基于Rogowski線(xiàn)圈監(jiān)測(cè)開(kāi)關(guān)開(kāi)合電弧電流過(guò)程的研究

1、基于Rogowski線(xiàn)圈監(jiān)測(cè)開(kāi)關(guān)開(kāi)合電弧電流過(guò)程的研究    摘要:為了檢測(cè)開(kāi)關(guān)的開(kāi)合過(guò)程,在試驗(yàn)中分別采用阻性、感性和容性負(fù)載,基于帶寬為3Hz 7·54MHz的Rogowski線(xiàn)圈電流傳感器,測(cè)量開(kāi)關(guān)開(kāi)合操作時(shí)電弧電流信號(hào)。當(dāng)開(kāi)關(guān)處于打開(kāi)狀態(tài)時(shí),采用滯后電弧電流作為描述間隙處于電流過(guò)零時(shí)的情形;當(dāng)開(kāi)關(guān)處于閉合狀態(tài)時(shí),采用預(yù)擊穿電弧和蹦跳電弧作為表征連接表面狀態(tài)的參數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果顯示電流傳感器能夠有效獲得開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)的電弧電流,并且具有良好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性,應(yīng)用于在線(xiàn)監(jiān)測(cè)開(kāi)關(guān)開(kāi)合過(guò)程是可行的。關(guān)鍵詞:Rogowski;電弧電流;電流傳感器;電弧時(shí)

2、間;開(kāi)關(guān)開(kāi)合0引言當(dāng)電流在大氣中中斷或者關(guān)閉,只要電弧陽(yáng)極區(qū)電壓處于1220V且斷開(kāi)電流在0·251·0A,接觸間隙通常會(huì)產(chǎn)生一種導(dǎo)電氣體,這種氣體高溫強(qiáng)炙熱,被稱(chēng)為電弧或者低溫等離子體1。直到電弧熄滅,電流才能被中斷或者關(guān)閉。在開(kāi)關(guān)中產(chǎn)生的電弧是開(kāi)關(guān)電弧。羅戈夫斯基線(xiàn)圈具有較大的帶寬和較高的上升沿2-3,因此可用于微秒級(jí)上升沿的開(kāi)關(guān)電弧電流脈沖測(cè)量。本文基于羅戈夫斯基線(xiàn)圈提出一種檢測(cè)開(kāi)關(guān)打開(kāi)和閉合過(guò)程的測(cè)量方法,并在阻性、感性和容性負(fù)載情況下進(jìn)行了試驗(yàn),另外,本文還研究了當(dāng)電流過(guò)零時(shí)發(fā)生電弧復(fù)燃的擊穿機(jī)理,并基于開(kāi)關(guān)閉合時(shí)的電弧電流檢測(cè)間隙開(kāi)合狀態(tài)。1試驗(yàn)裝置1·

3、;1試驗(yàn)電路如圖1所示,試驗(yàn)電路包括50Hz交流電源、開(kāi)關(guān)和負(fù)載。電路通過(guò)調(diào)壓器調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)運(yùn)行狀態(tài)提供試驗(yàn)電流,提供開(kāi)關(guān)開(kāi)合時(shí)接近1A的50Hz電流。3種不同負(fù)載應(yīng)用于試驗(yàn)電路中,分別是50阻性負(fù)載、0·13H感性負(fù)載和35F感性負(fù)載。試驗(yàn)電路斷路器采用的是220V商用氣體開(kāi)關(guān),采用羅戈夫斯基線(xiàn)圈電流傳感器測(cè)量電流,使用最大采樣率為10GHz的HP54645D型示波器。1·2電流傳感器參數(shù)基于羅戈夫斯基線(xiàn)圈的電流傳感器是根據(jù)電磁感應(yīng)定律設(shè)計(jì)的。自積分式羅氏線(xiàn)圈澆制時(shí),首先用銅線(xiàn)組成的線(xiàn)圈螺旋繞制在環(huán)狀坡莫合金材料的磁芯表面,然后返回最初點(diǎn),形成基本線(xiàn)圈繞制,最后在始末兩端加入

4、無(wú)感電阻。當(dāng)開(kāi)關(guān)開(kāi)合操作時(shí),線(xiàn)路中的電流感應(yīng)于線(xiàn)圈中,從而通過(guò)示波器獲得線(xiàn)圈電流信號(hào)。線(xiàn)圈的參數(shù):內(nèi)徑a=23 mm,外徑b=33mm,自感L=5·17H,互感M=97·49mH,匝數(shù)N=53,積分電阻R=10。1·3電流傳感器性能設(shè)計(jì)的電流傳感器必須能夠檢測(cè)開(kāi)關(guān)開(kāi)合時(shí)的暫態(tài)電流和電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)電流。以上要求需要線(xiàn)圈具有更寬的帶寬。圖2是在試驗(yàn)中繪制的幅頻特性曲線(xiàn),繞組的帶寬大約是3Hz7·54MHz。增益和相移是判斷電流傳感器靜態(tài)特性的兩個(gè)主要參數(shù),增益在線(xiàn)圈帶寬范圍內(nèi)是常數(shù),為14dB。圖3為相移特性,可看出相移小于1°,滿(mǎn)足開(kāi)關(guān)開(kāi)合的快脈沖

