運(yùn)用電子技術(shù)檢測(cè)低壓故障電弧的研究

【摘要】隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)代化程度的日益提高，通訊、電氣設(shè)備的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，由于電氣事故所造成的損失也更大，而故障電弧是引發(fā)電氣火災(zāi)最主要的原因之一，傳統(tǒng)的斷路器只能保護(hù)短路、過(guò)流和剩余電流，而無(wú)法對(duì)低于額定電流的故障電弧進(jìn)行檢測(cè)，電弧故障斷路器是基于電壓電流波形變化研制開(kāi)發(fā)出的可檢測(cè)故障電弧的技術(shù)。本文介紹了故障電弧及其危害和幾類目前使用的電弧檢測(cè)方法，以開(kāi)關(guān)電源為例，分析了利用線路電壓和電流相位差檢測(cè)低壓故障電弧的方法，對(duì)運(yùn)用給電子技術(shù)檢測(cè)低壓故障電弧方法進(jìn)行了探討。

【關(guān)鍵詞】電子技術(shù)故障電弧低壓檢測(cè)AFCI

電弧是一種電流穿透絕緣體介質(zhì)的發(fā)光發(fā)熱放電的自然想象，其溫度高、能量大、導(dǎo)電性強(qiáng)、質(zhì)量輕，可用于制作弧光燈、電弧爐等強(qiáng)光源、強(qiáng)熱源的產(chǎn)品為人類服務(wù)，線路上的電弧有“好弧”和“壞弧”之分，正常操作如插拔電氣產(chǎn)生的弧即是“好弧”，而隨機(jī)產(chǎn)生不受人類控制的弧為“壞弧”，也即是故障電弧，這類電弧極易引起火災(zāi)，甚至?xí)鸨?，造成?yán)重的電氣事故，通訊行業(yè)中小功率開(kāi)關(guān)電源起火的直接原因亦多是故障電弧，因此尋找有效的故障電弧檢測(cè)方法和手段，以在故障電弧造成危害前及時(shí)切斷短路，對(duì)降低電氣事故、火災(zāi)的發(fā)生率，減少損失有著十分重要的意義。

一、故障電弧及其危害

故障電弧根據(jù)電流的強(qiáng)度的不同可分為高水平電弧和低水平電弧，根據(jù)產(chǎn)生位置的不同有發(fā)生于單一帶電導(dǎo)體中的串聯(lián)電弧和發(fā)生于帶電導(dǎo)體間的并聯(lián)電弧，也有認(rèn)為故障電弧除串聯(lián)電弧和并聯(lián)電弧外，還有火線與地線并聯(lián)的接地電弧。

電弧故障產(chǎn)生的主要原因有連接處松動(dòng)或接觸不良、空氣潮濕引起的電壓擊穿、線束斷裂，及絕緣老化等，由于電弧溫度高，線路中出現(xiàn)故障電弧時(shí)弧中心的溫度可高達(dá)4000℃以上，并伴有金屬熔化物噴出，因此極易引起周圍可燃物的燃燒，引起火災(zāi)。

在低壓供電系統(tǒng)中，故障電弧通常較難產(chǎn)生，而當(dāng)絕緣層老化破損、電源連接錯(cuò)誤或是電氣連接不緊密時(shí)即可引起火花放電或氣體放電，由于低水平故障電弧電流小，傳統(tǒng)的斷路器難以檢測(cè)到，高水平故障電弧雖然電流大，但持續(xù)時(shí)間短，傳統(tǒng)的斷路器難以在故障電弧發(fā)生的短時(shí)間內(nèi)將其檢測(cè)出來(lái)，因此往往無(wú)法防止此類故障，導(dǎo)致由故障電弧引起的事故頻頻發(fā)生，對(duì)故障電弧進(jìn)行有效檢測(cè)的要求也更為迫切。

二、電弧檢測(cè)方法

近年來(lái)，隨著人們對(duì)故障電弧的重視，對(duì)故障電弧檢測(cè)的研究也越來(lái)越多，在檢測(cè)故障電弧時(shí)，需先檢測(cè)出電弧，再采用一定的方法判斷電弧是否為故障電弧，目前國(guó)內(nèi)外檢測(cè)電弧的方法大致有基于電弧模型的檢測(cè)方法、基于電弧物理現(xiàn)象的檢測(cè)方法和基于電弧電流電壓波形的檢測(cè)方法三大類。（1）基于電弧模型的檢測(cè)方法建立電弧模型，通過(guò)檢測(cè)參數(shù)來(lái)對(duì)電弧進(jìn)行檢測(cè)，低壓供電系統(tǒng)中電弧檢測(cè)可用的數(shù)學(xué)模型為空氣開(kāi)關(guān)電弧模型，此類較早的電弧模型為Cassie模型和Mayr模型，隨著研究的深入及現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展，逐漸出現(xiàn)了開(kāi)關(guān)電弧的輻射數(shù)學(xué)模型、鏈?zhǔn)诫娀?shù)學(xué)模型、二維MHD模型、三維MHD模型等多種用于電弧檢測(cè)的數(shù)學(xué)模型；（2）基于電弧物理現(xiàn)象的檢測(cè)方法是根據(jù)電弧產(chǎn)生時(shí)伴隨的弧光、噪聲等物理現(xiàn)象對(duì)電弧進(jìn)行檢測(cè)，利用此種方法的檢測(cè)裝備目前已有成套的系統(tǒng)，如以弧光和過(guò)流作為判據(jù)的Moeller公司低壓開(kāi)關(guān)柜故障電弧保護(hù)系統(tǒng)、Vaasa公司VAMP系統(tǒng)、以弧光頻譜和電弧短路電流來(lái)檢測(cè)電弧的ABB公司ARC Guard System等。（3）線路中故障電弧產(chǎn)生時(shí)，電網(wǎng)中的電壓和電流波形都會(huì)出現(xiàn)明顯的變化，基于電流電壓波形的電弧檢測(cè)方法即是以此作為基礎(chǔ)來(lái)檢測(cè)故障電弧的。故障電弧斷路器（Arc Fault Circuit Interrupters，AFCI）技術(shù)是基于此種檢測(cè)方法而開(kāi)發(fā)研制，是目前較為先進(jìn)的電路保護(hù)技術(shù)。

