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65中国设备工程C h i n a P l a n t E n g i n e e r i ng中国设备工程 2021.03 （下）3 变压器出现故障的可能原因在日常的运行过程中，变压器可能会出现各种各样的故障，这些故障可能是内部的，也可能是外部的，下面将就变压器出现故障的可能原因进行分析。
3.1 操作性故障在工作人员的日常操作中，变压器会在低电压一侧的断路器断开的时候进行相关的检查和修复，高压一侧的合闸之后了解到主变压器在这一阶段正常之后才会进行低压侧的断路器合闸。
但低压侧与电流感应器出现了短路，所以差动保护不能够及时进行，两侧的断路保护都不能进行，最后会导致主变压器的损坏。
3.2 运行性故障运行性故障是指相关的电器元件在运行过程中出现了故障，本文以电流互感器和低压侧短路故障为例。
低压侧的母线电流增加，导致电压下降，感应到这一故障之后，继电保护技术会在很短的延迟之内完成断开低压侧断路器的操作，这一操作能够使得低压侧的母线电压及时恢复，电流得到恢复，以此来保护主变压器。
但由于发生故障的部分并没有得到隔离，短路的电流仍旧在从主变压器发生故障的部位输送，所以高压一侧的故障电流仍旧存在。
但由于相关的限制，高压一侧的电流电压并不能得到释放，因而电压并不能得到可靠的开放性动作，所以故障部位不能得到及时有效的切断，所以形成了保护盲区。
4 继电保护对变压器故障的解决方法继电保护技术在实际操作中，由于操作方式的不同，工作原理的不同，会导致保护装置在一些阶段产生了错误的判断，对相关的干扰进行隔绝，就要对低压侧的断路器进行设置。
在此设置相关的输入压板，防止出现误判时的不相关的元件发生动作，并在更为复杂的变压器中，应该注意改变接线方式或者相关的保护逻辑等方法，以便尽量减少或者避免出现误判问题。
4.1 高压侧的解决方法在高压一侧，应该注意，当低压侧的继电保护装置在断开的现实情况下，如果高压侧的电流超出额定电流，就应该对高压侧的继电保护装置在短时间内执行断开连接的任务，即应该迅速完成高压侧跳闸的指令，这是对两圈的变压器而言，对三圈的变压器而言，应该在电流超出额定电流时，相关的后备保护的逻辑就应该变为无论是高压侧，中压侧还是低压侧的断路保护装置的开关都会跳开，都在同一时间进行跳闸行为。
实验30 低压气体直流击穿特性摘要气体中的带电粒子定向运动形成电流的现象称为气体放电，气体放电分为自持与非自持放电两种，由非自持放电到自持放电的过渡称为气体的击穿。
外加电场的施加是导致气体击穿的直接原因，帕邢定律就是描述不同气体击穿电压与气压P、板间距d的关系。
实验发现，击穿电压与Pd的函数在一定区间内是线性关系，但在另外一些区间内是非线性的；在特定的Pd值时，击穿电压有极小值；对于所有的气体，在低气压范围内，其击穿电压与Pd 值的函数曲线具有相似性。
1、实验原理及内容1）实验原理简述低压气体击穿现象：气体中的带电粒子定向运动形成电流的现象称为气体放电，气体放电分为自持与非自持放电两种，前者是在存在外电离原因的条件下才能维持，撤去外电离因素后带电粒子消失，放电停止；后者则不需要外电离因素，能在导电电场的支持下自主维持放电。
由非自持放电到自持放电的过渡称为气体的击穿。
汤森放电理论：气体中由于剩余电离在外加电场中形成小电流，之后随外加电场的增大而成指数规律增大，称为汤森α放电，该过程中电流增大来源于两方面，分子碰撞电离以及阴极上光电效应导致的电子数目增多。
之后，气体中的离子随电场的增大而能量增大到足够强度，在阴极产生二次电子发射，又一次极大提高了阴极发射电子的速率，称为汤森γ放电。
当阴极发射足够强烈满足汤森自持放电时，气体击穿。
帕邢定律：外加电场的施加是导致气体击穿的直接原因，但击穿电场是非均匀的，无法测得，因此退而求其次改测其击穿电压，帕邢定律就是描述不同气体击穿电压与气压P、板间距d 的关系。
实验发现，击穿电压与Pd的函数在一定区间内是线性关系，但在另外一些区间内是非线性的；在特定的Pd值时，击穿电压有极小值；对于所有的气体，在低气压范围内，其击穿电压与Pd值的函数曲线具有相似性。
帕邢曲线：每种气体都有对应的帕邢曲线，而d特定的帕邢曲线则反映不同气压下该气体的击穿电压。
低气压下的帕邢曲线具有相似性，由曲线可以看出：每张曲线都有一个极小值，两边可趋近于无穷，所不同的是，向横轴负方向曲线上升成指数型，向横轴正方向，曲线上升成直线型。
