弧隙間距對(duì)電弧故障電流波形的影響及檢測(cè)方法研究

張冠英，孫瑩，張曉亮，季弘歷

（河北工業(yè)大學(xué)電磁場(chǎng)與電器可靠性省部共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300130）

弧隙間距對(duì)電弧故障電流波形的影響及檢測(cè)方法研究

張冠英，孫瑩，張曉亮，季弘歷

（河北工業(yè)大學(xué)電磁場(chǎng)與電器可靠性省部共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300130）

在串聯(lián)電弧故障中，負(fù)載類型和弧隙間距是影響電弧電流波形特征的重要因素，然而當(dāng)前大多研究集中在負(fù)載類型的影響上，對(duì)于弧隙間距的影響研究較少．本文基于電弧是一種氣體放電現(xiàn)象，產(chǎn)生時(shí)伴有弧光這一依據(jù)，提出了一種利用弧光來標(biāo)定電弧起熄時(shí)間的方法，方法在提高電弧故障試驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠性的同時(shí)，還可以根據(jù)弧光信號(hào)的周期性脈沖計(jì)算電弧過程中電極距離的改變，進(jìn)而分析弧隙間距對(duì)電弧電流波形及檢測(cè)方法的影響．在此基礎(chǔ)上，對(duì)幾種典型負(fù)載進(jìn)行了串聯(lián)電弧故障試驗(yàn)，并用示波器同步采集了電弧電流和弧光數(shù)據(jù)，基于此數(shù)據(jù)分析了典型負(fù)載下弧隙間距對(duì)電弧電流波形特征以及不同檢測(cè)方法的影響．分析結(jié)果對(duì)提高電弧故障檢測(cè)方法的可靠性具有一定參考價(jià)值．

弧隙間距；弧光標(biāo)定；電弧故障；電流波形；檢測(cè)方法

在當(dāng)前有關(guān)串聯(lián)電弧故障檢測(cè)的研究中，多數(shù)文獻(xiàn)選擇以電弧電流作為檢測(cè)量[1-3]，并制作基于UL1699標(biāo)準(zhǔn)[4]的電弧發(fā)生器，通過調(diào)節(jié)電極距離來模擬電弧故障的發(fā)生，從而對(duì)電弧故障電流波形特征及檢測(cè)方法進(jìn)行研究[2-14]，這些研究大多集中在負(fù)載類型這一影響因素上，但在實(shí)際情況中，除負(fù)載類型這一因素外，電弧故障的電流波形特征的影響因素還有很多，例如電極材料和形狀、氣體特性以及弧隙間距等，其中弧隙間距也是一個(gè)重要因素，文獻(xiàn)[15]在這方面做了一定的研究，其主要研究的是電極從閉合到斷開這一過程中電極距離對(duì)電阻性負(fù)載的電弧故障電流、電壓特征的影響，試驗(yàn)中要不斷調(diào)節(jié)動(dòng)觸頭位置，使電極間距保持一定距離，來保持電弧持續(xù)燃燒，這在實(shí)際操作以及電極距離測(cè)量上有一定難度．此外，對(duì)于電極距離引起的電流波形特征對(duì)檢測(cè)方法的影響沒有進(jìn)行分析．參考判斷電弧發(fā)生的依據(jù)：存在氣體放電的客觀條件并出現(xiàn)弧光，在電弧故障試驗(yàn)平臺(tái)下，氣體放電的客觀條件是存在的，因此本文提出用弧光來標(biāo)定電弧發(fā)生時(shí)間段，計(jì)算電弧發(fā)生過程中電極距離的改變，在此基礎(chǔ)上研究了不同負(fù)載下電極斷開和閉合兩個(gè)過程弧隙間距對(duì)電弧電流波形特征以及檢測(cè)方法的影響．方法的特點(diǎn)是用弧光信號(hào)來標(biāo)示電弧發(fā)生的時(shí)間段，并用弧光信號(hào)上周期性的脈沖來標(biāo)示電極距離的改變，使得電弧過程中電極距離的測(cè)量較為容易，同時(shí)提高了電弧故障試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對(duì)提高電弧故障檢測(cè)方法的可靠性有一定的參考價(jià)值．

