1、煤矿串联型故障电弧的研究现状煤矿串联型故障电弧的研究现状 郭凤仪郭凤仪 教授教授 2013.10.29 太原太原故障电弧的基本概念故障电弧的基本概念主要内容 1 1 2 2 4 4 3 3故障电弧的研究成果故障电弧的研究成果亟需解决的关键问题亟需解决的关键问题故障电弧研究的发展趋势故障电弧研究的发展趋势 故障电弧：除了正常电弧以外的非正常电弧。分为串联电弧和并联电弧。 它是一种气体电离现象，它是一种气体电离现象，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，它则是一种随时间变化的非线性电阻元件。故障电弧定义故障电弧定义故障电弧
2、效应故障电弧效应 近年来，煤矿发生多起因故障电弧引发的电气近年来，煤矿发生多起因故障电弧引发的电气火灾事故。据资料显示，煤矿井下由故障电弧引火灾事故。据资料显示，煤矿井下由故障电弧引起的电缆失火、电连接器接触故障、开关接线箱起的电缆失火、电连接器接触故障、开关接线箱烧蚀等问题引起的火灾事故占烧蚀等问题引起的火灾事故占50%50%以上。供电线以上。供电线路上的电弧按操作形式可分为两种，一种是正常路上的电弧按操作形式可分为两种，一种是正常操作电弧；另一种是指非正常操作产生的电弧，操作电弧；另一种是指非正常操作产生的电弧，即故障电弧。即故障电弧。煤矿井下的故障电弧煤矿井下的故障电弧人身触电伤害人身触
3、电伤害瓦斯爆炸瓦斯爆炸故障电弧故障电弧设备损坏设备损坏电气火灾电气火灾煤矿井下故障电弧的危害煤矿井下故障电弧的危害 经调查研究，串联型故障电弧已成为影响煤矿安全的重要因素。为了避免故障电弧引起火灾和人身伤害，需要在故障电弧引起火灾和人身伤害前迅速切断电路。因而对串联型故障电弧特性及其变化规律进行深入研究，寻找准确、有效的串联型故障电弧检测方法，研制煤矿故障电弧检测装置，对于提高供电质量，保证煤矿系统的安全性具有重要意义。研究煤矿井下故障电弧的意义研究煤矿井下故障电弧的意义故障电弧故障电弧接地或短路接地或短路接触不良而引起接触不良而引起的空气放电的空气放电故障电弧产生的原因故障电弧产生的原因绝缘
4、碳化或绝缘碳化或外力损伤外力损伤 当导线的绝缘层破损老化或者因外力损伤时，导线之间就可能产生泄漏电流或火花放电，它们产生的热量有可能使绝缘裂解，在导线之间形成导电的碳化通道。对于煤矿井下铺设巷道内的电缆，由于长期处于阴暗潮湿的环境下运行，周围的潮气极易入侵到电缆内部，从而产生绝缘下降并击穿绝缘层，当线路产生短时过电流等故障时极易产生故障电弧。绝缘碳化或外力损伤：绝缘碳化或外力损伤：故障电弧引起的接线柱损坏 绝缘层破损普通导线和碳化导线 当两个载流导体接触不良时，接触处的电场强度很大，从而发生接触处的气体电离和导体材料的发射，当接触处的电离度足够大时，绝缘强度下降而发生击穿，就会喷出大量的电离气
5、体并形成故障电弧。燃烧是产生故障电弧引起火灾最普遍的原因。接触不良而引起的气体电离接触不良而引起的气体电离： 接地或短路是并联电弧，如下图所示。接地或短路接地或短路 导体松弛连接导体松弛连接产生的电弧造成的损坏产生的电弧造成的损坏 配电柜中持续配电柜中持续电弧造成的损坏电弧造成的损坏母线连接点的母线连接点的串联故障电弧串联故障电弧 电开关中真空开关管电开关中真空开关管被电弧烧穿造成对地短路被电弧烧穿造成对地短路故障电弧引起的破坏故障电弧引起的破坏电弧消失后不能熄灭的弧电弧消失后不能熄灭的弧1 1）电压和电流波形中存在高频噪声分量；）电压和电流波形中存在高频噪声分量；2 2）电弧电流上升速率一般
