利用電磁輻射信號的串并聯(lián)電弧故障檢測

丁浩江，張認成，楊凱，楊建紅，陳首虹

（華僑大學 機電及自動化學院，福建 廈門361021）

電弧故障是引發(fā)電氣火災的主要原因之一［1－2］，其檢測方法已成為建筑配電系統(tǒng)安全與火災防范領域的關鍵技術.電弧故障檢測的關鍵問題是要揭示電弧故障與正常負載電弧以及插頭插拔電弧的本質(zhì)區(qū)別，檢測方法應使各種負載及電弧類型具有普適性.電弧故障的檢測方法多基于回路中電流有無電弧故障時的狀態(tài)特征［3］.典型的診斷方法包括頻域分析法［4］、時域波形分析法［5］、自回歸模型參數(shù)法［6］、高階譜分析法［7］等.但因電弧模型物理參數(shù)不易獲取及電弧故障的可屏蔽性、負載的多樣性，上述方法尚不能較好地解決電弧故障誤識別及漏識別問題.為解決這些問題，許多學者進行了有益的探討［8－13］.將電磁輻射信號作為電弧故障診斷的特征量，降低了電弧故障識別的誤識率和漏識率，但由于電弧故障發(fā)生位置的隨機性，利用天線接收電磁輻射信號在工程應用中可行性不高.本文采用電容耦合器從供電回路接收輻射信號的高頻成分，經(jīng)檢波和對數(shù)放大后壓縮高頻信號的動態(tài)范圍，使高頻信號中的低幅值成分幅值增大，高幅值成分幅值降低，以期提高電弧故障的檢測效果.

圖1 電流元沿x軸產(chǎn)生的磁場Fig.1 Electromagnetic field radiated by a current component oriented along x－axis

1 電弧的電磁輻射現(xiàn)象

電弧是兩電極間氣體放電的一種特殊形式.當放電進入弧光放電區(qū)，放電通道有明顯的邊界，通道中的溫度可達6 000K，電流密度可達10A·m－2，電離方式主要為熱電離，電極間隙被具有良好導電性能的等離子體貫通.等離子體粒子所處的能量狀態(tài)發(fā)生變化時，對外表現(xiàn)為各種形式的輻射現(xiàn)象.

電流元沿x軸產(chǎn)生的磁場，如圖1所示.在距離為R處，由一長度為δ的電流元在沿x軸方向所產(chǎn)生的電場大小［14］可表示為

式（1）中：θ為電流與R向量之間的夾角；i為電流；ε0為介電常數(shù)；c為光速.假設電弧電阻在整個動態(tài)過程中保持不變，在忽略電弧電感的情況下，其功率譜［11］可近似表示為

式（2）中：k為常量為電弧電流初始上升率；CS為兩觸點之間的容值；Rarc為電弧電阻；w為電弧固有頻率.當角頻率ω趨近無窮大時，式（2）將達到最大值k2（0）2w2；當ω＝1／RarcCS時，功率譜達到最大值的一半.Kayano等［15］在一項電極為銀的電弧放電實驗中發(fā)現(xiàn)：放電初始階段的輻射信號頻率高達10MHz，電弧階段將超過100MHz.

電弧輻射產(chǎn)生的電磁波是以波動形式存在的電磁場，可在空氣及金屬導體中傳播.發(fā)生電弧故障時，天線及回路導線都能接收到輻射電磁波.在導電介質(zhì)中傳播時，電磁波因介質(zhì)導電吸收能量振幅逐漸衰減，其衰減快慢與導電介質(zhì)的介電常數(shù)、電導率及電磁波波長有關.

2 電弧故障診斷

2.1 電弧電磁輻射信號的獲取

利用高頻電容耦合電路感測電弧故障發(fā)生時產(chǎn)生的電磁輻射信號，輸入端并聯(lián)在負載電源端，輸出端作為檢測電路的輸入，如圖2所示.電容耦合器在獲取信號的同時，也起到強弱電的隔離作用.耦合器中選用容量為10nF，耐壓值為400V的聚丙烯電容.在串聯(lián)電弧故障試驗中，以電阻爐作為負載，供電電壓為220V／50Hz交流電，從變壓器端采集高頻電壓信號（圖3（a）），采集工具為DPO4104－L型示波器，采樣率為50MHz.由圖3（a）可知：高頻信號輪廓呈現(xiàn)馬鞍形狀，兩側(cè)的高頻信號較中間的幅值更大，同時信號出現(xiàn)周期性零休，零休周期為100Hz.高頻信號的零休與電弧電流的零休是一致的，在電弧電流零休期間，電弧熄滅，弧隙間的電離現(xiàn)象趨于停止，消電離作用極為強烈，上述的輻射現(xiàn)象也將減少.

