们了解到，当转换电器机械控制开关的位置时所产生的电弧（“正常”电弧），会引起一些AFCI装置的误动作，使其切断电源自动关闭电器。这是因为每一次开关变换位置时，会产生一系列触头断开和闭合的动作，由此而产生了电弧(“正常”电弧)。电器功率的大小直接与在控制开关转动时AFCI插头如何判断而不产生误动作有关。我们发现，即使是小功率的电器，当快速的旋转转速控制开关时( 正如夏天当你进入一个温度高的房间会将空调开到最大) ，会使得其他一些AFCI产品产生误动作。这也就很容易使得电器使用者误认为电器有问题而要求返修或退货。我们也从一些电器制造商那里了解到，许多在电器内产生的电弧(并导致火灾)是与电器内的接线有关。UL484中所提供的技术，目前还不能对这种出现在电器内的电弧提供保护，他们只是提供电器线束的集成保护；而AFCI技术却能提供这种电弧保护。美国德州仪器公司所开发的Arc ShieldTM算法，可以很好地对电器内的接线处产生的电弧进行保护。在AFCI开发过程中，另外的要求是来自于抗电磁干扰（EMI）的能力，如在许多家庭中，一些电源通信设备可能引发的电磁干扰等。为了消除这些顾虑，美国德州仪器公司所开发的Arc ShieldTM算法是不会受电磁干扰或其他类似的信号影响的。 可靠性的设计还应该考虑AFCI的性能和电源插头的电子机械属性上。美国德州仪器公司开发的Arc ShieldTM算法，能够满足AFCI技术的所有测试要求，包括 ：电弧的检测、UL1699标准规定以外的对误动作的抗干扰能力、以及对可能加入UL1699标准新版本的新型负载的兼容性。 例如，美国德州仪器公司开发的Arc ShieldTM 电源插头可以检测到类似0.5A的那样小的电弧。此外，AFCI技术还能确保对于两种不同的新型风扇速度控制器负载不发生误动作，而当前的一些家用AFCI断路器对于这些负载已发现有误动作现象。预计在新版的UL1699标准里会要求AFCI装置在此类负载下不能有误动作。正是因为美国德州仪器公司对技术、应用、标准等方面的系统研究，使得我们的AFCI算法更可靠、更实用。 另外，电源插头的电子机械属性方面也应该做得更可靠。为此，我们需要特别关注一下AFCI电源插头的机械触头系统（脱扣装置的一部分）。不良的机械触头系统会导致电源插头的故障，特别是在要求插头重复分断大电流的点接触测试（切断电源线测试）和相似的电弧测试时，机械触头系统的性能要被充分地考虑进去。如果机械触头系统设计不好的话，这些大电流可能会导致触头粘住、腐蚀，甚至出现严重的事故。 能知道插头是否已经动作。这是一个必须的功能，否则，电器使用者就无法知道他的电器是否在工作。 如此，美国德州仪器公司所开发的AFCI技术是一个非常完善的设计，我们采用了许多测试方法来确保AFCI的算法能可靠地检测电弧和防止误动作，并针对电器技术及其应用要求，采用了部分超越UL1699标准的测试手段来确保产品的“适用性”。此外，我们还充分考虑到了产品电子机械属性及产品外形的美观性等要求，确保提供即符合保护功能，又符合应用要求的可靠产品。6.3.3 AFCI装置的核心元件新的具有电弧检测功能的电路断路器需要新的全自动检测程序，电弧电流在任意时刻都能被高频元件明显标记，以计算机配备的测试装置能产生复杂的波形，然而先前功率等级的需求使得这项技术非常艰难而且昂贵。如今新技术的出现为AFCI装置的发展提供了新的动力，它大大减小了制造的复杂性，同时极大地简化最终产品的测试操作。用于检测电流的一个重用元件就是差动互感器。通常，用在断路器内的环绕式变压器的核心元件特别小，它没有饱和时不能处理整个负载电流，变压器核心元件饱和后，输出值不在正比于电流，下面有几种方法用以减小变压器的磁通，使它不在饱和。图6-8从线路电流中转移一小部分，使它穿过变压器核心。如果负载电流是10A，那么穿过变压器环形部分的分支电路的电流只有1A。当仅有一个变压器被用于检测线图6-8 线路（1）路电流时，对没有检测接地故障的断路器是非常有利的。图6-9利用一个带有空隙的核心元件，这将减小核心的磁性，但同时也增加了切断变压器的重要部分的低频，这使它变成了一种低频微分器。当在低频运行时分析，互感器的信号将变得更加复杂。由于笨重的中心线（零线）要从电流感应中心绕过，使得装配过程受到影响。图6-9 线路（2）自从这种断路器需要不同类型变压器作为电流传感器和接地故障感应技术，这种形状就引发了一场经济问题的争论，而且也导致了一个存放两种不同元件的技术问题。图6-10两个电流导体都穿过核心元件，核心元件调整位置在同于轴线上，同时使得一小部分电流从其中一个核心元件外面绕过，图6-10 线路（4）这样就能使电流和接地故障的中心元件有着不同的结构，而且减小了部分费用，装配也变得更简易。同时，额外的支路从物理学角度看就是一个小的导体，所以装配时尺寸并没有增加。图6-10和图6-11表明用于感应负载电流和接地故障泄露电流的变压器是如何方便地安装在两边的，以及两条线路是怎样通过它们的。这种形状比较紧凑，而且比较容易安装，通过在主流旁路安装一条线路穿过其中一台变压器，它感应的电流将和负载电流成正比。这样，核心元件磁饱和将被阻止，而且变压器输出保持线性状态，即使当负载电流是短路器处理速率的几倍。图6-11 部分线路电流从电流传感器旁绕过，所以输出仍是线形的穿过AFCI/GFCI装置的从负载电流中分支出的支流取决于集中设计因素，不过通常取5%10%。随着断路器最大设计电流的增加，它的为使核心元件的流量降低而减小支流部分。我们将发现能量减小的优点需要测试。在下面的讨论中，我们将假设支流是10%，因此，如负载中的电流是10A，1A的流量将从支路通过电流感应变压器，这说明变压器内有一净值流量对应为1A。电流互感器的输出量提供信号给电弧故障处理硬件和软件，接地故障互感器是一个独立的电路，下面将忽略。通常，电流互感器的模拟输出量将通过“模拟数字”转换器转变为数字信号，数字数据被送入微机处理。有些设备也许包括模拟过滤的不同阶段，而且优先扩大数字过程，但是变压器的输出量对电弧检测是很重要的。附录三相电弧短路电流计算void CChildFrame:OnDesignCalculate() int i, j, nl, n=2, f=50, nTotalSteps=10000;double t=0.0, tt, h=1.0/f/1000.0;d