6、比正常电流快；）电弧电流上升速率一般比正常电流快；3 3）电弧的形态极易改变）电弧的形态极易改变, ,是一个高度非线性的时变过程是一个高度非线性的时变过程, ,电弧电弧的电流基本为正弦波形的电流基本为正弦波形, ,电弧的电压和电流同时过零点；电弧的电压和电流同时过零点；4 4）电弧的等效电阻不是常数）电弧的等效电阻不是常数, ,在零区较大；在零区较大；5 5）电弧电压变化率在零区较其它时间大）电弧电压变化率在零区较其它时间大, ,在电流过零时最大。在电流过零时最大。故障电弧特性研究故障电弧特性研究故障电弧的研究现状故障电弧的研究现状故障电弧实验装置的研究故障电弧实验装置的研究电弧发生器结构示意
7、图电弧发生器结构示意图电弧发生器电弧发生器串联型故障电弧实验装置电路图串联型故障电弧实验装置电路图电弧发展过程电弧发展过程故障电弧检测方法的研究故障电弧检测方法的研究物理效应物理效应弧光弧光压力压力振动振动弧声弧声温度温度预警检测预警检测电流电流电压电压1、以弧声幅值、短路电流作为判据，设定合适的幅值阀值，建立报警系统。2、检测装置对电流信号进行采样，在电流信号满足幅值小于正常工作电流的幅值或者波形在过零点处有平肩部现象,并且满足波形正负半周不对称或波形陡峭的情况下,认为有故障电弧产生。检检测方法测方法3、弧声出现前后能量变化明显的频带，可以作为识别早期弧声的特征参数。通过在线监测信号特征子频
8、带能量的变化即可判断早期故障弧声是否存在，从而实现故障电弧的早期预测预警。4、利用了大电流情况下电弧发生时剧烈的弧光效应，通过对这一明显物理特征的检测进而分析其频谱特征，提取电弧识别参数，结合对电弧电流的检测，实现双判据进而提供对母线、配电柜等系统的有效保护。AFCI 的应用已十分广泛，从家用到汽车、航空航天等的应用已十分广泛，从家用到汽车、航空航天等领域，产品种类也多种多样，下图所示为国外电气公领域，产品种类也多种多样，下图所示为国外电气公司已开发出的若干种用于支线保护的司已开发出的若干种用于支线保护的 AFCI 产品。产品。伊顿电气生产的家庭用伊顿电气生产的家庭用 AFCI德州仪器生产的飞
9、机用德州仪器生产的飞机用 AFCI通用电气生产的通用电气生产的 AFCI1.实验装置不精确实验装置不精确2.故障电弧特征点捕捉不统一故障电弧特征点捕捉不统一3.不同电压等级下的检测不同电压等级下的检测4.故障断路器误动作故障断路器误动作亟需解决的关键问题亟需解决的关键问题故障电弧研究的发展趋势故障电弧研究的发展趋势（1 1）对故障电弧检测应做到电弧发生之前作出）对故障电弧检测应做到电弧发生之前作出预警预警，将，将故障电弧消失在萌芽中。故障电弧消失在萌芽中。 （2 2）对串联型故障电弧特性研究没有形成具体的统一的）对串联型故障电弧特性研究没有形成具体的统一的理论，今后应深入开展对串联型故障电弧理论，今后应深入开展对串联型故障电弧特性特性的研究。的研究。（3 3）目前对串联型故障电弧的研究主要集中于低压领）目前对串联型故障电弧的研究主要集中于低压领 域，今后的研究工作应向中域，今后的研究工作应向中高压高压领域延伸。领域延伸。