5、電流信號(hào)測(cè)量要求。2試驗(yàn)結(jié)果和討論在每一個(gè)負(fù)載類(lèi)型試驗(yàn)中,試驗(yàn)開(kāi)關(guān)開(kāi)合重復(fù)100次。并且開(kāi)關(guān)開(kāi)合的行為能夠被觀測(cè)和統(tǒng)計(jì)評(píng)估。此外,試驗(yàn)次數(shù)也符合相應(yīng)的IEC標(biāo)準(zhǔn)。2·1開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)電流和電壓曲線(xiàn)當(dāng)開(kāi)關(guān)在電流過(guò)零時(shí),高頻暫態(tài)電流會(huì)在某些電路網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生。一旦電流中斷,那么暫態(tài)恢復(fù)電壓在開(kāi)關(guān)間隙間出現(xiàn)。此刻,連接間隙的介質(zhì)強(qiáng)度和暫態(tài)恢復(fù)電壓之間的競(jìng)爭(zhēng)就出現(xiàn)了。如果恢復(fù)電壓超過(guò)了介質(zhì)擊穿強(qiáng)度,那么間隙間的電弧就會(huì)再次出現(xiàn)。文中電弧時(shí)間的計(jì)算和定義主要是開(kāi)關(guān)開(kāi)合時(shí)電壓波形發(fā)生畸變,即產(chǎn)生過(guò)電壓時(shí),計(jì)算電壓發(fā)生尖波或者陡波持續(xù)的時(shí)間。圖4顯示的是在阻性負(fù)載時(shí)電流和電壓波形。從圖中可以看出兩次電弧之

6、間沒(méi)有滯后電弧電流出現(xiàn)。兩次電弧發(fā)生間隔為3 ms。因?yàn)榻橘|(zhì)耐受能力隨著間隙距離的增加而增加,間隙距離太小不能耐受住介質(zhì)恢復(fù)電壓,因此電弧重燃。圖5顯示的是在感性負(fù)載時(shí)的電流和電壓波形。兩次電弧之間有滯后電流出現(xiàn),并且兩次電弧發(fā)生間隔為0·5ms。原因是電流幅值和電弧時(shí)間能夠提供一種連續(xù)的熱過(guò)負(fù)荷。此外,電感負(fù)荷的電磁能量隨著持續(xù)重燃會(huì)導(dǎo)致暫態(tài)過(guò)電壓。圖6是開(kāi)關(guān)在電容負(fù)荷時(shí)開(kāi)路電流和電壓波形。電容電流不是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波,因?yàn)殡娙菽軌蝰詈细哳l分量。電流在第一個(gè)過(guò)零處中斷了,此刻,連接間隙距離仍然增加。盡管電容持續(xù)提供電流,但是間隙處的電壓在電流中斷后又上升至電容的殘。2·2電弧

7、持續(xù)時(shí)間對(duì)于開(kāi)關(guān)中斷行為的影響試驗(yàn)中通過(guò)控制連接點(diǎn)時(shí)刻,研究電流中斷行為和電弧持續(xù)時(shí)間的關(guān)系。圖7顯示的是在負(fù)載為電阻的情況下,從1·54·0ms電弧持續(xù)時(shí)間的概率分布情況。隨著電弧持續(xù)時(shí)間的增加,重燃概率首先是減少,在大約2·5ms時(shí), 100次試驗(yàn)中電弧重燃沒(méi)有發(fā)生。電弧持續(xù)時(shí)間大于2·5ms時(shí),重燃概率再次上升。由于間隙間熱應(yīng)力削弱間隙之間的介質(zhì)強(qiáng)度,因此這種分布發(fā)生在任何3種類(lèi)型的負(fù)載試驗(yàn)中。2·3開(kāi)關(guān)閉合時(shí)電流和電壓波形預(yù)擊穿發(fā)生在間隙閉合之前的幾個(gè)微秒間。圖8顯示的是在阻性負(fù)載情況下的電流和電壓波形。在連接之前,在25%的開(kāi)關(guān)操作情