低压电器电弧仿真与研究张钰【摘要】As a very common physical phenomenon in power system and electric energy application engineering, the research on arc motion and Simulation of low-voltage electrical apparatus is getting more and more attention. In this paper, based on the arc motion mechanism and arc simulation technology of low-voltage electrical equipment, the arc simulation model of low-voltage electrical equipment was built, and the simulation process of the low-voltage electrical arc was studied.%作为电力系统、电能应用工程中十分常见的物理现象,低压电器电弧运动与仿真研究越来越受关注.本文结合低压电器电弧运动机理与电弧仿真技术,构建了低压电器电弧仿真模型,就低压电器电弧仿真过程进行了研究.【期刊名称】《电子测试》【年(卷),期】2017(000)002【总页数】2页(P34,36)【关键词】低压电器;电弧;仿真【作者】张钰【作者单位】镇江市产品质量监督检验中心,江苏镇江,212013【正文语种】中文通过研究低压电器的电弧运动特性，有助于优化低压电器产品的设计，提高其性能。
但应注意的是，由于低压电器电弧燃弧时间较短，因而如何捕捉电弧是关键。
本文重点结合低压电器电弧运动机理及电弧仿真技术，探讨了低压电器电弧仿真方法与过程，以供参考和借鉴。
低压气体直流击穿特性实验报告【实验原理与内容】1.实验原理(1)低气压气体击穿现象气体放电分为自持放电和非自持放电。
非自持放电是指存在外电离原因的条件下才能维持的放电现象。
自持放电是指没有外电离因素，放电现象能够在导电电场的支持下自主维持下去的放电过程。
气体从非自持放电到自持放电的过度现象，成为气体的击穿。
气体发生这种放电方式转化的电场强度称为击穿场强，相应的放电电压称为击穿电压。
(2)帕邢定律1889 年帕邢研究了低气压（气压1-100Pa）放电的击穿现象，发现低气压气体在平行板电极条件下，其击穿电压Vs 是气压和电极间隙之积Pd 的函数，并找到了击穿电压的最小值，这一击穿电压与间距和气压乘积的函数关系称为帕邢定律。
实验发现：击穿电压与Pd 的函数在开始是非线性关系，先下降后上升一段，但后来是线性上升的；并且在特定的Pd 值时，击穿电压有极小值，整条曲线成对勾状。
对于所有的气体，在低气压范围内，其击穿电压与Pd 值的函数曲线具有相似性，这就是帕邢定律的普适性。
2.实验内容测量某低气压值所对应的氩气的击穿电压，并根据测量数据绘制出氩气的帕邢曲线。
【实验仪器及功能】1.低气压直流辉光放电发生装置：提供气体放电的场所，为气体放电提供电压。
2.氩气的控制与调节系统：为实验提供氩气，调节放电管的气压。
3.直流数字电压表：读取二极管两端和气体两端电压。
4.多量程电流计：测量通过气体的电流。
【实验方法与步骤】1.总体方法本次实验主要是测量氩气在4-100Pa气压下所对应的击穿电压，用所测得数据进行描点，然后拟合出帕邢曲线。
测量时，将气压稳定在一个值，然后不断增大两极的电压，直至显示二极管两端的电压发生突变，记下突变前的两极电压，即作为该气压下氩气的击穿电压，每一个气压对应测量三次，取平均值即为该气压下氩气的击穿电压。
2.具体步骤(1)测量两电极之间间距。
(2)检查放电管与电源电极之间的连接是否可靠；电源调压旋扭是否最小位置；气体流量调节旋扭是否最小位置。
实验30 低压气体直流击穿特性摘要气体中的带电粒子定向运动形成电流的现象称为气体放电，气体放电分为自持与非自持放电两种，由非自持放电到自持放电的过渡称为气体的击穿。
外加电场的施加是导致气体击穿的直接原因，帕邢定律就是描述不同气体击穿电压与气压P、板间距d的关系。
