汪 倩，陳思磊，孟 羽，伍李陽(yáng)，李興文

（1.西安理工大學(xué)理學(xué)院，西安 710054；2.西安理工大學(xué)電氣工程學(xué)院，西安 710048；3.西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710049）

0 引言

隨著我國(guó)低壓配用電行業(yè)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，系統(tǒng)規(guī)模與電壓電流等級(jí)逐漸增大，線纜結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，潛在的線路安全風(fēng)險(xiǎn)也隨之增加。據(jù)應(yīng)急管理部消防救援局統(tǒng)計(jì)，2012 至2021 年間全國(guó)電氣火災(zāi)共發(fā)生56.5 萬起［1］，由于動(dòng)物撕咬、線路連接松動(dòng)等原因?qū)е碌墓收想娀〕闪艘l(fā)火災(zāi)的重要原因之一。按照發(fā)生位置，故障電弧可主要分為串聯(lián)型與并聯(lián)型［2］。并聯(lián)型電弧在發(fā)生后回路電流幅值快速上升，容易被系統(tǒng)過流保護(hù)功能檢測(cè)，而串聯(lián)型電弧則會(huì)使回路電流幅值下降，傳統(tǒng)系統(tǒng)保護(hù)技術(shù)難以及時(shí)有效檢測(cè)，潛在危害更大，是目前電弧檢測(cè)的重要研究難題。

為了規(guī)范交流故障電弧檢測(cè)要求，國(guó)內(nèi)外均提出了相應(yīng)的規(guī)范要求［3-4］。國(guó)家于2014 年頒布了GB／T 31143《電弧故障保護(hù)電器的一般要求》標(biāo)準(zhǔn)，面向額定電壓不超過240 V，額定電流不超過63A 的電弧保護(hù)裝置，提出了系統(tǒng)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)流程，針對(duì)不同電流等級(jí)制定了交流故障電弧有效檢測(cè)時(shí)間范圍［5］。

伴隨光伏發(fā)電、儲(chǔ)能系統(tǒng)、電動(dòng)汽車等直流源荷的推廣應(yīng)用，直流配用電形式逐漸與傳統(tǒng)的交流形式融合，一同構(gòu)建形成新型電力系統(tǒng)。大量電力電子設(shè)備的接入使得系統(tǒng)內(nèi)的開關(guān)噪聲嚴(yán)重干擾了電弧的及時(shí)精準(zhǔn)檢測(cè)，研究直流電弧的檢測(cè)特性變得尤為迫切。美國(guó)保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室提出了UL 1699B 標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范了直流故障電弧檢測(cè)設(shè)備的試驗(yàn)流程，要求檢測(cè)時(shí)間不得超過2.5 s［6］。

已有的交直流故障電弧檢測(cè)主要關(guān)注電弧的弧光弧聲［7］、電磁輻射［8］、電流電壓［9］等信號(hào)，通過短時(shí)傅里葉變換［10］、小波變換［11］等信號(hào)分析方法提取電弧有效檢測(cè)特征，并利用機(jī)器學(xué)習(xí)的方式構(gòu)建形成檢測(cè)算法［12］。大多數(shù)檢測(cè)方法尚停留在理論分析層面，在檢測(cè)范圍、檢測(cè)精度、實(shí)現(xiàn)成本等方面仍存在諸多不足，因此仍需要獲取更豐富的電弧實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以優(yōu)化驗(yàn)證檢測(cè)算法。

基于此，本文搭建涵蓋多場(chǎng)景的交直流串聯(lián)故障電弧實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)計(jì)多類別交直流故障電弧實(shí)驗(yàn)方案，智能、高效實(shí)現(xiàn)低壓配用電場(chǎng)景不同源荷組合下交直流電弧模擬與信號(hào)采集，為分析電弧檢測(cè)特性實(shí)驗(yàn)提供了必備實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 交直流串聯(lián)故障電弧實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

