劉麗，董文忠

(1.沈陽航空航天大學(xué)，電子信息工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110136;2.興城廣播電視臺(tái)，遼寧 葫蘆島 125100)

低壓串聯(lián)電弧故障特征與檢測方法分析

劉麗1，董文忠2

(1.沈陽航空航天大學(xué)，電子信息工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110136;2.興城廣播電視臺(tái)，遼寧 葫蘆島 125100)

提出了低壓配電線路中的電弧故障是電氣火災(zāi)主要誘因之一，針對(duì)電弧故障的發(fā)生發(fā)展過程進(jìn)行了描述，對(duì)于電弧故障的類別及特征進(jìn)行了分析，得出低壓配電線路中的串聯(lián)電弧故障易隱匿于線路中的特點(diǎn)，且難以對(duì)其進(jìn)行檢測。同時(shí)對(duì)低壓配電線路中串聯(lián)電弧故障的電壓、電流波形進(jìn)行了一般特性的分析，指出了串聯(lián)電弧故障電壓、電流波形的時(shí)域特征。最后總結(jié)分析了現(xiàn)有的電弧故障檢測技術(shù)，得出結(jié)論是，以電壓或電流波形特征為檢測和判斷對(duì)象的電弧故障檢測方法最為可行。

電氣火災(zāi)；電弧故障；檢測方法

1 引言

隨著現(xiàn)代電器智能化程度的提高，居民生活離不開電器，隨之而來的是電氣火災(zāi)對(duì)人們生命財(cái)產(chǎn)安全的威脅。據(jù)美國消防局公布的數(shù)據(jù)來看，2006年美國住宅火災(zāi)中有六萬多起的起因是電氣故障，直接財(cái)產(chǎn)損失高達(dá)八億多美元。美國消防局公布數(shù)據(jù)顯示，住宅中的配電線路故障導(dǎo)致電氣火災(zāi)是電器設(shè)備故障引起火災(zāi)的兩倍，其中電弧故障是電氣火災(zāi)的主要誘因之一。

近十年來，我國的電氣火災(zāi)形勢嚴(yán)峻，因電氣原因引發(fā)的火災(zāi)，無論是發(fā)生率，還是造成的生命財(cái)產(chǎn)損失，均居各類火災(zāi)之首。僅2007～2010年間，我國共發(fā)生火災(zāi)五十多萬起，其中電氣火災(zāi)高達(dá)一萬六千多起，由電弧故障導(dǎo)致的火災(zāi)占總電氣火災(zāi)的51%，直接經(jīng)濟(jì)損失占總火災(zāi)損失的36%，因此低壓配電線路中的電弧故障是引發(fā)電氣火災(zāi)的重要原因[1-2]。

2 電弧故障類型與特征

2.1 電弧的發(fā)生與特點(diǎn)

美國UL1699標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電弧做了如下定義，電弧是電流在氣體絕緣介質(zhì)中產(chǎn)生的發(fā)光放電過程，并伴隨著電極材料的揮發(fā)。電弧的燃熾現(xiàn)象與氣體種類、電極材料乃至電極的幾何形狀、壓力、兩極間距、間隙電壓等多種因素有關(guān)。電弧的引燃過程是氣體的放電過程，常態(tài)下的氣體介質(zhì)絕緣性能良好，當(dāng)氣體間隙電場足夠大時(shí)，氣體擊穿且變?yōu)榱己脤?dǎo)體，可順利流過電流，這便是電弧的引燃過程。

電弧是氣體游離放電現(xiàn)象，也是一種等離子體。電弧中的電流從微觀上看是電子及正離子在電場作用下移動(dòng)的結(jié)果，其中電子的移動(dòng)構(gòu)成電流的主要部分。電弧的特點(diǎn)是電流很小，持續(xù)時(shí)間短，一旦出現(xiàn)擊穿點(diǎn)則會(huì)頻繁出現(xiàn)。電弧產(chǎn)生時(shí)，溫度很高，會(huì)釋放大量的熱，很容易引燃周圍的可燃物。

2.2 電弧故障的分類

低壓配電線路上的電弧可分為兩種，一種是正常的操作電弧，稱為“好弧”，是指電機(jī)旋轉(zhuǎn)(如電鉆、吸塵器等)產(chǎn)生的電弧，另外電器設(shè)備開關(guān)和插拔過程所產(chǎn)生的電弧也是“好弧”；另一種是故障電弧，稱為“壞弧”。

低壓配電線路中，電弧產(chǎn)生故障的類型基本上可分兩類：串聯(lián)電弧故障和并聯(lián)電弧故障。串聯(lián)電弧故障如圖1(a)所示，電弧燃熾在一根導(dǎo)線上；而并聯(lián)電弧故障如圖1(b)所示，電弧燃熾在兩根導(dǎo)線之間；另外還有對(duì)地電弧故障，如圖1(c)所示，一般認(rèn)為對(duì)地電弧故障也屬于并聯(lián)電弧故障。