实验发现，击穿电压与Pd的函数在一定区间内是线性关系，但在另外一些区间内是非线性的；在特定的Pd值时，击穿电压有极小值；对于所有的气体，在低气压范围内，其击穿电压与Pd 值的函数曲线具有相似性。
1、实验原理及内容1）实验原理简述低压气体击穿现象：气体中的带电粒子定向运动形成电流的现象称为气体放电，气体放电分为自持与非自持放电两种，前者是在存在外电离原因的条件下才能维持，撤去外电离因素后带电粒子消失，放电停止；后者则不需要外电离因素，能在导电电场的支持下自主维持放电。
由非自持放电到自持放电的过渡称为气体的击穿。
汤森放电理论：气体中由于剩余电离在外加电场中形成小电流，之后随外加电场的增大而成指数规律增大，称为汤森α放电，该过程中电流增大来源于两方面，分子碰撞电离以及阴极上光电效应导致的电子数目增多。
之后，气体中的离子随电场的增大而能量增大到足够强度，在阴极产生二次电子发射，又一次极大提高了阴极发射电子的速率，称为汤森γ放电。
当阴极发射足够强烈满足汤森自持放电时，气体击穿。
帕邢定律：外加电场的施加是导致气体击穿的直接原因，但击穿电场是非均匀的，无法测得，因此退而求其次改测其击穿电压，帕邢定律就是描述不同气体击穿电压与气压P、板间距d 的关系。
实验发现，击穿电压与Pd的函数在一定区间内是线性关系，但在另外一些区间内是非线性的；在特定的Pd值时，击穿电压有极小值；对于所有的气体，在低气压范围内，其击穿电压与Pd值的函数曲线具有相似性。
帕邢曲线：每种气体都有对应的帕邢曲线，而d特定的帕邢曲线则反映不同气压下该气体的击穿电压。
低气压下的帕邢曲线具有相似性，由曲线可以看出：每张曲线都有一个极小值，两边可趋近于无穷，所不同的是，向横轴负方向曲线上升成指数型，向横轴正方向，曲线上升成直线型。
一、实验目的1. 了解空气击穿的物理现象及其影响因素。
2. 探究不同电压、电极距离和电极形状对空气击穿电压的影响。
3. 研究空气击穿过程中的能量转化和释放。
二、实验原理空气击穿是指空气介质在电场作用下，电场强度达到一定值时，空气中的分子发生电离，产生自由电子和离子，形成导电通道，从而使电场能量迅速释放的过程。
空气击穿电压与电场强度、电极距离、电极形状和气体成分等因素有关。
三、实验仪器与材料1. 实验仪器：直流高压电源、电压表、电流表、针-板电极、电极支架、实验台等。
2. 实验材料：空气。
四、实验步骤1. 准备实验设备，将针-板电极固定在电极支架上，连接直流高压电源。
2. 设置实验参数，包括电压、电极距离和电极形状。
3. 开启直流高压电源，逐渐增加电压，观察并记录空气击穿现象。
4. 重复实验，改变电极距离和电极形状，观察并记录空气击穿电压的变化。
5. 分析实验数据，探讨空气击穿的影响因素。
五、实验结果与分析1. 当电压逐渐增加时，空气中的分子发生电离，产生自由电子和离子，形成导电通道，从而实现空气击穿。
实验结果显示，空气击穿电压与电压成正比关系。
2. 改变电极距离，发现空气击穿电压随着电极距离的增加而增加。
这是因为电极距离越大，电场强度越小，空气中的分子越难发生电离，从而提高击穿电压。
3. 改变电极形状，发现空气击穿电压与电极形状有关。
当电极形状为针-板时，空气击穿电压较低；当电极形状为球-球时，空气击穿电压较高。
这是因为球-球电极的曲率半径较大，电场强度分布较为均匀，有利于空气击穿。
4. 分析空气击穿过程中的能量转化和释放，发现空气击穿时，电场能量转化为热能和光能。
热能导致空气温度升高，光能则表现为电弧放电现象。
六、实验结论1. 空气击穿电压与电压、电极距离和电极形状有关。
2. 电场强度越高，空气击穿电压越低；电极距离越大，空气击穿电压越高。
3. 空气击穿过程中，电场能量转化为热能和光能。
七、实验注意事项1. 实验过程中，注意安全，防止触电和火灾。
李兴文(1978—,男,副教授,博士,研究方向为电弧电接触理论及其应用和电力电子技术。
低压空气开关电弧现代测试技术的研究综述3李兴文,陈德桂,吐松江・卡日,李瑞(西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室,陕西西安710049摘要:空气开关电弧是以空气为灭弧和绝缘介质的低压电器中最为复杂的物理现象。
针对电弧运动过程特别是电弧背后击穿现象、电弧温度、电弧组分及其浓度等方面,综述了CCD 和光纤阵列、光谱诊断技术及磁测试技术等低压空气开关电弧的现代测试技术的特点及其应用,并指出了空气开关电弧实验研究中所面临的几个问题。
