基于低壓線路電氣火災(zāi)的磁場(chǎng)研究性分析

熊金鈴

摘 要：由低壓線路的接觸不良造成電氣火災(zāi)的現(xiàn)象屢見(jiàn)不鮮，因此深化接觸不良研究是一項(xiàng)非常有意義的工作，文章通過(guò)有限元軟件對(duì)接觸不良實(shí)際情況進(jìn)行三維建模，研究結(jié)果表明：場(chǎng)強(qiáng)與磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁通量密度隨著接觸不良的局部微間隙增大而減小，但磁場(chǎng)強(qiáng)度與磁通量密度變化幅度相對(duì)場(chǎng)強(qiáng)變化幅度較小。

關(guān)鍵詞：接觸不良；磁場(chǎng)；磁通量；微間隙

中圖分類(lèi)號(hào)：TM726.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）19-0195-02

引言

現(xiàn)實(shí)低壓線路中接觸不良是固然存在的， 連結(jié)不牢，施工中不按規(guī)定接線，隨意扭接，即造成電接觸先天性接觸不良。同時(shí)，金屬材料的熱膨脹系數(shù)因材質(zhì)不同而不同以及電阻率的不同，從而造成銅、鋁接頭處因熱脹冷縮程度不同而松動(dòng)（鋁的膨脹系數(shù)比銅大），即使是同種材料連接，在通過(guò)大電流（超載）時(shí)也會(huì)發(fā)生這種現(xiàn)象。另外，長(zhǎng)期的運(yùn)行，對(duì)電器及線路的接點(diǎn)不檢修檢測(cè)，從而使觸點(diǎn)受震動(dòng)而發(fā)生觸點(diǎn)松動(dòng)。

1 低壓線路放電

低壓電弧故障是導(dǎo)致電氣火災(zāi)的重要原因之一。傳統(tǒng)的斷路器和保險(xiǎn)絲在過(guò)流保護(hù)和短路保護(hù)方面可以起到非常有效的作用，但調(diào)研結(jié)果表明很多火災(zāi)事故中斷路器并沒(méi)有動(dòng)作，不能有效防止低電流電弧故障導(dǎo)致的火災(zāi)。電纜損壞后產(chǎn)生間斷的飛濺電弧，其電流特性并不能導(dǎo)致通常的有效值檢測(cè)裝置斷開(kāi)電路，因?yàn)檫@些故障的有效值遠(yuǎn)低于保護(hù)裝置的整定過(guò)載C-T曲線；當(dāng)有可燃材料存在時(shí)，電弧反復(fù)持續(xù)發(fā)生并最終導(dǎo)致火災(zāi)，目前大數(shù)實(shí)驗(yàn)室使用的局部放電檢測(cè)儀，進(jìn)行檢測(cè)其放電量，進(jìn)一步來(lái)判斷其放電量大小來(lái)分析接觸不良而引起的放電火花情況。

2 局放耦合電容器與輸入單元

輸入單元是將放電試驗(yàn)回路中的放電信息檢測(cè)出來(lái)的重要單元，也稱(chēng)檢測(cè)阻抗。本輸入單元采用高頻變壓器的雙調(diào)諧式輸入單元，初次級(jí)均為L(zhǎng)CR回路，其初級(jí)電感量在局放儀的放大器頻帶內(nèi)與試驗(yàn)電路的等效電容相調(diào)諧。適當(dāng)?shù)倪x擇輸入單元可獲得較佳的檢測(cè)靈敏度，檢測(cè)阻抗的選擇原則是保證LCR檢測(cè)回路的諧振頻率落在所選擇的放大器頻帶內(nèi)。本課題選擇的檢測(cè)阻抗為2號(hào)單元，調(diào)諧電容范圍25～100～400Pf，靈敏度0.04Pc，允許電流有效值：不平衡電路50mA，平衡電路0.5A。

數(shù)字示波器采用TEK公司的產(chǎn)品。產(chǎn)品型號(hào)為T(mén)DS2012B；該型號(hào)產(chǎn)品具有2通道，每個(gè)通道有2500點(diǎn)記錄長(zhǎng)度，帶寬為100MHZ，采樣速率為1.0GS/s，彩色顯示且有用于文件存儲(chǔ)的USB閃存驅(qū)動(dòng)端口。

3 接觸不良放電

因?qū)嶋H接頭接觸面狀況往往不規(guī)則，其接觸面導(dǎo)體間電場(chǎng)分布可認(rèn)為是不均勻電場(chǎng)。針板電極間電場(chǎng)同樣是一種不均勻的電場(chǎng)，兩者在模型構(gòu)造和放電原理上具有很大的相似性。在導(dǎo)體正常載流量下針形電極尖端附近的電流密度較大，電力線較為集中，其電場(chǎng)強(qiáng)度也是最高，在針板電極間出現(xiàn)接觸不良放電，其針電極的尖端即開(kāi)始出現(xiàn)電暈放電的亮點(diǎn)，極間開(kāi)始出現(xiàn)空氣放電現(xiàn)象，進(jìn)而空氣間隙被全部擊穿進(jìn)入自持放電階段?；谝陨戏治霰菊撐哪M考慮采用針板電極作為接觸不良放電模型。

