第３４卷第２期 ２０１７年 ４月 贵州大学学报（自然科学版） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｇｕｉｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ） Ｖｏ Ｊ．３４ ＮＯ．２ Ａｐｒ．２０１７ 文章编号１０００—５２６９（２０１７）０２－００５０－０４ 基于Ｍａｔｌａｂ的消弧模型仿真研究 石 果，殷浩伦，朱世忠，宋秩行，徐汇川，张鹏飞，袁旭峰 （贵州大学电气工程学院，贵州贵阳５５００２５） 摘要：本文对电弧的产生机理进行了分析，提出了一种采用ＭＯＳＦＥＴ开关器件的消弧装置。该 装置通过在每一方的开关触点连接一个二极管桥的中点，启动电流脉 中通过并联二板管的桥为 短路开关提供一个短暂的接近于零的电压，防止电弧电压发生突变，达到抑制电弧的目的。利用 Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ工具，构建智能开关设备的仿真模型并进行了消弧仿真验证。结果表明，本文提 出消弧装置具有较好的抑制电弧的能力。 关键词：电弧；消弧装置；智能开关；仿真 中图分类号：ＴＭ５６１．５：ＴＭ５２ 文献标识码：Ａ 在日常生活中，当打开、关闭开关或带电负荷 拔插时，常常会发生电弧，特别是在带重载的电路 中，产生电弧的现象尤为突出。电弧所产生的危害 严重，其温度高达数千摄氏度，轻则影响开关的使 用寿命，损坏设备，重则产生爆炸，引起火灾，威胁 人类的生命和财产安全¨ Ｊ。 在电气设备的运行中，为了减少电弧现象的出 １开关电弧建模 开关是一种常用的电器，它的作用是红短时 内对电路进行开通和关断，使电器通电和断电，起 到开关的作用。然而开关在开通和关断的过程中， 开关触头问隙往往会产生一团能够发出强光的气 体，该气体温度很高、能够导电且近似圆柱形，这就 是开关电弧¨ 。其根本原因是触头本身及触头周 围的介质中含有大量可被游离的电子，当分断的触 现，常常会采用下列几种开关：真空开关、ＳＦ６断路 器、油断路器等，但是这些开关成本昂贵，有些甚至 产生有毒气体，污染环境，不利于在低压中应 用 川 。 头问存在足够高的外加电压，且此时电路中的电流 也达到了产生电弧的最小电流，就会产生强烈的电 游离而发生电弧 。。 在开关电弧分析中，通常采用Ｃａｓｓｉｅ模型、 Ｍａｙｒ模型和Ｈｏｅｈｒａｉｎｅｒ模型。Ｃａｓｓｉｅ模型比较适 迄今为止，国内外学者对开关电器进行了大量 研究。文献［５－７］提出了新型传感器技术、以ＯＰＣ 为核心的系统集成技术、前置智能单元技术是未来 开关电器智能化的主要发展方向。文献［８—９］提 出了固态开关技术，采用电力电子开关器件实现对 电气设备通断电控制，该技术主要应用于远程控 制，是智能家居的核心。以上研究，无论是采用智 能化开关还是固态开关来代替普通开关，都不具备 主动保护功能，没有实际解决带电拔插过程导致的 电弧现象，且对开关自身也带来危害。 用于电流过零前的大电流电弧过程；Ｍａｙｒ模型比 较适用于小电流，包括零区的电弧过程；Ｈｏｃｈｒａｉｎｅｒ 模型比较适用于电流过零点期间的电弧过 程 。 本文以低压插座的带电拔插过程所产生的电 弧为研究对象，其负荷电流较小，故采用Ｍａｙｒ电弧 模型来分析开关的电弧现象。 １．１ Ｍａｙｒ电弧模型 针对负荷带电拔插过程中导致的电弧现象，本 文在分析带电拔插过程中的消弧机理的基础上，设 Ｍａｙｒ电弧的方程式为： 塑＝ ｇ ｄｔ ｄｔ ： ｕｉ计了一种带消弧装置的智能低压开关设备。 收稿日期：２０１６—０８－２０ ＼尸 ／） 基金项目：国家自然科学基金项目（５１０６７０００１） 作者简介：石果（１９８８一），女，在读硕士，研究方向：电力电子与电力传动，Ｅｍａｉｌ：１０９８０５１４５９＠ｑｑ．ＣＯＹＩＩ ￥通讯作者：袁旭峰，Ｅｍａｉｌ：１７０１５６７６＠ｑｑ．ｃｏｍ． 第２期 石果等：基于Ｍａｔｌａｂ的消弧模型仿真研究 ・５１・ 式中：ｇ，ｕ，ｉ， 和Ｐ分别代表电弧电导，电压，电 流，时间常数和散热功率。 该电弧模型是将电弧时间常数、散热功率假定 为常数，基于热平衡、热惯性、热游离基本原理以及 通过对电弧电压和电流的测量、计算以及曲线拟合 等方式进行推导。 Ｍａｙｒ电弧模型如图１所示几个模块组成： 图１ Ｍａｙｒ电弧模型 如图１所示，电信号和传递函数模块之间采用 测量模块和受控源连接。在Ｍａｙｒ电弧模型中， ＤＥＥ（微分方程编辑器）模块是用来实现对Ｍａｙｒ 电弧模型的微分方程进行编辑，该模块可以在Ｍａｔ ｌａｂ命令窗口中，输入“ｄｅｅ”回车即可出现。