1、基于Rogowski線圈監測開關開合電弧電流過程的研究    摘要:為了檢測開關的開合過程,在試驗中分別采用阻性、感性和容性負載,基于帶寬為3Hz 7·54MHz的Rogowski線圈電流傳感器,測量開關開合操作時電弧電流信號。當開關處于打開狀態時,采用滯后電弧電流作為描述間隙處于電流過零時的情形;當開關處于閉合狀態時,采用預擊穿電弧和蹦跳電弧作為表征連接表面狀態的參數。試驗結果顯示電流傳感器能夠有效獲得開關動作時的電弧電流,并且具有良好的動態和靜態特性,應用于在線監測開關開合過程是可行的。關鍵詞:Rogowski;電弧電流;電流傳感器;電弧時

2、間;開關開合0引言當電流在大氣中中斷或者關閉,只要電弧陽極區電壓處于1220V且斷開電流在0·251·0A,接觸間隙通常會產生一種導電氣體,這種氣體高溫強炙熱,被稱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閉。在開關中產生的電弧是開關電弧。羅戈夫斯基線圈具有較大的帶寬和較高的上升沿2-3,因此可用于微秒級上升沿的開關電弧電流脈沖測量。本文基于羅戈夫斯基線圈提出一種檢測開關打開和閉合過程的測量方法,并在阻性、感性和容性負載情況下進行了試驗,另外,本文還研究了當電流過零時發生電弧復燃的擊穿機理,并基于開關閉合時的電弧電流檢測間隙開合狀態。1試驗裝置1·

3、;1試驗電路如圖1所示,試驗電路包括50Hz交流電源、開關和負載。電路通過調壓器調節開關運行狀態提供試驗電流,提供開關開合時接近1A的50Hz電流。3種不同負載應用于試驗電路中,分別是50阻性負載、0·13H感性負載和35F感性負載。試驗電路斷路器采用的是220V商用氣體開關,采用羅戈夫斯基線圈電流傳感器測量電流,使用最大采樣率為10GHz的HP54645D型示波器。1·2電流傳感器參數基于羅戈夫斯基線圈的電流傳感器是根據電磁感應定律設計的。自積分式羅氏線圈澆制時,首先用銅線組成的線圈螺旋繞制在環狀坡莫合金材料的磁芯表面,然后返回最初點,形成基本線圈繞制,最后在始末兩端加入

4、無感電阻。當開關開合操作時,線路中的電流感應于線圈中,從而通過示波器獲得線圈電流信號。線圈的參數:內徑a=23 mm,外徑b=33mm,自感L=5·17H,互感M=97·49mH,匝數N=53,積分電阻R=10。1·3電流傳感器性能設計的電流傳感器必須能夠檢測開關開合時的暫態電流和電力系統穩態電流。以上要求需要線圈具有更寬的帶寬。圖2是在試驗中繪制的幅頻特性曲線,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特性的兩個主要參數,增益在線圈帶寬范圍內是常數,為14dB。圖3為相移特性,可看出相移小于1°,滿足開關開合的快脈沖

5、電流信號測量要求。2試驗結果和討論在每一個負載類型試驗中,試驗開關開合重復100次。并且開關開合的行為能夠被觀測和統計評估。此外,試驗次數也符合相應的IEC標準。2·1開關打開時電流和電壓曲線當開關在電流過零時,高頻暫態電流會在某些電路網絡中產生。一旦電流中斷,那么暫態恢復電壓在開關間隙間出現。此刻,連接間隙的介質強度和暫態恢復電壓之間的競爭就出現了。如果恢復電壓超過了介質擊穿強度,那么間隙間的電弧就會再次出現。文中電弧時間的計算和定義主要是開關開合時電壓波形發生畸變,即產生過電壓時,計算電壓發生尖波或者陡波持續的時間。圖4顯示的是在阻性負載時電流和電壓波形。從圖中可以看出兩次電弧之

