直流系统中直流电弧的研究与实践

王新想 严建海 王静 熊天龙 李浩

摘 要：直流配电过程中直流负荷或相关电气开关开断时可能存在燃弧问题。本文旨在探索直流电弧相关知识，研究直流电弧的产生原因和特性，探讨不同负载特性条件下直流电弧的起弧情况，并给出实际实验结果，为后续应对低压直流配电系统中的电弧问题提供参考。

关键词：直流系统;电气开关开断;直流电弧

中图分类号：TM135文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）19-0132-03

Abstract： There may be arc-pulling problems when DC load or related electrical switches are interrupted in DC distribution process. The purpose of this paper was to explore relevant knowledge of DC arc， to study the causes and characteristics of DC arc， to explore the arc-starting situation of DC arc under different load characteristics， and to give the actual experimental results for subsequent response. The arc problem in low voltage DC distribution system can be referred to this article.

Keywords： DC system;electrical switch off;DC arc

隨着电力电子技术的不断发展及直流负载的大量涌现，直流系统在分布式能源、新能源汽车、数据机房、船舶、电网储能、智能楼宇等系统中得到了大量应用。在直流系统中，如果发生设备老化、导线绝缘下降、接线端子或金属接头松动以及线路发生开路或接地等现象，极易伴随直流电弧的产生。一方面电弧的能量集中，温度很高，容易使故障范围快速扩大，损坏导线绝缘，点燃附近的可燃物，造成火灾甚至发生爆炸，威胁供电电源和控制电路的安全运行;另一方面，由于直流电弧的随机性和不稳定性，导致其不易熄灭且难以检测，威胁各种电力电子系统的安全运行，容易引发火灾、爆炸等安全事故。因此，研究直流电弧的电气特性对直流供配电系统安全操作意义重大。

1 电弧现象概述

1.1 电弧现象的特点

在有金属触点的电器中，触头接通和分断电流的过程中如果伴随气体放电的现象，就称为电弧[1]。电弧现象具有如下特点[2]：①电弧是气体中的一股强烈电子流，属于气体放电的一种形式，在外力作用下很容易弯曲变形;②电弧是由阴极区、阳极区、弧柱区三部分组成，电弧的外观像一团亮度极高、温度极高的火花;③电子的源泉是阴极，接受电子的是阳极;④产生的极限条件：电路中的电流和电压必须大于某一最小生弧电流（[ISH]）和最小生弧电压（[USH]），在大气中开断电路时，电压大于10～20 V，电流大于250 mA的电路时，就会发生电弧。

1.2 电弧的结构

电弧结构图如图1所示。

1.3 电弧的产生

在工程实践中，电弧的产生途径一般包括电路进行开断时产生的操作电弧，或者因为绝缘下降导致的真空和气体间隙的击穿，整个电弧从产生到出现会经历暗放电、辉光放电、火花放电直至电弧放电的过程。

1.4 电弧的危害

电弧使开关设备开断故障电路的时间变长，增加了线路中短路故障的风险;电弧在外力作用下的不稳定性极易导致飞弧短路和人员受伤，或引起其他线路事故;电弧产生的高温还可能导致触头和绝缘融化，引起着火、爆炸等事故[3]。

2 直流电弧燃弧实践

2.1 燃弧实验平台构建

为了验证实际的电弧特性，本文通过下面一系列的组合实验，对直流电路中的燃弧现象进行观察和研究。实验平台由DC220 V直流电源、刀闸K1及负载支路组成，如图2所示。其中，负载支路是由不同性质的元器件组合而成的，本实验中共分为7组，各支路中电阻、电感、电容参数分别为[R]=25 Ω，[L]=200 μH，[C]=940 μF。

2.2 燃弧实验的实验步骤

燃弧实验主要模拟工程实践中的开关开断导致的操作电弧产生过程，具体实验步骤为：①按图1搭建实验电路;②接通电源待电路稳定工作，断开开关，观察现象;③闭合开关，观察现象;④切换不同负载支路，重复上述步骤①至③，并记录现象。