8、況下由于蹦跳電弧導(dǎo)致預(yù)擊穿,其它75%情況下,沒(méi)有發(fā)生電弧。在阻性負(fù)載情況下,電路中的預(yù)擊穿電弧和蹦跳電弧是一樣的電流。這里預(yù)擊穿電壓指開(kāi)關(guān)開(kāi)合操作時(shí)開(kāi)關(guān)電壓波形出現(xiàn)過(guò)電壓的數(shù)值。蹦跳電弧主要是指通過(guò)羅氏線(xiàn)圈測(cè)量得到的電弧過(guò)電流波形。圖9是在感性負(fù)載下電流和電壓波形。在連接之前,一個(gè)緩慢上升的電流隨著預(yù)擊穿產(chǎn)生。在20%的開(kāi)關(guān)操作情況下,蹦跳電弧發(fā)生,其它80%情況下,沒(méi)有發(fā)現(xiàn)蹦跳電弧。圖10是一個(gè)在容性負(fù)載情況下開(kāi)關(guān)操作的波形,出現(xiàn)了一個(gè)尖峰電流。在預(yù)擊穿開(kāi)始時(shí),阻尼式的尖峰電流出現(xiàn)了,阻尼式的過(guò)電壓與尖峰電流的頻率是一致的。預(yù)擊穿帶著高幅值的尖峰電流,并且沒(méi)有發(fā)生蹦跳電弧。2·4

9、電弧持續(xù)時(shí)間對(duì)操作行為的影響在試驗(yàn)電路的操作中,雖然擊穿發(fā)生在開(kāi)關(guān)觸頭之間的不同距離和不同時(shí)刻,但在觸頭間距較小時(shí)擊穿電壓正比于間隙距離4-6。那么,電弧持續(xù)時(shí)間取決于間隙連接的速度。因此,間隙連接速度越快,間隙連接時(shí)間越短。由于開(kāi)關(guān)開(kāi)合時(shí)通常是電壓過(guò)零處(以過(guò)零處為零相位),那么連接速度越快,開(kāi)關(guān)開(kāi)合相角越小,越接近零值。圖11是在阻性負(fù)載情況下從1cm/s到4cm/s4種不同開(kāi)關(guān)閉合速度與電弧持續(xù)時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn)。測(cè)量預(yù)擊穿電弧導(dǎo)致的電流值與蹦跳電弧電流是區(qū)分開(kāi)來(lái)的7。隨著開(kāi)關(guān)閉合時(shí)間的增加,預(yù)擊穿電弧持續(xù)時(shí)間增加;當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合速度增加時(shí),蹦跳電弧持續(xù)時(shí)間也就增加了。當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合速度到達(dá)4cm/

10、s時(shí),蹦跳電弧時(shí)間長(zhǎng)于預(yù)擊穿電弧時(shí)間。如果第一次撞擊連接后連接處沒(méi)有連接上,那么緊接著蹦跳電弧電流就會(huì)發(fā)生。這種行為可以在感性負(fù)載試驗(yàn)中體現(xiàn)。由于電路在容性負(fù)載下,開(kāi)關(guān)開(kāi)合不存在蹦跳電弧,僅存在預(yù)擊穿電弧,因此電路中電弧持續(xù)時(shí)間僅包含預(yù)擊穿電弧持續(xù)時(shí)間。開(kāi)關(guān)閉合速度越快,電弧持續(xù)時(shí)間越短,如圖12所示。此外,尖峰電流與負(fù)載電流相互獨(dú)立且僅取決于容性負(fù)載。試驗(yàn)中,電流足夠高就可導(dǎo)致間隙連接,且電弧持續(xù)時(shí)間隨著開(kāi)關(guān)閉合速度的增加而減少。3結(jié)束語(yǔ)本文提出了一種使用羅氏線(xiàn)圈電流傳感器的非破壞性方法檢測(cè)開(kāi)關(guān)打開(kāi)和閉合過(guò)程。試驗(yàn)結(jié)果顯示電流傳感器能夠有效獲得開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)的電弧電流,且傳感器具有良好的動(dòng)態(tài)和靜

11、態(tài)特性。電流過(guò)零研究能夠描述間隙在重燃時(shí)的狀態(tài)。開(kāi)關(guān)閉合時(shí)的預(yù)擊穿電弧和蹦跳電弧能夠表征和判斷觸頭之間開(kāi)合情況。參考文獻(xiàn) 1 奚慧平.高壓電路中的電弧現(xiàn)象分析J.麗水師范專(zhuān)科學(xué)校學(xué)報(bào), 2002, 24(5): 43-46. 2 李維波,毛承雄,李啟炎,等.陡脈沖大電流的Ro-gowski測(cè)量線(xiàn)圈仿真研究J.高電壓技術(shù), 2002(8), 28(8): 11-13. 3 戴建華,李開(kāi)成.基于Rogowski線(xiàn)圈的大電流測(cè)量J.高電壓技術(shù), 2002, 28(1): 6-7. 4 Wiggens C M, et al, Measurement of switchingtransients in

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