基于Rogowski线圈监测开关开合电弧电流过程的研究

1、基于Rogowski线圈监测开关开合电弧电流过程的研究    摘要:为了检测开关的开合过程,在试验中分别采用阻性、感性和容性负载,基于带宽为3Hz 7·54MHz的Rogowski线圈电流传感器,测量开关开合操作时电弧电流信号。当开关处于打开状态时,采用滞后电弧电流作为描述间隙处于电流过零时的情形;当开关处于闭合状态时,采用预击穿电弧和蹦跳电弧作为表征连接表面状态的参数。试验结果显示电流传感器能够有效获得开关动作时的电弧电流,并且具有良好的动态和静态特性,应用于在线监测开关开合过程是可行的。关键词:Rogowski;电弧电流;电流传感器;电弧时

2、间;开关开合0引言当电流在大气中中断或者关闭,只要电弧阳极区电压处于1220V且断开电流在0·251·0A,接触间隙通常会产生一种导电气体,这种气体高温强炙热,被称为电弧或者低温等离子体1。直到电弧熄灭,电流才能被中断或者关闭。在开关中产生的电弧是开关电弧。罗戈夫斯基线圈具有较大的带宽和较高的上升沿2-3,因此可用于微秒级上升沿的开关电弧电流脉冲测量。本文基于罗戈夫斯基线圈提出一种检测开关打开和闭合过程的测量方法,并在阻性、感性和容性负载情况下进行了试验,另外,本文还研究了当电流过零时发生电弧复燃的击穿机理,并基于开关闭合时的电弧电流检测间隙开合状态。1试验装置1·

3、;1试验电路如图1所示,试验电路包括50Hz交流电源、开关和负载。电路通过调压器调节开关运行状态提供试验电流,提供开关开合时接近1A的50Hz电流。3种不同负载应用于试验电路中,分别是50阻性负载、0·13H感性负载和35F感性负载。试验电路断路器采用的是220V商用气体开关,采用罗戈夫斯基线圈电流传感器测量电流,使用最大采样率为10GHz的HP54645D型示波器。1·2电流传感器参数基于罗戈夫斯基线圈的电流传感器是根据电磁感应定律设计的。自积分式罗氏线圈浇制时,首先用铜线组成的线圈螺旋绕制在环状坡莫合金材料的磁芯表面,然后返回最初点,形成基本线圈绕制,最后在始末两端加入

4、无感电阻。当开关开合操作时,线路中的电流感应于线圈中,从而通过示波器获得线圈电流信号。线圈的参数:内径a=23 mm,外径b=33mm,自感L=5·17H,互感M=97·49mH,匝数N=53,积分电阻R=10。1·3电流传感器性能设计的电流传感器必须能够检测开关开合时的暂态电流和电力系统稳态电流。以上要求需要线圈具有更宽的带宽。图2是在试验中绘制的幅频特性曲线,绕组的带宽大约是3Hz7·54MHz。增益和相移是判断电流传感器静态特性的两个主要参数,增益在线圈带宽范围内是常数,为14dB。图3为相移特性,可看出相移小于1°,满足开关开合的快脉冲

5、电流信号测量要求。2试验结果和讨论在每一个负载类型试验中,试验开关开合重复100次。并且开关开合的行为能够被观测和统计评估。此外,试验次数也符合相应的IEC标准。2·1开关打开时电流和电压曲线当开关在电流过零时,高频暂态电流会在某些电路网络中产生。一旦电流中断,那么暂态恢复电压在开关间隙间出现。此刻,连接间隙的介质强度和暂态恢复电压之间的竞争就出现了。如果恢复电压超过了介质击穿强度,那么间隙间的电弧就会再次出现。文中电弧时间的计算和定义主要是开关开合时电压波形发生畸变,即产生过电压时,计算电压发生尖波或者陡波持续的时间。图4显示的是在阻性负载时电流和电压波形。从图中可以看出两次电弧之

6、间没有滞后电弧电流出现。两次电弧发生间隔为3 ms。因为介质耐受能力随着间隙距离的增加而增加,间隙距离太小不能耐受住介质恢复电压,因此电弧重燃。图5显示的是在感性负载时的电流和电压波形。两次电弧之间有滞后电流出现,并且两次电弧发生间隔为0·5ms。原因是电流幅值和电弧时间能够提供一种连续的热过负荷。此外,电感负荷的电磁能量随着持续重燃会导致暂态过电压。图6是开关在电容负荷时开路电流和电压波形。电容电流不是标准的正弦波,因为电容能够耦合高频分量。电流在第一个过零处中断了,此刻,连接间隙距离仍然增加。尽管电容持续提供电流,但是间隙处的电压在电流中断后又上升至电容的残。2·2电弧