关键词:电弧;测试;光谱;光纤阵列中图分类号:T M 501+.2文献标识码:A 文章编号:100125531(20080120006204Rev i ew of the I nvesti ga ti on on the M odern M ea surem en tTechnolog i es of L ow Volt age A i r Sw itch ArcL I X ingw en,CHEN D egui,TUSON GJ I AN G Kari,L I R ui(State Key Laborat ory of Electrical I nsulati on and Power Equi pment,Xi πan J iaot ong University,Xi πan 710049,ChinaAbstract:A ir s witch arc is the most comp lex phenomenon in l ow voltage electric apparatus using air asquenching and insulati on mediu m.W ith regarding t o arc moti on p r ocess,es pecially,arc back commutati on phe 2nomenon,arc te mperature,arc compositi on and the corres ponding concentrati on,the characteristics and app licati on of modern measurement technol ogies including CCD,op tical fiber array,s pectru m diagnostics and magnetic diag 2nostics were reviewed .Finally,s ome i m portant p r oble m s in the experi m ental studies of arc s witching arc were pointed .Key words:arc;m ea sure m en t ;spectru m;opti ca l f i ber array陈德桂(1933—,男,教授,博士生导师,研究方向为新型低压电器的研究和开发等。
第27卷第6期中国电机工程学报V ol.27 No.6 Feb. 2007 2007年2月Proceedings of the CSEE ©2007 Chin.Soc.for Elec.Eng.文章编号：0258-8013 (2007) 06-0084-05 中图分类号：TM561.1 文献标识码：A 学科分类号：470⋅40低压断路器中空气电弧重击穿现象的仿真与实验研究杨茜，荣命哲，吴翊，孙志强(西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室，陕西省西安市710049)Simulation and Experimental Research on Air Arc Restriking in Low-voltage Circuit BreakerYANG Qian, RONG Ming-zhe, WU Yi, SUN Zhi-qiang(State Key Lab of Electrical Insulation and Power Equipment, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, Shaanxi Province, China)ABSTRACT: Low-voltage circuit breakers are used to switch on and off electrical current in circuit. During the interruption process, the contacts of the breaker are separated and an electric arc is established between contacts. Under the actions of Lorentz and