1 電弧故障試驗(yàn)平臺(tái)的建立與弧光標(biāo)定方法的引入

本文的電弧故障試驗(yàn)平臺(tái)框圖如圖1所示，其中電弧發(fā)生器如圖2參照UL1699標(biāo)準(zhǔn)制作．

在圖1中，弧光傳感器的感光元件為光敏二極管，有效頻譜覆蓋可見光，反應(yīng)時(shí)間遠(yuǎn)小于示波器的采樣周期（0.05ms），所以在時(shí)間分辨率上標(biāo)示電弧發(fā)生上是有效的．示波器是帶存儲(chǔ)功能的數(shù)字濾波器，可以進(jìn)行多通道同步采集，本試驗(yàn)只用到2通道（電弧電流和弧光）；電流傳感器工作的最高頻率為100 kHz，大于本試驗(yàn)示波器的采樣頻率（20 kHz）；試驗(yàn)電源為220 V工頻電源，由調(diào)壓器從電網(wǎng)引入；負(fù)載選擇為電阻、電磁爐、微波爐、可控硅調(diào)壓器（二次側(cè)接電阻）．

在圖2中，石墨電極通過絕緣夾具與底座固定，鎢銅電極為移動(dòng)電極，固定在可移動(dòng)的滑塊上，由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)其運(yùn)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)由單片機(jī)控制驅(qū)動(dòng)，其步進(jìn)脈沖間隔設(shè)定為0.25 s，每個(gè)步進(jìn)距離為0.01mm．

具體試驗(yàn)時(shí)，將弧光傳感器放置在靠近電極處，為了便于有效分辨電弧光信號(hào)，在較暗光線下進(jìn)行試驗(yàn)．弧光傳感器在沒有電弧發(fā)生時(shí)輸出信號(hào)為5V左右，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)對(duì)電極附近的光強(qiáng)產(chǎn)生周期脈沖性的影響，因此在弧光信號(hào)上會(huì)產(chǎn)生周期性的脈沖，此脈沖的周期與步進(jìn)電機(jī)的周期是一致的，對(duì)應(yīng)的電極距離變化為0.01mm，根據(jù)這個(gè)周期性的脈沖即可計(jì)算出電極間的距離．當(dāng)電極間有電弧發(fā)生時(shí)，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的間歇性弧光，在弧光傳感器的輸出信號(hào)上則表現(xiàn)為一系列向下的脈沖，根據(jù)這些向下的間歇性脈沖即可標(biāo)示電弧發(fā)生的區(qū)間段．

圖1 電弧故障試驗(yàn)平臺(tái)Fig.1 Arcing faultexperimentalplatform

圖2 電弧故障發(fā)生器Fig.2 Arcing faultgenerator

2 弧光標(biāo)定的效果與意義

當(dāng)前通過電弧發(fā)生器來模擬電弧故障通常有兩種做法：一種做法先使電極閉合，然后不斷拉大電極距離，到一定距離電弧起燃后，保持距離不變或者微調(diào)電極距離，以保持電弧穩(wěn)定燃燒，采集電弧電流數(shù)據(jù)．這種方法在實(shí)際操作中存在一定難度，同時(shí)并不能保證采集過程中所得數(shù)據(jù)一直有電弧的燃燒，另外此方法中，不同文獻(xiàn)選擇穩(wěn)定燃弧的距離可能不同，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)特征不同．另一種方法是先使電極閉合，然后不斷拉大電極距離，過程跨越弧前、弧中、弧后全過程，示波器采集全過程的數(shù)據(jù)，這種方法在后期電弧故障數(shù)據(jù)分析中需要對(duì)正常段、燃弧段、熄弧段做一個(gè)區(qū)分，然而當(dāng)前多數(shù)文獻(xiàn)并沒有對(duì)各段數(shù)據(jù)的區(qū)分進(jìn)行說明，多數(shù)選擇燃弧后期波形變化相對(duì)較為明顯的部分加以分析（即人為觀察出波形的差別）．本文采用第2種方法，并用弧光信號(hào)對(duì)弧前、弧中、弧后做有效區(qū)分．