4 局放接觸不良物理模型仿真

有限元思想（FEM）是先將待求微分議程數(shù)學(xué)模型——邊值問(wèn)題轉(zhuǎn)化為的變分問(wèn)題即函數(shù)求極值問(wèn)題，再用剖分插值和離散轉(zhuǎn)化為普通多遠(yuǎn)函數(shù)的極值問(wèn)題，最終歸結(jié)一組多元代數(shù)方程組，電磁場(chǎng)（包括靜電場(chǎng)、恒定電場(chǎng)、靜磁場(chǎng)等）的求解都可視為從麥克斯韋方程出發(fā)，用偏微分議程和定解條件描述的邊值問(wèn)題求解。其邊值問(wèn)題為：

式中，V為求解域，T為求解域邊界。

5 接觸不良的場(chǎng)強(qiáng)基本探討

現(xiàn)實(shí)生活中低壓220V線路大多以銅、鋁絞線鋪設(shè)，因不牢固連結(jié)、扭接、不按規(guī)定接線、金屬材料的熱膨脹系數(shù)及各電阻率的不同等若干因素造成接觸不良后，則接觸電阻明顯的增大，進(jìn)步在接觸部位形成高溫，對(duì)于銅導(dǎo)線來(lái)說(shuō)即發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成Cu2O（鋁導(dǎo)線則生成Al2O3），其導(dǎo)電性能很差，氧化膜的厚度隨時(shí)間成正比例增加，接觸電阻也成倍增加，如此應(yīng)激效應(yīng)導(dǎo)致銅線表面發(fā)生嚴(yán)重氧化、碳化，金屬的本質(zhì)屬性緩慢發(fā)生改變，導(dǎo)電性能逐漸變?nèi)?。其求解模型如圖1：

6 接觸不良的磁場(chǎng)分析

為了研究接觸不良情況下，銅導(dǎo)線周邊磁場(chǎng)分布情況，通過(guò)查找相關(guān)資料得到汞、銀、銅、碳、鉛等均為抗磁性物質(zhì)，其相對(duì)磁導(dǎo)率都小于1，設(shè)銅磁導(dǎo)率為0.99991，而空氣為1.00000004，碳化物、氧化物為0.999979，計(jì)算模型仍采用圖1模型，通過(guò)賦予各材料屬性后，導(dǎo)入氧、碳化前后程序進(jìn)行求解，發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)強(qiáng)度（H）數(shù)值基本不變，對(duì)應(yīng)極值相差僅為0.06%。

另外，分析銅導(dǎo)線與板間不同微間隙條件下對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度與磁通量密度的影響，記錄不同微間隙下磁場(chǎng)強(qiáng)度（H）、磁通量密度（B）數(shù)值，見(jiàn)表1。

由表1知，低壓線路的接觸不良的局部微間隙對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁通量密度存在一定影響，微間隙較小時(shí)，對(duì)應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度與磁通量密度數(shù)值較大，微間隙1mm對(duì)應(yīng)10mm的磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁通量密度數(shù)值分別高8.33%、10.4%。可知，磁場(chǎng)強(qiáng)度與磁通量密度的變化規(guī)律亦可以在某一角度上來(lái)反映線路接觸不良的情況。

7 接觸不良部位微間隙場(chǎng)強(qiáng)分析

低壓線路上的接觸不良大多是扭接、松動(dòng)、氧碳化等造成的，有的時(shí)候兩導(dǎo)線間僅僅一根細(xì)絲銅線牽連一起實(shí)現(xiàn)電路的導(dǎo)通，有時(shí)兩接觸松動(dòng)造成局部微間隙，在微間隙內(nèi)部穩(wěn)定的放電維持電路的導(dǎo)通，或兩接觸面通過(guò)導(dǎo)電污穢膜實(shí)現(xiàn)連通，這些 “假連通”現(xiàn)象人肉眼不好觀察判斷，則會(huì)火災(zāi)留下了無(wú)窮的隱患。但是這些若從微觀的角度出發(fā)，如電場(chǎng)的數(shù)值大小、變化率等則可以對(duì)“假連通”的判斷提供一定的參考依據(jù)。因此，對(duì)接觸不良不同的微間隙建模，導(dǎo)入10個(gè)接觸不良的APDL程序，求出各種不同微間隙條件下場(chǎng)強(qiáng)數(shù)值大小，見(jiàn)表2（單位：v/mm）。

表2比較得，場(chǎng)強(qiáng)隨著接觸不良處局部微間隙的增大而對(duì)應(yīng)減小，間隙為1mm時(shí)，場(chǎng)強(qiáng)數(shù)值最大，達(dá)到111.19V/mm，若此接觸不良處于重要通訊等設(shè)施柜內(nèi)，則產(chǎn)生嚴(yán)重的場(chǎng)強(qiáng)干擾，對(duì)電磁波產(chǎn)生擾動(dòng)，影響通訊質(zhì)量，而隨著微間隙的增大，場(chǎng)強(qiáng)值逐漸減小。

8 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)?shù)蛪壕€路電流增大的過(guò)程中，特別是有電容性負(fù)載時(shí)，導(dǎo)體接觸面無(wú)空氣間隙接觸不會(huì)發(fā)生接觸不良放電，而只在有空氣間隙時(shí)會(huì)出現(xiàn)火花放電現(xiàn)象，這也是間隙放電的根源，也是家庭或者是相關(guān)公共場(chǎng)所發(fā)生火災(zāi)的一大概率的因素，本文為實(shí)踐工程中作了廣泛的參考意義。

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