交直流故障電弧采用不同的生弧方式模擬電弧發(fā)生，因此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由以碳化電纜為主的交流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與以電極拉弧裝置為主的直流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成，通過開關(guān)的切換開展不同故障電弧實(shí)驗(yàn)。

1.1 整體故障電弧實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖1 所示為交直流串聯(lián)故障電弧實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過改變各個(gè)開關(guān)狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)不同場(chǎng)景的電弧實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)整體采用三相交流供電方式，交流實(shí)驗(yàn)回路以220 V 交流電壓為主，配合各類家用負(fù)載模擬住建場(chǎng)景的電弧發(fā)生；直流實(shí)驗(yàn)回路利用電壓范圍0～500 V，最大功率18 kW的直流電源進(jìn)行整流供電，配合電阻箱、長(zhǎng)線纜模擬直流場(chǎng)景下不同距離的電弧發(fā)生。

圖1 交直流串聯(lián)故障電弧實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖

考慮到家用負(fù)載工作特性受不同廠家、不同規(guī)格等因素影響，交流故障電弧實(shí)驗(yàn)回路在標(biāo)準(zhǔn)GB／T 31143 的基礎(chǔ)上進(jìn)一步豐富了負(fù)載類型與負(fù)載規(guī)格。實(shí)驗(yàn)回路不僅包含了吸塵器、空壓機(jī)、開關(guān)電源、白熾燈、鹵素?zé)?、熒光燈、電鉆、電阻箱等8 類標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的典型家用負(fù)載，還增添了電飯煲、電磁爐、計(jì)算機(jī)、空調(diào)、熱水器等各類常見家用負(fù)載，涵蓋了基于電熱、電光、電動(dòng)、電磁等各類工作原理的55 類負(fù)載。同時(shí)也補(bǔ)充了不同生產(chǎn)廠家、不同參數(shù)規(guī)格的同類負(fù)載，進(jìn)而可提供較為完備的交流電弧數(shù)據(jù)支撐。圖2 所示為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)涉及的部分交流負(fù)載。

圖2 交流故障電弧實(shí)驗(yàn)平臺(tái)部分實(shí)驗(yàn)負(fù)載

直流家用負(fù)載普及度較低，仍處于設(shè)計(jì)研發(fā)階段［13］，因此直流故障電弧實(shí)驗(yàn)回路主要以電阻箱作為測(cè)試負(fù)載，同時(shí)考慮增補(bǔ)各類逆變器、變換器等電力電子設(shè)備以豐富直流場(chǎng)景類型。電力電子裝置的開關(guān)噪聲與長(zhǎng)線纜引入的線路阻抗均會(huì)對(duì)電弧特性產(chǎn)生弱化干擾［14］，研究弱化的電弧特性有利于提升檢測(cè)特征質(zhì)量與檢測(cè)算法精度。

1.2 交流電弧實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB／T31143，交流電弧主要通過圖3 所示的碳化電纜產(chǎn)生，電纜由2根原本絕緣、橫截面積為1.5 mm2的線纜構(gòu)成。為了達(dá)到產(chǎn)生電弧的條件，在垂直于電纜方向做出切口，并置于實(shí)驗(yàn)回路中，導(dǎo)通圖1中的開關(guān)S7，斷開其他開關(guān)，利用碳化設(shè)備在電纜處施加高壓形成碳化導(dǎo)電路徑；斷開開關(guān)S7 并利用其他開關(guān)開展交流電弧實(shí)驗(yàn)。

圖3 碳化電纜實(shí)物圖

碳化設(shè)備一般采用可提供開路電壓7 kV、短路電流30 mA的電源，持續(xù)工作10 s以形成充分碳化的導(dǎo)通路徑，并配備相應(yīng)的排氣設(shè)備及時(shí)除去碳化過程產(chǎn)生的煙霧。碳化好的導(dǎo)通路徑極其脆弱，易在外力作用下失效，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了多個(gè)開關(guān)位置，實(shí)現(xiàn)在不移動(dòng)碳化電纜的情況下安全切換碳化回路與實(shí)驗(yàn)回路的目的。