圖3a）是微波爐負(fù)載下電極斷開過程中電流信號(hào)和弧光傳感器的輸出信號(hào)，由圖看出，如果不用弧光信號(hào)做標(biāo)示，單獨(dú)根據(jù)電流波形的變化去確定電弧的發(fā)生時(shí)間段存在一定困難．而在弧光信號(hào)的指示下，確定電弧發(fā)生的時(shí)間段則較為容易．圖3b）是可控硅調(diào)壓器負(fù)載下的電弧發(fā)生情況，由圖可知，此時(shí)電弧前后電流波形幾乎一致，由電流波形確定電弧發(fā)生時(shí)間段則變得幾乎不可能．圖3c）是電阻負(fù)載下電弧發(fā)生前后的電流和弧光信號(hào)，由圖可知，弧光信號(hào)不僅可以準(zhǔn)確表示出電流波形上電弧發(fā)生的區(qū)間，還可根據(jù)弧光信號(hào)中周期性脈沖標(biāo)示出電弧發(fā)生過程中電極距離的改變．

由圖3的分析可知，采用弧光信號(hào)標(biāo)示電流波形上電弧的發(fā)生區(qū)間可以提高電弧故障檢測(cè)研究數(shù)據(jù)的可靠性，同時(shí)也可以標(biāo)示出電弧發(fā)生過程中電極距離的變化情況，對(duì)研究弧隙間距對(duì)電弧電流波形特征及檢測(cè)方法的影響具有重要意義．

圖3 典型負(fù)載下的弧光和電流信號(hào)Fig.3 A rc lightand currentsignals under typical loads

3 弧隙間距對(duì)電流波形的影響及不同檢測(cè)方法分析

3.1 電阻性負(fù)載

總結(jié)對(duì)比圖4a）和圖4b）可以得出：電阻負(fù)載下，電弧電流波形的零休區(qū)間與弧隙間距有關(guān)，弧隙間距越大，電流波形的零休區(qū)間則越大．在此結(jié)論下，如果試驗(yàn)中選取了較大弧隙間距下的電弧電流數(shù)據(jù)，則檢測(cè)效果可能就較好；反之，如果試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)較小弧隙間距，檢測(cè)效果相對(duì)較差．

圖5和圖6分別是4b）電極斷開過程對(duì)應(yīng)的FFT頻譜分析結(jié)果和AR模型分析結(jié)果．

圖4 電阻負(fù)載下弧光和電流波形Fig.4 A rc lightand currentwaveforms under resistor load

由圖5可知，弧光信號(hào)反映出的燃弧區(qū)間對(duì)應(yīng)FFT分析的第20～60周期，在第20～40 FFT分析周期中，頻譜特征僅在5次和9次諧波分量上有明顯差異，而第50～60 FFT分析周期3～9奇次諧波能量幅值明顯增大。說明隨著弧隙間距的增大，電弧頻譜特征更為明顯。說明弧隙間距的改變影響電弧FFT分析的有效性。

AR模型分析，即用AR模型的參數(shù)作為電弧特征量，本文參考文獻(xiàn)[9]，利用3階AR模型中的a2和a3作為電弧特征量，并在坐標(biāo)平面繪制散點(diǎn)圖，圖6中，AR模型分析周期為5個(gè)工頻周期，散點(diǎn)圖上點(diǎn)的序號(hào)與左側(cè)時(shí)域波形圖上AR分析周期序號(hào)相對(duì)應(yīng)．由弧光時(shí)域波形可知，電弧過程第9個(gè)AR分析周期開始，到第24個(gè)AR分析周期結(jié)束，共持續(xù)75個(gè)工頻周期，由散點(diǎn)圖可知，在電極距離較小時(shí)，部分散點(diǎn)離正常散點(diǎn)很近，如第9～14個(gè)AR分析周期的散點(diǎn)，這時(shí)AR模型方法對(duì)于正常和電弧的區(qū)分度較差，隨著弧隙間距的增大，正常電流和電弧電流對(duì)應(yīng)的的散點(diǎn)區(qū)分度越來越大，如對(duì)應(yīng)第18～23個(gè)AR分析周期的散點(diǎn)．