aerodynamic forces, the arc has to move along the rail electrodes toward the quenching area. During the motion process, the stagnation and back commutation occur and worsen the performances of circuit breaker. According to the real interruption process, a three-dimensional(3-D) model of arc motion under the effect of external magnetic field is built based on magnetohydrodynamic(MHD), which can predict the restriking phenomena. With air vents opened to 60%, the restriking phenomena occur under 3mT magnetic field; when the magnetic field is increased to 5mT, the restriking phenomena disappears. Moreover, it shows that with air vents opened to 20%, 60% and 100%, the arc can arrive in the splitter plates successfully under 10mT magnetic field without restriking.KEY WORDS:air arc plasma; magnetohydrodynamic; arc restriking摘要：低压断路器用于接通和分断电路中的电流。
当故障电流产生时，动触头和静触头打开，在触头间产生电弧，随后在电磁场和气流场的作用下向灭弧栅片运动。
在运动过程中会出现电弧的停滞和后退的重击穿现象，严重降低了断路器的开断性能。
该文以磁流体动力学(MHD)为基础建立了三维空气电弧等离子体在外部磁场作用下运动的数学模型，此模型可以预测电弧的重击穿现象，并发现当灭弧室的出口面积为60%时，电弧在3mT磁场的作用下运动时出现了重击穿基金项目：国家自然科学基金项目(50477025, 50537050, 50525722)。
Project Supported by National Natural Science Foundation of China (50477025, 50537050, 50525722). 现象，而当磁场增大到5mT时重击穿现象消失。
此外，还发现当磁场为10mT时，在出口面积分别为20%、60%和100% 3种情况下电弧均可以顺利到达栅片，在运动的过程中没有电弧重击穿现象的发生。
关键词：空气电弧等离子体；磁流体动力学；电弧重击穿0 引言低压断路器是一种用于接通、承载以及分断电路中电流的开关电器。
当电路中出现故障电流时，断路器的动静触头分开时会在触头间的介质中产生电弧，随后电弧在外界磁场的作用下进入灭弧栅片并最终熄灭。
能否使电弧快速地到达栅片，可靠地被熄灭是评价低压断路器性能的一个重要标准。
在电弧的运动过程中会出现电弧的停滞和后退的重击穿现象，这种现象在断路器的开断过程中会反复出现多次，使燃弧时间增长，严重降低了断路器的开断性能。
如何防止重击穿现象的发生就成为一个重要的问题。
电弧在灭弧室中的运动过程，是一种涉及气流场、电场、磁场和热场的复杂物理现象，研究者们过去主要对此现象进行了实验研究[1-4]。
近年来，随着计算机技术和计算流体动力学(CFD)商业软件的发展，人们开始利用计算机数值分析对电弧等离子体进行研究，探索以磁流体动力学为基础的电弧模型的建立[5-8]。
对于电弧在运动过程中所出现的重击穿现象，国内外的学者也作了相应的研究工作。
日本名古屋大学Yoshiyuki Ikuma等人于1988年首次用快速摄像机观察到电弧的背后击穿现象[9]。
法国的C.Fievet[10]等人也发现，在电弧经过区域的温度仍第6期 杨 茜等： 低压断路器中空气电弧重击穿现象的仿真与实验研究 85然还较高，存在有剩余电流，会以热击穿的形式导致背后击穿。