圖1 電弧故障分類

串、并聯(lián)電弧故障的電流幅值存在很大差異，串、并聯(lián)電弧故障電流幅值與支路正常電流幅值范圍如圖2所示。并聯(lián)電弧故障類似于短路過程，電流幅值一般能達(dá)到75～500A，且由供電電源決定，現(xiàn)有的過流和短路保護(hù)裝置完全能夠起到保護(hù)作用。

串聯(lián)電弧故障電流受到線路負(fù)載的影響，電流幅值較小，一般在5～30A以內(nèi)，而線路負(fù)載正常運(yùn)行電流范圍也是在30A以內(nèi)，因此，現(xiàn)有的過流和短路保護(hù)裝置無法起到保護(hù)作用。

圖2

2.3 電弧故障一般波形特征

低壓配電線路為交流系統(tǒng)，交流系統(tǒng)中的串聯(lián)電弧故障是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，其伏安特性也存在動(dòng)態(tài)特性。圖3是低壓配電線路中阻性負(fù)載串聯(lián)電弧故障的電壓、電流波形曲線。電弧故障電流在半周期開始時(shí)，電壓急劇攀升到最大值，該值為燃弧電壓，之后電壓值很快回落到能夠維持電弧持續(xù)燃熾的幅值；在半周期即將結(jié)束時(shí)，電壓值再一次回升到熄弧電壓，然后迅速降到零。交流串聯(lián)電弧故障的電流波形存在畸變，交流電流的周期性交替，使電弧電流每半個(gè)周期都要經(jīng)過一次零點(diǎn)。電流為零時(shí)弧隙能量也為零，因此電弧溫度下降，有利于熄弧[3]。所以電流過零點(diǎn)以前幅值迅速下降，而在直接過零點(diǎn)附近，下降速度變緩，甚至為零，此時(shí)電流幅值維持在一個(gè)較小數(shù)值，出現(xiàn)了緩慢變化區(qū)，即“零休”區(qū)間。

圖3 交流串聯(lián)電弧故障電壓、電流波形

另外，Square D公司的Gregory等人經(jīng)過長期研究，總結(jié)出電弧故障電電壓、流波形的一些重要特征如下[4]：

(1)電弧發(fā)生時(shí)，電壓和電流波形中存在高頻噪聲；

(2)電弧產(chǎn)生后，出現(xiàn)壓降現(xiàn)象；

(3)電弧電流出現(xiàn)急劇攀升現(xiàn)象，電流變化率變大；

(4)電流出現(xiàn)零休現(xiàn)象，電弧電流小于正常運(yùn)行電流；

(5)電弧的電壓波形接近矩形波；

(6)電弧斷續(xù)出現(xiàn)，并夾雜著正常電流信號(hào)。

3 電弧故障檢測方法

有效的檢測低壓配電線路中的串聯(lián)電弧故障，必須實(shí)時(shí)監(jiān)測整個(gè)配電線路的工作狀態(tài)，并在電弧故障發(fā)生時(shí)及時(shí)作出響應(yīng)。經(jīng)歸納總結(jié)可知，電弧故障的檢測方法分為以下三類。

3.1 基于電弧數(shù)學(xué)模型的檢測方法

最適用于低壓串聯(lián)電弧故障的數(shù)學(xué)模型是空氣開關(guān)電弧的數(shù)學(xué)模型。Cassie模型和Mayr模型分別是1939年和1943年提出的，隨著對(duì)電弧認(rèn)識(shí)的進(jìn)一步加深，先后出現(xiàn)了開關(guān)電弧的輻射數(shù)學(xué)模型、鏈?zhǔn)诫娀∧Ｐ?、二維MHD電弧數(shù)學(xué)模型、三維MHD電弧數(shù)學(xué)模型等[4-6]。

電弧數(shù)學(xué)模型使用條件存在較大的限制，且檢測參數(shù)較多設(shè)置困難，所以利用電弧數(shù)學(xué)模型進(jìn)行電弧故障檢測沒有獲得太大的進(jìn)展，僅停留在仿真階段。但對(duì)電弧數(shù)學(xué)模型的深入研究能了解電弧本質(zhì)，并對(duì)電弧故障的檢測起到基礎(chǔ)性作用。