總結(jié)圖5和圖6，可以得出的結(jié)論是：電阻負(fù)載下，弧隙間距較小時(shí)，電弧電流波形特征不明顯，傅里葉分析和AR模型方法的檢測(cè)效果都較差，而在弧隙距離較大時(shí)，電弧電流波形的特征較為明顯，相應(yīng)的方法檢測(cè)效果則會(huì)提高．

3.2 電磁爐負(fù)載

按照同樣方法對(duì)電磁爐進(jìn)行串聯(lián)電弧故障試驗(yàn)，電磁爐功率選擇為1 000W，采集電極開斷過程（電磁爐由于不能自啟動(dòng)，故對(duì)電極閉合過程中的數(shù)據(jù)不做分析）中的弧光和電流數(shù)據(jù)，如圖7．從圖中可以看出，電弧剛開始產(chǎn)生時(shí)，電弧電流波形較正常電流波形相比變化不是很明顯，僅在原來基礎(chǔ)上疊加了少量的高頻毛刺，隨著電極斷開過程的進(jìn)行，電極間距離不斷增大，電弧電流波形產(chǎn)生明顯變化．圖8和圖9是電磁爐負(fù)載下傅里葉和AR模型參數(shù)的分析結(jié)果，F(xiàn)FT的分析周期為2個(gè)工頻周期，AR分析周期為5個(gè)工頻周期，由圖可知，在電磁爐負(fù)載下電極距離改變對(duì)FFT方法和AR模型參數(shù)法與電阻負(fù)載下的結(jié)論有類似結(jié)果．

圖5 電阻負(fù)載下電弧電流的FFT分析Fig.5 FFT analyzed resultunder resistor load

圖6 電阻負(fù)載下電弧電流的AR模型分析Fig.6 ARmodelanalyzed resultunder resistor load

圖7 電磁爐負(fù)載下電極斷開過程Fig.7 A rc lightand currentwaveform sunder induction cooker load

圖8 電磁爐負(fù)載下FFT分析Fig.8 FFT analyzed resultunder induction cooker load

圖9 電磁爐負(fù)載下AR分析Fig.9 ARmodelanalyzed result under induction cooker load

3.3微波爐負(fù)載

對(duì)微波爐負(fù)載進(jìn)行電弧發(fā)生裝置試驗(yàn)，對(duì)電極斷開和電極閉合過程中試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，如圖10所示，其中a）為電極閉合過程，b）為電極斷開過程．

在圖10a）中，與正常工作電流相比，整個(gè)電弧產(chǎn)生過程中電弧波形都有明顯變化；而在圖10b）中，電極距離引起電流波形差別不太明顯，且與正常工作電流的波形差異較?。偨Y(jié)來看弧隙間距變化對(duì)該類負(fù)載電弧電流波形特征的影響不明顯．圖11和圖12分別為圖10a）電極閉合過程中的FFT分析和AR分析結(jié)果．其中FFT分析周期為2個(gè)工頻周期，AR分析周期為5個(gè)工頻周期．由圖可知，在電弧產(chǎn)生的整個(gè)過程中，傅立葉方法和AR模型方法均能較好地檢測(cè)出電弧，電極距離的改變對(duì)這兩種方法的檢測(cè)效果影響較小．

圖10 微波爐負(fù)載弧光和電流波形Fig.10 A rc lightand currentwaveforms underm icrowaveoven load

圖11 微波爐負(fù)載下頻譜分析Fig.11 FFT analyzed resultunderm icrowave oven load

3.4 可控硅負(fù)載

對(duì)可控硅負(fù)載進(jìn)行電弧發(fā)生裝置試驗(yàn)，可控硅調(diào)壓器二次側(cè)接50電阻，對(duì)電極斷開和電極閉合過程中試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，如圖13a）和圖13b）所示．

由圖可知，可控硅負(fù)載下，電弧前后的電流波形極其相似，并且可控硅負(fù)載下電弧過程較短，用弧光標(biāo)示電弧發(fā)生以確定電弧電流的電弧區(qū)間段是非常有必要的，無法考察電極距離改變對(duì)電流波形的影響．