Corinne Brdys [11]采用磁测量的方法来研究重击穿的现象，发现当重击穿发生时存在有电流转移现象。
Ewald Gauster [12]采用测试的方法对重击穿现象进行了研究，表明恢复时间的长短、触头间的距离、器壁材料和触头材料均与重击穿现象有关。
在国内，文献[5]建立了以磁流体动力学为基础的低压电器开关电弧的二维动态模型，对影响开断性能的背后击穿现象进行了理论分析。
本文以磁流体动力学为基础，综合气流场、电磁场和热场的计算，建立了三维空气电弧等离子体在外部磁场作用下运动的数学模型，此模型可以预测电弧运动过程中的重击穿现象，并利用基于有限容积法的商业软件包FLUENT 对上述模型进行了求解。
1 空气电弧的仿真模型1.1 灭弧室的几何模型实际低压断路器的灭弧室是很复杂的，在研究中，所建立的是低压断路器的简化灭弧室。
其X 方向的长度为45mm ，宽和高分别为8mm 和9mm ，如图1所示。
灭弧室的上壁面为阴极，坐标原点位于阴极上，下壁面为阳极。
在灭弧室的右侧有4片陶瓷栅片，其尺寸为8.55mm ×7mm ×1mm ；在右侧的器壁上有3个尺寸为6mm ×1mm 的出气孔。
基本片段(0,0,0)XYZk =m k =1i =1 i =n 阳极阴极 出气孔 栅片灭弧室器壁图1 简化灭弧室的几何模型图Fig.1 The geometry of simplified arc chamber1.2 空气电弧的仿真假设三维空气电弧等离子体运动的数学模型的建立是基于以下几个假设：①电弧等离子体中满足局部热力学平衡条件(LTE)；②电弧等离子体是层 流[13-14]；③灭弧室内的介质为纯空气，其热动力学和传输特性参数均取自文献[15]；④电弧起始于具有恒定间距的2个电极之间。
1.3 气流场方程电弧等离子体中的气流场方程由以下守恒方程组组成：质量守恒div()0tρρ∂+=∂v (1) 动量守恒 ()div()div(grad )()i i i i i v pv v t x ρρη∂∂+=−++×∂∂v J B (2) 能量守恒 2R ()1div()div(grad )H p H T S t t ρρλσ∂∂+−=−+∂∂v J (3) 其中：t 为时间；v i 为速度在直角坐标系中的各分量；p 为压力；T 为温度；H 为焓；J 为电流密度；B 为磁感应强度；S R 为辐射项；ρ为电弧等离子体的密度；η为粘度；c p 为定压比热；λ为热导率；σ 为电导率。
在仿真电弧等离子体时，对所用的软件进行了二次开发。
在电弧等离子体的动量方程的源项中考虑了它所受到的洛仑兹力J ×B ；在它的能量方程的源项中考虑了焦耳热项(1/σ )J 2和辐射项S R 所产生的影响。
上述的动量和能量的源项加在了灭弧室中除栅片以外的所有电弧等离子体的剖分网格单元上。
由于辐射现象的复杂性，采用经验公式对辐射项进行处理[16]：44R 04()S k T T α=− (4)其中：S R 为每个基本网格单元内由于辐射所发射出的能量；α为5.67057×10−8W/(m 2⋅K)；k 为与网格单元内的压力有关的衰减系数；T 为网格单元内的温度；T 0为外部环境的温度(300K)。
1.4 电磁场方程电弧等离子体中的电场用下述的方程组描述：div(grad )0σϕ= (5) grad σϕ=−J (6) 其中ϕ为电位。
电弧等离子体中的矢量磁位和电流密度之间的关系用矢量磁位法描述：20, ,,i i A J i x y z µ∇=−= (7)其中：A i 为矢量磁位在i 方向(,,)i x y z =的各分量；µ0为真空中的磁导率。
1.5 边界条件本文计算所采用的电弧等离子体的总电流I 为150A 。
（1）温度边界条件。
灭弧室的电极的材料是铜合金，其熔点一般为86 中 国 电 机 工 程 学 报第27卷3500K ，因此将3500K 作为电极的温度边界条件。
灭弧室器壁的温度设为环境温度(300K)；出气孔处的温度和压力分别为环境温度(300K)和压力 (1.01325×105Pa)。
（2）电场边界条件。
阴极面上的电流密度满足指数分布：max (,)exp(j x y J =− (8)其中：x 、y 为直角坐标；J max 为1.2×108A ⋅m −2[17]，b 为由02()d CR I j r r r =π∫(其中R c 为3 mm)所确定的常 数。
