基于低压线路电气火灾的磁场研究性分析

熊金铃

摘 要：由低压线路的接触不良造成电气火灾的现象屡见不鲜，因此深化接触不良研究是一项非常有意义的工作，文章通过有限元软件对接触不良实际情况进行三维建模，研究结果表明：场强与磁场强度、磁通量密度随着接触不良的局部微间隙增大而减小，但磁场强度与磁通量密度变化幅度相对场强变化幅度较小。

关键词：接触不良；磁场；磁通量；微间隙

中图分类号：TM726.2 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）19-0195-02

引言

现实低压线路中接触不良是固然存在的， 连结不牢，施工中不按规定接线，随意扭接，即造成电接触先天性接触不良。同时，金属材料的热膨胀系数因材质不同而不同以及电阻率的不同，从而造成铜、铝接头处因热胀冷缩程度不同而松动（铝的膨胀系数比铜大），即使是同种材料连接，在通过大电流（超载）时也会发生这种现象。另外，长期的运行，对电器及线路的接点不检修检测，从而使触点受震动而发生触点松动。

1 低压线路放电

低压电弧故障是导致电气火灾的重要原因之一。传统的断路器和保险丝在过流保护和短路保护方面可以起到非常有效的作用，但调研结果表明很多火灾事故中断路器并没有动作，不能有效防止低电流电弧故障导致的火灾。电缆损坏后产生间断的飞溅电弧，其电流特性并不能导致通常的有效值检测装置断开电路，因为这些故障的有效值远低于保护装置的整定过载C-T曲线；当有可燃材料存在时，电弧反复持续发生并最终导致火灾，目前大数实验室使用的局部放电检测仪，进行检测其放电量，进一步来判断其放电量大小来分析接触不良而引起的放电火花情况。

2 局放耦合电容器与输入单元

输入单元是将放电试验回路中的放电信息检测出来的重要单元，也称检测阻抗。本输入单元采用高频变压器的双调谐式输入单元，初次级均为LCR回路，其初级电感量在局放仪的放大器频带内与试验电路的等效电容相调谐。适当的选择输入单元可获得较佳的检测灵敏度，检测阻抗的选择原则是保证LCR检测回路的谐振频率落在所选择的放大器频带内。本课题选择的检测阻抗为2号单元，调谐电容范围25～100～400Pf，灵敏度0.04Pc，允许电流有效值：不平衡电路50mA，平衡电路0.5A。

数字示波器采用TEK公司的产品。产品型号为TDS2012B；该型号产品具有2通道，每个通道有2500点记录长度，带宽为100MHZ，采样速率为1.0GS/s，彩色显示且有用于文件存储的USB闪存驱动端口。

3 接触不良放电

因实际接头接触面状况往往不规则，其接触面导体间电场分布可认为是不均匀电场。针板电极间电场同样是一种不均匀的电场，两者在模型构造和放电原理上具有很大的相似性。在导体正常载流量下针形电极尖端附近的电流密度较大，电力线较为集中，其电场强度也是最高，在针板电极间出现接触不良放电，其针电极的尖端即开始出现电晕放电的亮点，极间开始出现空气放电现象，进而空气间隙被全部击穿进入自持放电阶段。基于以上分析本论文模拟考虑采用针板电极作为接触不良放电模型。

4 局放接触不良物理模型仿真

有限元思想（FEM）是先将待求微分议程数学模型——边值问题转化为的变分问题即函数求极值问题，再用剖分插值和离散转化为普通多远函数的极值问题，最终归结一组多元代数方程组，电磁场（包括静电场、恒定电场、静磁场等）的求解都可视为从麦克斯韦方程出发，用偏微分议程和定解条件描述的边值问题求解。其边值问题为：

式中，V为求解域，T为求解域边界。

5 接触不良的场强基本探讨

现实生活中低压220V线路大多以铜、铝绞线铺设，因不牢固连结、扭接、不按规定接线、金属材料的热膨胀系数及各电阻率的不同等若干因素造成接触不良后，则接触电阻明显的增大，进步在接触部位形成高温，对于铜导线来说即发生化学反应生成Cu2O（铝导线则生成Al2O3），其导电性能很差，氧化膜的厚度随时间成正比例增加，接触电阻也成倍增加，如此应激效应导致铜线表面发生严重氧化、碳化，金属的本质属性缓慢发生改变，导电性能逐渐变弱。其求解模型如图1：

6 接触不良的磁场分析

为了研究接触不良情况下，铜导线周边磁场分布情况，通过查找相关资料得到汞、银、铜、碳、铅等均为抗磁性物质，其相对磁导率都小于1，设铜磁导率为0.99991，而空气为1.00000004，碳化物、氧化物为0.999979，计算模型仍采用图1模型，通过赋予各材料属性后，导入氧、碳化前后程序进行求解，发现磁场强度（H）数值基本不变，对应极值相差仅为0.06%。

另外，分析铜导线与板间不同微间隙条件下对磁场强度与磁通量密度的影响，记录不同微间隙下磁场强度（H）、磁通量密度（B）数值，见表1。

由表1知，低压线路的接触不良的局部微间隙对磁场强度、磁通量密度存在一定影响，微间隙较小时，对应磁场强度与磁通量密度数值较大，微间隙1mm对应10mm的磁场强度、磁通量密度数值分别高8.33%、10.4%。可知，磁场强度与磁通量密度的变化规律亦可以在某一角度上来反映线路接触不良的情况。

7 接触不良部位微间隙场强分析

低压线路上的接触不良大多是扭接、松动、氧碳化等造成的，有的时候两导线间仅仅一根细丝铜线牵连一起实现电路的导通，有时两接触松动造成局部微间隙，在微间隙内部稳定的放电维持电路的导通，或两接触面通过导电污秽膜实现连通，这些 “假连通”现象人肉眼不好观察判断，则会火灾留下了无穷的隐患。但是这些若从微观的角度出发，如电场的数值大小、变化率等则可以对“假连通”的判断提供一定的参考依据。因此，对接触不良不同的微间隙建模，导入10个接触不良的APDL程序，求出各种不同微间隙条件下场强数值大小，见表2（单位：v/mm）。

表2比较得，场强随着接触不良处局部微间隙的增大而对应减小，间隙为1mm时，场强数值最大，达到111.19V/mm，若此接觸不良处于重要通讯等设施柜内，则产生严重的场强干扰，对电磁波产生扰动，影响通讯质量，而随着微间隙的增大，场强值逐渐减小。

8 结束语

当低压线路电流增大的过程中，特别是有电容性负载时，导体接触面无空气间隙接触不会发生接触不良放电，而只在有空气间隙时会出现火花放电现象，这也是间隙放电的根源，也是家庭或者是相关公共场所发生火灾的一大概率的因素，本文为实践工程中作了广泛的参考意义。

参考文献：

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