圖14和圖15是可控硅負(fù)載電極分離過程的FFT分析和AR分析結(jié)果，其中由于電弧過程較短，F(xiàn)FT的分析周期為一個(gè)工頻周期，AR的分析周期為2個(gè)工頻周期．由圖可知，由于電弧前后電流波形極其相似，F(xiàn)FT檢測(cè)方法和AR檢測(cè)方法均不能有效的檢測(cè)出電弧故障的發(fā)生．

圖12 微波爐負(fù)載下AR分析Fig.12 ARmodelanalyzed result underm icrowave oven load

4 結(jié)束語

本文基于電弧的判斷依據(jù)，提出了一種用弧光標(biāo)示電弧發(fā)生的方法，方法不僅能夠根據(jù)弧光信號(hào)標(biāo)示出電流波形的電弧區(qū)間，還可以根據(jù)弧光傳感器上輸出的周期性脈沖計(jì)算出電極距離的改變．在此基礎(chǔ)上，分析了典型負(fù)載下弧隙間距對(duì)電弧電流波形特征以及FFT、AR模型檢測(cè)方法的影響．分析結(jié)果表明：1）應(yīng)用弧光標(biāo)定方法對(duì)電弧發(fā)生時(shí)刻進(jìn)行標(biāo)定是很有必要的，尤其是對(duì)于電弧電流與正常電流很相近的負(fù)載，使得對(duì)數(shù)據(jù)的分析更加準(zhǔn)確、可靠；2）某些負(fù)載的電弧特征會(huì)受到電極距離的影響，電極距離越大，電弧特征越明顯；3）電弧特征的明顯程度對(duì)檢測(cè)方法有影響．若選取電弧特征明顯的部分，則能夠比較容易地檢測(cè)出電弧故障；若選取電弧特征不明顯的部分，則會(huì)給檢測(cè)帶來難度，甚至無法檢測(cè)出電弧故障．本文研究對(duì)于如何提高電弧故障試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和檢測(cè)方法的可靠性具有一定的參考價(jià)值．

圖14 可控硅負(fù)載下頻譜分析Fig.14 FFT analyzed resultundersilicon controlled voltage regulator load

圖15 可控硅負(fù)載下AR分析Fig.15 ARmodelanalyzed resultundersilicon controlled voltage regulator load

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[責(zé)任編輯 代俊秋]

Arc gap's influence to arcing faultcurrentwaveform and study of detectionmethods

ZHANG Guanying，SUN Ying，ZHANG Xiaoliang，JIHongli

(Province-M inistry JointKey Laboratoryof Electromagnetic Fieldand ElectricalApparatusReliability,HebeiUniversityofTechnology, Tianjin 300130,China)

Load typeand arc gap are two im portant factors to the characteristicsofarcing currentwaveform in seriesarcing faults.The influence of load type w as studied inmany articles,w hile there are few paper discussed the influence of the arc gap.Based on thatarc isa phenomenon ofgasdischargeand thearc-lightofarc,amethodofmarking thearc'sstarting and ending timeby arc-lightwas put forward to im prove the reliability of the testdataand calculate the changesof the arc gap through the periodic pulse on arc sensor's output signal.The influence of arc gap to the arc currentwaveform and arcing fault detectionmethods can bealso studied.Based on that,serious arcing faultexperimentsunder several typical loadswereconducted and arc currentand arc-lightdatawerecollected synchronously using theoscilloscope.The influence of arcgap to thecharacteristicsofarc currentwaveform and arcing faultdetectionmethodsunderseveral typicalloadswere analyzed based on the testdata.Theanalysis resultshave somereference value to the improvementof reliability of arcing faultdetectionmethods.

arc gap;arc-lightmarking;arcing fault;currentwaveform;detectionmethod

TM 501.2

A

1007-2373(2015)02-0028-06

10.14081/j.cnki.hgdxb.2015.02.007

2014-11-10

河北省博士后科研資助項(xiàng)目（2012B15）；河北省科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展規(guī)劃（11213567）；河北省高等學(xué)校創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)領(lǐng)軍人才培育計(jì)劃（LJRC003）

張冠英（1969-），女（漢族），副教授．