2.3 燃弧实验现象分析

7组不同支路的实验现象及原理分析按顺序总结如下。

①容性负载燃弧实验初步分析。开关K1断开瞬间，开关两端没有压差，[ΔU]为0，没有电流流过，没有观察到火花现象;合闸的瞬间，开关两端有压差，电容快速充电，[ΔU]接近220 V，有轻微的火花现象。

②阻性负载燃弧实验初步分析。开关K1断开瞬间，开关两端有压差，[ΔU]接近于220 V，由于负载为纯阻性，有明显的燃弧现象;同样，在K1合闸的瞬间，开关两端有压差，[ΔU]接近于220 V，同样会有电流流过，也会有火花现象。

③容性、阻性负载燃弧实验初步分析。K1在分闸的瞬间，电容将K1两端的压差变小，不容易起弧，即使起弧，前端的电源通过K1，通过电弧给电阻电容同时供电，电容处于充电状态，电流大于[IR]，这个大电流会让电弧的动态特性偏离静态特性，更容易灭弧。K1合闸的过程中，合闸的电流等于电容的充电电流加上电阻的电流[I=IC+IR]，所以会有明显的火花。

④感性、阻性负载燃弧实验初步分析。开关K1断开的瞬间，流过开关K1的电流缓慢变小，开关K1断开的瞬间，电感上会产生一个电压，与电源电压为串联关系，意味着K1的电压差变大，更容易起弧。在开关K1闭合的瞬间，电感减小流过K1的电流，只看到轻微的火花。

⑤感性、容性负载燃弧实验初步分析。K1开关开断、闭合的瞬间，因为没有电流，均未观察到电弧现象。

⑥感性、阻性、容性组合负载初步分析。直流电路中，感性、容性、阻性的结合最符合直流负载的实际应用情况。K1在开断和闭合的瞬间，有轻微的火花，K1分闸时有微小火花，电容起到了抑制作用，K1合閘时有微小火花，电感起到抑制作用。

⑦开关电源类负载初步分析。K1在开断和闭合的瞬间，有轻微的火花;K1分合闸时产生轻微火花，等效于上述第六个感性、容性、阻性组合负载的实验组合。

无电弧、微小火花及剧烈燃弧的实验现象分别如图3至图5所示。

2.4 实验小结

通过上述7个分组实验，对观察到的现象和表现程度进行比较，相关数据见表1。

结合实验现象和表1，通过电弧现象实验，可得出以下几点结论。

①不同的负载条件会影响电弧现象的发生。电感在电路中会加大开关开断时的电弧，抑制开关闭合时的电弧;电容在电路中会减小开关断开时的电弧，加大开关闭合时的电弧。

②开关电源电路是一个非常完美的电感、电容、电阻组合，自带灭弧特性。

③在上述实验过程中，研究者甚至观察到飞弧短路的现象。因此，应研制相关保护或灭弧装置，在电弧产生时迅速灭弧。

④电路燃弧时金属接头有明显的灼烧痕迹，如何更有效地模拟电弧对电极的灼烧过程和电弧的能量释放，还需要进行大量的研究。

3 结语

本文在参阅相关文献资料的基础上，通过对直流电弧理论进行探讨和不同负载下燃弧实验的实践，分析不同负载条件对电弧产生的影响。随着直流配电系统的进一步发展，电弧的开断和故障电弧的检测也将会是直流配电领域的研究热点方向之一。在工程实践中进行直流电弧的监测和保护，减少电弧现象的产生，减少对设备的伤害，针对不同负载特性，采取合理的灭弧措施，会给直流系统的安全、稳定、可靠运行带来更多的保障。

参考文献：

[1]刘源，汲胜昌，祝令瑜，等.直流电源系统中直流电弧特性及其检测方法研究[J].高压电器，2015（2）：24-29.

[2]佚名.电弧及灭弧装置[EB/OL].（2018-06-30）[2010-04-20].https：//wenku.baidu.com/view/2e548f99c8d376eeaeaa31c0.html.

[3]翟国富，薄凯，李庆楠，等.直流电弧运动过程中重击穿现象及机理研究[J].电工技术学报，2016（11）：105-113.