3.2 基于電弧物理現(xiàn)象的檢測方法

電弧的產(chǎn)生伴有明顯物理現(xiàn)象，如弧光、噪聲、輻射、溫度變化等。配電柜中產(chǎn)生電弧電流較大，這些物理現(xiàn)象明顯，表現(xiàn)為高溫、高壓、噪聲和強(qiáng)烈的電弧光，基于電弧放電的物理現(xiàn)象便可有效的檢測出電弧故障。而建筑中的低壓供配電系統(tǒng)中所產(chǎn)生的電弧電流較小，其物理現(xiàn)象相對(duì)較弱，而且燃弧位置分散性強(qiáng)，這給檢測電弧故障帶來很大的難題。比如，傳感器靈敏度要求較高，易造成電弧故障誤報(bào)；檢測點(diǎn)必須靠近電弧發(fā)生的位置，然而線路中的電弧故障很難預(yù)測其發(fā)生位置；家庭用電設(shè)備所產(chǎn)生的“好弧”與電弧故障存在相同的物理現(xiàn)象，很難區(qū)分。

3.3 基于電壓、電流波形的電弧故障檢測方法

住宅中的用電系統(tǒng)產(chǎn)生電弧故障時(shí)，線路中的電壓、電流波形會(huì)發(fā)生嚴(yán)重畸變，具體的畸變情況與負(fù)載類型有關(guān)。最具代表性的利用電壓、電流特性檢測電弧故障的是電弧故障斷路器(Arc Fault Circuit Interrupter)。AFCI裝置的提法于1993年首先在美國出現(xiàn)。2004年8月1日以后，美國市場銷售的家用空調(diào)要求必須帶具有AFCI功能的電源插頭[7]。

利用線路中的電壓和電流檢測電弧故障易于實(shí)現(xiàn)，且檢測位置受限制較小，該方法已成為目前的研究熱點(diǎn)。但由于配電線路中存在與電弧故障電壓和電流波形相似的波形，且不同電氣設(shè)備負(fù)載所在支路的電弧故障電壓和電流波形存在較大差異，因此，如何有效區(qū)分各類電氣負(fù)載支路電弧故障的電壓和電流的波形畸變是一個(gè)亟待解決的重要問題。

4 結(jié)論

本文從電氣火災(zāi)的角度分析了電弧故障給人們生命財(cái)產(chǎn)帶來的危害，并對(duì)電弧故障的發(fā)生和發(fā)展進(jìn)行了分析，通過分析串、并聯(lián)電弧故障的燃弧特征，可知串聯(lián)電弧故障是最難預(yù)防的類型，其電流波形幅值與線路設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)的電流相差不大，由此本文通過查閱大量資料，分析了幾種電弧故障檢測方法，通過比較可以得知，基于配電線路中電壓和電流波形畸變情況的電弧故障檢測方法具備可行性，但是如何有效的區(qū)分大量電器負(fù)載電弧故障的電壓和電流波形的畸變情況，還有待進(jìn)一步的深入研究。

[1] 陳雪剛.基于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的我國電氣火災(zāi)特點(diǎn)分析[J].消防技術(shù)與產(chǎn)品信息,2012,(5):47.

[2] 公安部消防局.2011中國消防年鑒[M].北京:國際文化出版公司,2011.

[3] 王其平.電氣電弧理論[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1982.

[4] Gregory GD.Kon Wong.More about arc-fault circuit interrupters.IEEE Transactions on Industry Applications.Vol.40,No.4,July/august 2004.

[5] 李興文,陳德桂.空氣開關(guān)電弧的數(shù)學(xué)模型及其特性的研究綜述[J].高壓電器,2007,43(4):269-273.

[6] 孟慶海,牟龍華,林伯泉.低能電弧放電模型比較分析[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2002,31(2): 201-203.

[7] 羅雷,劉暉.淺談電弧故障斷路器[J].低壓電器,2009,(14):33-39.

Low Voltage Series Arc Fault Characteristics and Test Method Analysis

LIULi1,DONGWen-zhong2

( 1.Shenyang Aerospace University，College of Electronic Information Engineering,Shenyang 110136,China;2.Xingcheng Radio and TV Station,Huludao 125100,China)

This thesis put forward that the arc fault in the low-voltage distribution line is one of the main causes for electrical fire,described the development process of arc fault,analyzed the types and the characteristics of arc fault and concluded that characteristics of series arc fault easily concealed in the line of the low-voltage distribution line.It is hard to detect.At the same time on the waveform of the voltage,the series arc fault of low-voltage distributionlines in the current based on the analysis of the characteristics of the time domain features,pointed out the characteristics of the series arc fault voltage or current waveform.Finally,this thesis summarized and analyzed the existing arc fault detection technology,the conclusion is that the arc fault detection method which uses voltage or current waveform characteristics as judgment object is most feasible.

electrical fire;arc fault;detection method

1004-289X(2015)03-0012-03

TM50

B

2015-03-30