Ｈｉｔ Ｃｒｏｓｓｉｎｇ是定值检测模块，用来检测有输入时的过 零点电弧电流。“Ｓｔｅｐ”模块是用于控制开关的触 头分离。 ２开关的消弧仿真建模 本文设计了图２所示的智能开关插座，为抑制 带电负荷拔插过程中产生的电弧现象，采用了电力 电子开关器件组成的消弧模型。 ２．１消弧模型 如图２所示，该模型主要由一个平衡二极管桥 （Ｄｌ到Ｄ４）和２个Ｍｏｓｆｅｔ开关电路组成。每一方 的开关触点连接的一个二极管桥的中点，当负荷带 电拔插瞬间，开关的电弧电压和电流同时发生变 化，这一信息将作为控制信号即刻被传递给消弧装 置，启动Ｍｏｓｆｅｔ，然后通过并联二极管的桥为短路 开关提供了一个短暂的接近于零的电压。 在开关触头打开瞬间，当电弧电压处于正半轴 时，电弧电流首先从开关上方流过Ｄ１、Ｄ６后分流， 分别经过Ｄ７、Ｒ２、Ｍｏｓｆｅｔ２和Ｄ８、Ｒ１、Ｍｏｓｆｅｔｌ减小 正向电弧电压的幅值，然后通过电阻Ｒ６减小反向 电弧电压的幅值，最后经Ｄ４回到开关下方。电弧 电压处于负半轴时的工作情况与此同理。另外，该 电路中，Ｃｉ、Ｄ５组成浪涌吸收电路，防止浪涌电压， 保护电路。 图２带消弧装置的智能开关原理图 ３算例分析 ３．１智能开关仿真建模 为了仿真该消弧装置的灭弧能力，本文采用一 个简单的计算电路仿真模型对其进行仿真。在该 计算仿真模型中，Ｍａｙｒ电弧模型被封装成开关图 形，消弧装置封装之后并联在开关两端，如图３所 示。 图３智能开关的仿真计算模型 ３．２电弧特性分析 如图３所示，分别对不同的开断时间点，不同 的负荷型式下的智能开关仿真计算模型进行仿真， 分析其电弧特性，本文分别对其进行仿真分析。 ３．２．１ 不同开断时间点的电弧特性分析 当负荷为Ｒ＝４５０ Ｑ、Ｌ＝６．２５６ ｅ～Ｈ、Ｃ＝１．９３ ｅ Ｆ时，开关触头分别在ｔ＝０．０２ ｓ、ｔ＝０．０２５ Ｓ、ｔ：０．０３ ｓ 开始分离的仿真结果，如图４所示。 从图４仿真结果可以看出，触头在ｔ＝０．０２ ｓ、 ｔ＝０．０３ ｓ分离，电弧电压从触头分离时开始突变， 并短时间内增幅高达４２Ｏ Ｖ以上。而触头在ｔ＝０．０２５ Ｓ 贵州大学学报（自然科学版） 第３４卷 １５００ Ｉ三 １０００ ５００ ０ ＼ ５００ ｌＯ００ 图４不同带电拔插时间点低压开关电弧电压 分离，且此时负荷两端的电压正好过零点，产生的 电弧电压高达１４００ Ｖ以上。由此可以得出，当负 荷两端的电压正好过零点时，开断开关，产生的电 弧危害最为严重。 ３．２．２ 不同负荷型式下的电弧特性分析 本文采用三组负荷分析不同负荷型式下的电 弧特性，负荷一：Ｒ：４５０ Ｑ、Ｌ＝６．２５６ ｅ叫Ｈ、Ｃ＝１．９３ ｅ—Ｆ，负荷二：Ｒ＝５０ ｎ、Ｌ＝６．２５６ ｅ Ｈ、Ｃ＝１．９３ ｅ Ｆ，负荷三：Ｒ：５ Ｑ、Ｌ＝６．２５６ ｅ～Ｈ、Ｃ＝１．９３ ｅ—Ｆ，开 关触头分别在ｔ＝０．０２ Ｓ、ｔ＝０．０２５ Ｓ、ｔ＝０．０３ ｓ开始分 离的仿真结果，如图５（ａ）（ｂ）（ｃ）所示： （ａ）ｔ：０．０２ Ｓ （ｃ）￡：０．０３ 图５不同负荷同一带电拔插时间点低压开关电弧电压 从图５仿真结果可以看出，触头在ｔ＝０．０２ ｓ、 ｔ＝０．０３ ｓ分离，三种负荷型式下的电弧电压变化曲 线基本相同。而触头在ｔ＝０．０２５ Ｓ分离，负荷一产 生的电弧电压高达１４００ Ｖ上，发生电弧现象最为 严重，负荷二产生的电弧电压高达８００ Ｖ以上，负 荷三次之。由此可以得出，在重载情况下，且重载 两端的电压正好过零点，此时产生的电弧现象尤其 突出。 ３．３消弧特性分析 为了能够更直观、更准确地分析该消弧装置的 灭弧能力，本文以负荷一为例，分析开关触头分别 在￡＝０．０２ ｓ、ｔ＝０．０２５ Ｓ、￡＝０．０３ ｓ开始分离的消弧 仿真结果，如图６所示。 将未装设消弧装置的电弧电压仿真结果 ４ 与装设消弧装置后的消弧电压仿真结果 ６进行 对比分析，得出本文所提出智能开关的消弧特性， 如表ｌ所示。 图６负荷一加装消弧装置后仿真结果 表ｌ消弧特性分析 ４ 结论 本文利用Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真工具对智能开 关模型进行建模仿真分析，验证了本文提出建议的 有效性。将二极管平衡桥电路嵌入开关中，为智能 开关的设计和开发提供了一个简单的解决方案， 时具备低通电阻和高阻的优势，为未来开关电器灭 第２期 石果等：基于Ｍａｔｌａｂ的消弧模型仿真研究 ・５３・ 弧的设计和开发提供了思路。同时，嵌入集成电路 保护功能在未来仍然是一个比较受欢迎的研究课 题。 ［８］穆永保，张建成．ＩＧＢＴ型固态开关技术的研究［Ｊ］．电气制造， ２００６（Ｏ１）：３３—３５． ［９］吴兆麟，沈琦，谌平平．具有短路限流保护的固态开关［Ｊ］．浙江 大学学报（工学版），１９９９（０４）：１５—１９． 参考文献： ［１］许娜，王景．电气设备故障的类型及产生原因［Ｊ］．自动化与仪 器仪表，２０１４（０６）：１８６～１８８． ［１０］过增元，赵文华．电弧和热等离子体［Ｍ］．北京：科学出版社， ｌ９８６． 【１１］陈文革，邢力谦，李金山．电力开关中电弧的产生机理及其灭 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Ｍａｔｌａｂ ＳＨＩ Ｇｕｏ，ＹＩＮ Ｈａｏｌｕｎ，ＺＨＵ Ｓｈｉｚｈｏｎｇ，ＳＯＮＧ Ｚｈｉｘｉｎｇ，ＸＵ Ｈｕｉｃｈｕａｎ，ＺＨＡＮＧ Ｐｅｎｇｆｅｉ，ＹＵＡＮ Ｘｕｆｅｎｇ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｉｒｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｇｕｉｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｇｕｉｙａｎｇ ５５００２５，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ａｒｃ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ａｎ ａｒｃ—ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅ ａｄｏｐｔｉｎｇ ＭＯＳＦＥＴ ｓｗｉｔｃｈ ｄｅｖｉｃｅ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅ ｄｅｖｉｃｅ ｓｅｔｓ ａ ｃｏｎｔａｃｔ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｐｏｉｎｔ ｏｆ ａ ｄｉｏｄｅ ｂｒｉｄｇｅ ｏｎ ｅａｃｈ ｓｉｄｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｗｉｔｃｈ，ｓｔａｒｔｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ ｐｕｌｓｅ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ａ ｓｈｏｒｔ ｎｅａｒ ｚｅｒｏ ｖｏｌｔａｇｅ ｆｏｒ ｓｈｏｒｔ ｃｉｒｃｕｉｔ ｓｗｉｔｃｈ ｔｈｒｏｕｇｈ ｐａｒａｌｌｅｌ ｄｉｏｄｅ ｂｒｉｄｇｅ，ｐｒｅｖｅｎｔｓ ｔｈｅ ｍｕｔａｔｉｏｎ ｏｆ ａｒｃ ｖｏｌｔａｇｅ，ＳＯ ｉｔ ｃａｎ ｓｕｐｐｒｅｓｓ ａｒｃ．Ｕｓｉｎｇ Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ ｔｏｏｌｓ，ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｓｗｉｔｃｈ ｅｑｕｉｐ— ｍｅｎｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｂｕｉｌｔ ａｎｄ ｔｈｅ ａｒｃ—ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｖｅｒｉｉｆｃａｔｉｏｎ ｗａｓ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｒｃ—ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｈａｓ ｇｏｏｄ ｉｎｈｉｂｉｔｉｏｎ ａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ａｒｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｒｃ；ａｒｃ—ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅ；ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｓｗｉｔｃｈ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