為了增大覆蓋范圍、提升利用效率，電弧檢測(cè)與保護(hù)裝置主要安裝在主線側(cè)，而電弧不同的發(fā)生位置會(huì)對(duì)主線側(cè)測(cè)量得到的電弧檢測(cè)特性產(chǎn)生干擾?；诖?，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB／T 31143 設(shè)計(jì)了圖4 所示的4 類系統(tǒng)回路配置。故障電弧分別發(fā)生在總線與不同支路，以此可與單支路實(shí)驗(yàn)對(duì)比，進(jìn)而研究不同電弧位置對(duì)電弧檢測(cè)的影響。依托此實(shí)驗(yàn)回路，亦可將多類家用負(fù)載同時(shí)接入電路，研究多支路條件下的電弧檢測(cè)特性。

1.3 直流電弧實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

直流電弧主要通過圖5 所示的故障電弧發(fā)生裝置（Arc Fault Generator，AFG）產(chǎn)生。其主要由2 根直徑為φ6.35 mm的棒狀電極組成，初始2 根電極緊密接觸，隨后移動(dòng)電極按照設(shè)置的速度移動(dòng)固定距離以模擬實(shí)際場(chǎng)景的連接松動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生電弧。不同電極材料的電弧特性存在差異［15］，因此AFG 將電極與低阻金屬基座共同接入實(shí)驗(yàn)回路，便于不同材料的電極更換接入。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)制備了了紫銅、黃銅、純鋁、不銹鋼、石墨、球墨鑄鐵等6 類電氣領(lǐng)域常見材料的電極，每類材料均包含了圓錐面、圓柱面等不同形狀的電極以供實(shí)驗(yàn)。

圖5 AFG實(shí)物圖

實(shí)驗(yàn)中，電弧間隙過大、拉弧速度過快均易導(dǎo)致電弧難以有效維持，間隙過小、拉弧速度過慢則可能會(huì)導(dǎo)致兩電極被燒蝕后重新固化的電極顆粒粘連而“焊”在一起。因此，電弧的間隙與拉弧速度需要與電弧電壓與電弧電流等級(jí)匹配才能獲得最佳的生弧效果。

此外，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)利用PLC 控制模塊驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作，基于LabVIEW 軟件編寫相關(guān)程序，實(shí)現(xiàn)了電極自動(dòng)化精準(zhǔn)移動(dòng)。圖6 所示為設(shè)計(jì)的AFG 操作界面，可設(shè)置電弧測(cè)試速度與測(cè)試距離實(shí)現(xiàn)不同的電弧發(fā)生條件。AFG內(nèi)部裝有測(cè)試LED燈，若兩電極接觸良好，LED則會(huì)發(fā)光提示，基于此實(shí)現(xiàn)了AFG 電極的自動(dòng)接觸，減少了人為操作引起的誤差。

圖6 AFG操作界面

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用各類電流、電壓傳感器獲取電弧的電氣信號(hào)，并傳遞至示波器Tektronix DPO4045 以1 MHz的采樣率記錄存儲(chǔ)電弧數(shù)據(jù)。示波器通過設(shè)置電弧電壓出現(xiàn)作為觸發(fā)條件，自動(dòng)記錄電弧發(fā)生前后的數(shù)據(jù)。

2.1 交流電弧實(shí)驗(yàn)

通過改變家用負(fù)載類型，獲得了圖7 所示的各類負(fù)載故障電弧波形。不同負(fù)載在正常運(yùn)行時(shí)便具有不同的電流形態(tài)，尤其是吸塵器、開關(guān)電源等負(fù)載，其工作電流波形在同一周期內(nèi)的各自半個(gè)周期并不對(duì)稱。在電弧發(fā)生后，電流形態(tài)亦會(huì)發(fā)生變化，最明顯的差異體現(xiàn)在電流過零點(diǎn)階段的平肩現(xiàn)象，這源于電弧在電流過零前后的熄弧與重燃過程。然而，這一差異并不能作為檢測(cè)交流電弧的依據(jù)，家用空壓機(jī)等部分負(fù)載正常運(yùn)行時(shí)的電流也存在類似的平肩現(xiàn)象，如圖8 所示。因此，交流電弧的精準(zhǔn)檢測(cè)仍需從電弧實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中深入挖掘有效的時(shí)頻信息。