三、開(kāi)關(guān)電源低壓故障電弧檢測(cè)

開(kāi)關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)管開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)間比率來(lái)維持輸出電壓穩(wěn)定的電源，具有體較小、重量輕、效率高、供電質(zhì)量好等多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，在通訊、計(jì)算機(jī)、航空、家電等多個(gè)領(lǐng)域內(nèi)都有著廣泛的應(yīng)用，其中高頻小型化的開(kāi)關(guān)電源及技術(shù)已成為現(xiàn)代通信供電系統(tǒng)的主流，而由于小型化簡(jiǎn)約化的設(shè)計(jì)，開(kāi)關(guān)電源中元件布線的密集度都很高，通常也沒(méi)有保險(xiǎn)絲，加之開(kāi)關(guān)電源的輸入阻抗采用的是低阻抗，發(fā)生短路故障時(shí)故障電流無(wú)法限制，從而極易發(fā)生故障電弧，導(dǎo)致起火。本文即以開(kāi)關(guān)電源為例對(duì)基于電流電壓波形的低壓故障電弧檢測(cè)方法進(jìn)行分析。

1、開(kāi)關(guān)電源組成及線路伏安相位特性。開(kāi)關(guān)電源一般由AC-DC（交流—直流）變換電路、開(kāi)關(guān)電路、開(kāi)關(guān)控制電路和DC-DC（直流—直流）變換電路組成，AC-DC變換電路通常是由二極管整流橋和鋁電解電容器構(gòu)成，在開(kāi)關(guān)電源穩(wěn)定工作時(shí)，連續(xù)工頻半周期的線路電壓和電路工頻成分的相位差基本保持不變，而低壓故障電弧則不具有此種特性，開(kāi)關(guān)電源穩(wěn)定工作時(shí)其電容器端電壓、電流的波形。

2、開(kāi)關(guān)電源低壓故障電弧檢測(cè)。開(kāi)關(guān)電源的故障電弧屬于低壓故障電弧，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，以UL1699《電弧故障斷電器》標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)規(guī)定，制作電弧發(fā)生器，電弧發(fā)生器靜止電極為直徑8mm的碳—石墨棒，可移動(dòng)電極為直徑3mm的銅棒，將電弧發(fā)生器、負(fù)載、開(kāi)關(guān)和精密電流互感器串聯(lián)接入220V的供電系統(tǒng)中，利用電弧數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，進(jìn)行開(kāi)關(guān)電源串聯(lián)故障電弧實(shí)驗(yàn)，由實(shí)驗(yàn)得出的開(kāi)關(guān)電源低壓故障電弧電流波形圖分析得知，線路電壓和電流波形有劇烈抖動(dòng)和變化，使不同工頻半周期的線路電壓和電流工頻分量相位差發(fā)生非單調(diào)的變化。而在開(kāi)關(guān)電源穩(wěn)定工作時(shí)的實(shí)驗(yàn)中，結(jié)果表明線路電源的絕對(duì)值滿足周期性，且一個(gè)電流絕對(duì)值周期對(duì)應(yīng)半個(gè)工頻周期，也即是在開(kāi)關(guān)電源穩(wěn)定工作時(shí)，線路電壓和電流的相位差基本保持不變，這與上文的理論分析一致。由此，當(dāng)連續(xù)多個(gè)工頻半周期的線路電壓和電流相位差發(fā)生非單調(diào)變化時(shí)即可判斷發(fā)生了故障電弧。

3、低壓故障電弧檢測(cè)算法。在進(jìn)行低壓故障電弧計(jì)算時(shí)，采用快速傅氏變換（Fast Fourier Transformation，F(xiàn)FT）算法，綜合電弧電流快速傅氏變換系數(shù)異常及電弧電磁輻射特性，按照UL1699標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定，故障電弧斷路器在0.5秒內(nèi)檢測(cè)到8個(gè)半周期時(shí)，故障電弧斷電器執(zhí)行脫扣工作，切斷供電路線。

四、結(jié)語(yǔ)

電弧在包括通訊在內(nèi)的多個(gè)領(lǐng)域內(nèi)均有著一定的威脅，由故障電弧引起的電氣火災(zāi)所造成的損失十分大，目前隨著研究的深入，電弧故障電路器在檢測(cè)故障電弧上已取得一定的成就，但當(dāng)前的故障電弧檢測(cè)主要還是在電弧發(fā)生后再檢測(cè)，因而在電弧發(fā)生前既可通過(guò)一定的方法檢測(cè)出來(lái)并提出預(yù)警將是故障電弧檢測(cè)研究的新課題和發(fā)展方向。

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