6、間沒有滯后電弧電流出現。兩次電弧發生間隔為3 ms。因為介質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恢復電壓,因此電弧重燃。圖5顯示的是在感性負載時的電流和電壓波形。兩次電弧之間有滯后電流出現,并且兩次電弧發生間隔為0·5ms。原因是電流幅值和電弧時間能夠提供一種連續的熱過負荷。此外,電感負荷的電磁能量隨著持續重燃會導致暫態過電壓。圖6是開關在電容負荷時開路電流和電壓波形。電容電流不是標準的正弦波,因為電容能夠耦合高頻分量。電流在第一個過零處中斷了,此刻,連接間隙距離仍然增加。盡管電容持續提供電流,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、持續時間對于開關中斷行為的影響試驗中通過控制連接點時刻,研究電流中斷行為和電弧持續時間的關系。圖7顯示的是在負載為電阻的情況下,從1·54·0ms電弧持續時間的概率分布情況。隨著電弧持續時間的增加,重燃概率首先是減少,在大約2·5ms時, 100次試驗中電弧重燃沒有發生。電弧持續時間大于2·5ms時,重燃概率再次上升。由于間隙間熱應力削弱間隙之間的介質強度,因此這種分布發生在任何3種類型的負載試驗中。2·3開關閉合時電流和電壓波形預擊穿發生在間隙閉合之前的幾個微秒間。圖8顯示的是在阻性負載情況下的電流和電壓波形。在連接之前,在25%的開關操作情

8、況下由于蹦跳電弧導致預擊穿,其它75%情況下,沒有發生電弧。在阻性負載情況下,電路中的預擊穿電弧和蹦跳電弧是一樣的電流。這里預擊穿電壓指開關開合操作時開關電壓波形出現過電壓的數值。蹦跳電弧主要是指通過羅氏線圈測量得到的電弧過電流波形。圖9是在感性負載下電流和電壓波形。在連接之前,一個緩慢上升的電流隨著預擊穿產生。在20%的開關操作情況下,蹦跳電弧發生,其它80%情況下,沒有發現蹦跳電弧。圖10是一個在容性負載情況下開關操作的波形,出現了一個尖峰電流。在預擊穿開始時,阻尼式的尖峰電流出現了,阻尼式的過電壓與尖峰電流的頻率是一致的。預擊穿帶著高幅值的尖峰電流,并且沒有發生蹦跳電弧。2·4

9、電弧持續時間對操作行為的影響在試驗電路的操作中,雖然擊穿發生在開關觸頭之間的不同距離和不同時刻,但在觸頭間距較小時擊穿電壓正比于間隙距離4-6。那么,電弧持續時間取決于間隙連接的速度。因此,間隙連接速度越快,間隙連接時間越短。由于開關開合時通常是電壓過零處(以過零處為零相位),那么連接速度越快,開關開合相角越小,越接近零值。圖11是在阻性負載情況下從1cm/s到4cm/s4種不同開關閉合速度與電弧持續時間的關系曲線。測量預擊穿電弧導致的電流值與蹦跳電弧電流是區分開來的7。隨著開關閉合時間的增加,預擊穿電弧持續時間增加;當開關閉合速度增加時,蹦跳電弧持續時間也就增加了。當開關閉合速度到達4cm/

10、s時,蹦跳電弧時間長于預擊穿電弧時間。如果第一次撞擊連接后連接處沒有連接上,那么緊接著蹦跳電弧電流就會發生。這種行為可以在感性負載試驗中體現。由于電路在容性負載下,開關開合不存在蹦跳電弧,僅存在預擊穿電弧,因此電路中電弧持續時間僅包含預擊穿電弧持續時間。開關閉合速度越快,電弧持續時間越短,如圖12所示。此外,尖峰電流與負載電流相互獨立且僅取決于容性負載。試驗中,電流足夠高就可導致間隙連接,且電弧持續時間隨著開關閉合速度的增加而減少。3結束語本文提出了一種使用羅氏線圈電流傳感器的非破壞性方法檢測開關打開和閉合過程。試驗結果顯示電流傳感器能夠有效獲得開關動作時的電弧電流,且傳感器具有良好的動態和靜

11、態特性。電流過零研究能夠描述間隙在重燃時的狀態。開關閉合時的預擊穿電弧和蹦跳電弧能夠表征和判斷觸頭之間開合情況。參考文獻 1 奚慧平.高壓電路中的電弧現象分析J.麗水師范?？茖W校學報, 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測量線圈仿真研究J.高電壓技術, 2002(8), 28(8): 11-13. 3 戴建華,李開成.基于Rogowski線圈的大電流測量J.高電壓技術, 2002, 28(1): 6-7. 4 Wiggens C M, et al, Measurement of switchingtransients in

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