圖7 不同家用負(fù)載的交流故障電弧電流

為了研究電弧不同的發(fā)生位置，以吸塵器負(fù)載為例，分別按照?qǐng)D4 的4 類配置方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，故障電弧電流波形如圖9 所示。

圖9 不同系統(tǒng)配置的吸塵器交流故障電弧電流

對(duì)于配置A與C，電弧發(fā)生在家用負(fù)載側(cè)，電弧發(fā)生后電流形態(tài)會(huì)出現(xiàn)較大的變化，容易與正常狀態(tài)進(jìn)行區(qū)分；而對(duì)于配置B與D，電弧發(fā)生在電阻箱支路與總線上，總線側(cè)采集的電弧電流包含了相對(duì)完整的家用負(fù)載工作特性，因此故障電弧時(shí)期的電流形態(tài)與正常運(yùn)行時(shí)期的電流形態(tài)差異較小，故障電弧精準(zhǔn)檢測(cè)難度更大。

2.2 直流電弧實(shí)驗(yàn)

將直流電源電壓設(shè)置為318 V、電流設(shè)置為8A，并設(shè)置電弧間隙為0.8 mm、拉弧速度為2.5 mm／s，通過更換不同材料的電極，獲得了圖10 所示的直流電弧波形。

圖10 不同電極材料的直流故障電弧電流

在直流串聯(lián)電弧發(fā)生后，電弧電流幅值均出現(xiàn)了下降，尤其在電極移動(dòng)階段，電流幅值隨著電弧間隙的增大而持續(xù)下降，電弧間隙固定后電流幅值均值才保持穩(wěn)定。但不同電極材料的電弧波形存在明顯差異，純鋁電極的電弧電流波動(dòng)幅度較小，石墨電極的電弧電流波動(dòng)幅度較大。由此可見，電極材料差異會(huì)影響電弧的電流形態(tài)，進(jìn)而影響電弧檢測(cè)特性。

2.3 電弧圖像分析

研究電弧形態(tài)有助于理解放電過程中電弧的變化，以便構(gòu)建更貼合的電弧仿真模型。圖11 為高速相機(jī)拍攝燃弧過程的其中一幀電弧圖像［16］，電極選用紫銅材料。

圖11 高速相機(jī)拍攝的電弧形態(tài)

在生弧開始時(shí)，固定電極上的弧根幾乎位于其中心區(qū)域；隨著生弧間隙的增大，電弧根部和藍(lán)綠色等離子體弧區(qū)在2 個(gè)電極上上升，并停留在2 個(gè)電極的尖銳區(qū)域。在外界對(duì)流和自身高熱的影響下，穩(wěn)定的電弧弧柱形成拱形，明亮的電弧被電極氣化形成的銅金屬蒸汽所包圍，形成的銅金屬蒸汽也會(huì)對(duì)電極間的電弧燃燒形態(tài)產(chǎn)生影響。電弧形態(tài)隨著時(shí)間推移不斷變化，其相關(guān)參數(shù)可能與電弧特性存在關(guān)聯(lián)。

3 結(jié)論

本文依據(jù)相關(guān)故障電弧測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)并搭建了交直流串聯(lián)故障電弧實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，開展了各類場(chǎng)景不同源荷的電弧實(shí)驗(yàn)。研究結(jié)果表明，輸出結(jié)果準(zhǔn)確可靠，人機(jī)交互界面簡(jiǎn)單高效，實(shí)驗(yàn)操作安全穩(wěn)定，數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)快速便捷，可為電弧檢測(cè)特性的研究提供重要實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，具有良好的應(yīng)用前景。