7、持续时间对于开关中断行为的影响试验中通过控制连接点时刻,研究电流中断行为和电弧持续时间的关系。图7显示的是在负载为电阻的情况下,从1·54·0ms电弧持续时间的概率分布情况。随着电弧持续时间的增加,重燃概率首先是减少,在大约2·5ms时, 100次试验中电弧重燃没有发生。电弧持续时间大于2·5ms时,重燃概率再次上升。由于间隙间热应力削弱间隙之间的介质强度,因此这种分布发生在任何3种类型的负载试验中。2·3开关闭合时电流和电压波形预击穿发生在间隙闭合之前的几个微秒间。图8显示的是在阻性负载情况下的电流和电压波形。在连接之前,在25%的开关操作情

8、况下由于蹦跳电弧导致预击穿,其它75%情况下,没有发生电弧。在阻性负载情况下,电路中的预击穿电弧和蹦跳电弧是一样的电流。这里预击穿电压指开关开合操作时开关电压波形出现过电压的数值。蹦跳电弧主要是指通过罗氏线圈测量得到的电弧过电流波形。图9是在感性负载下电流和电压波形。在连接之前,一个缓慢上升的电流随着预击穿产生。在20%的开关操作情况下,蹦跳电弧发生,其它80%情况下,没有发现蹦跳电弧。图10是一个在容性负载情况下开关操作的波形,出现了一个尖峰电流。在预击穿开始时,阻尼式的尖峰电流出现了,阻尼式的过电压与尖峰电流的频率是一致的。预击穿带着高幅值的尖峰电流,并且没有发生蹦跳电弧。2·4

9、电弧持续时间对操作行为的影响在试验电路的操作中,虽然击穿发生在开关触头之间的不同距离和不同时刻,但在触头间距较小时击穿电压正比于间隙距离4-6。那么,电弧持续时间取决于间隙连接的速度。因此,间隙连接速度越快,间隙连接时间越短。由于开关开合时通常是电压过零处(以过零处为零相位),那么连接速度越快,开关开合相角越小,越接近零值。图11是在阻性负载情况下从1cm/s到4cm/s4种不同开关闭合速度与电弧持续时间的关系曲线。测量预击穿电弧导致的电流值与蹦跳电弧电流是区分开来的7。随着开关闭合时间的增加,预击穿电弧持续时间增加;当开关闭合速度增加时,蹦跳电弧持续时间也就增加了。当开关闭合速度到达4cm/

10、s时,蹦跳电弧时间长于预击穿电弧时间。如果第一次撞击连接后连接处没有连接上,那么紧接着蹦跳电弧电流就会发生。这种行为可以在感性负载试验中体现。由于电路在容性负载下,开关开合不存在蹦跳电弧,仅存在预击穿电弧,因此电路中电弧持续时间仅包含预击穿电弧持续时间。开关闭合速度越快,电弧持续时间越短,如图12所示。此外,尖峰电流与负载电流相互独立且仅取决于容性负载。试验中,电流足够高就可导致间隙连接,且电弧持续时间随着开关闭合速度的增加而减少。3结束语本文提出了一种使用罗氏线圈电流传感器的非破坏性方法检测开关打开和闭合过程。试验结果显示电流传感器能够有效获得开关动作时的电弧电流,且传感器具有良好的动态和静

11、态特性。电流过零研究能够描述间隙在重燃时的状态。开关闭合时的预击穿电弧和蹦跳电弧能够表征和判断触头之间开合情况。参考文献 1 奚慧平.高压电路中的电弧现象分析J.丽水师范专科学校学报, 2002, 24(5): 43-46. 2 李维波,毛承雄,李启炎,等.陡脉冲大电流的Ro-gowski测量线圈仿真研究J.高电压技术, 2002(8), 28(8): 11-13. 3 戴建华,李开成.基于Rogowski线圈的大电流测量J.高电压技术, 2002, 28(1): 6-7. 4 Wiggens C M, et al, Measurement of switchingtransients in

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