圖2 耦合電路Fig.2 Coupling circuit

2.2 電弧故障診斷方法

電弧故障特征信號處理過程，如圖3所示.對數(shù)檢波放大器在對高頻信號檢波的基礎上進行對數(shù)放大，輸出信號與固定電平進行比較，高于該電平輸出高電平；否則，反之，由此得到脈沖信號.高頻信號的“零休”、“幅值波動”等特征被集中轉(zhuǎn)換為脈沖波寬度的隨機變化，微處理器通過捕獲脈寬實現(xiàn)電弧故障診斷：10ms內(nèi)捕獲脈寬大于設定閾值時，判定當前半波為電弧故障半波；移動累加0.5s內(nèi)電弧故障半波總數(shù)，總數(shù)大于閾值則判定發(fā)生電弧故障.

圖3 電弧故障高頻信號處理過程Fig.3 Processing of arc fault high frequency signal

比較電平的大小對電弧故障的診斷起決定性作用.將檢波信號直接輸入電平比較器（圖3（b）），若比較電平過低，微小噪聲信號易被識別為電弧故障信號，導致誤判；若比較電平過高，“馬鞍”中間檢波信號幅值低于比較電平，造成電弧故障信號損失，導致漏判.檢波信號經(jīng)對數(shù)放大后，“馬鞍”兩側(cè)高幅值信號被壓縮，中間低幅值信號幅值增大（圖3（c）），即電弧期間的信號維持在高幅值水平，電弧零休期間的信號停留在低幅值水平，拉開了有無電弧故障時信號幅度的距離.參考UL 1699《故障電弧斷路器標準》，對吸塵器、手電鉆、開關電源、空壓機等典型負載進行大量實驗，確定檢測效果較理想的比較電平.

2.3 對數(shù)放大

為實現(xiàn)對數(shù)放大，在耦合電路后增加一級連續(xù)檢波式對數(shù)放大器［16］.理想的輸入輸出間的關系為

式（3）中：Vout為輸出電壓；Vin為輸入電壓；Vx為截止電壓；Vy為斜率電壓，用以調(diào)節(jié)增益.在實際電路中，當輸入電壓低于截止電壓值時，輸出輸入不再維持對數(shù)關系，輸出電壓將穩(wěn)定在一個固定值.對數(shù)放大器的增益K為

由式（4）可知：對數(shù)放大器的增益與輸入信號有關，輸入信號越小，放大器的增益越大；反之，輸入信號越大，增益越小，從而起到壓縮大信號幅值，增大小信號幅值的作用.

3 實驗部分

3.1 實驗平臺

電弧故障發(fā)生平臺，如圖4所示.碳化路徑電弧故障試驗機利用8 000V交流電壓碳化破損導線形成碳化路徑，模擬線路老化或接觸不良產(chǎn)生的電弧故障（圖4（a））；電纜切割電弧故障試驗機模擬利器切割并行導線時產(chǎn)生的電弧故障（圖4（b））；點接觸電弧發(fā)生器利用銅與碳之間的點接觸產(chǎn)生電弧故障（圖4（c））.

圖4 實驗設備Fig.4 Experimental equipment

圖5 試驗電路Fig.5 Experimental circuit

3.2 實驗方案

實驗包括碳化路徑串聯(lián)電弧故障試驗、碳化路徑并聯(lián)電弧故障試驗、電纜切割電弧故障試驗、點接觸串聯(lián)電弧故障試驗.研究表明：建筑供電系統(tǒng)中，22～24MHz頻率范圍內(nèi)背景噪聲較小，電弧高頻信號具有較高的信噪比［17］.因此，在耦合電路與對數(shù)放大器之間配置一個中心頻率為23MHz的帶通濾波電路，用以減小背景噪聲帶來的影響.

測試在220V／50Hz的供電情況下進行，試驗電路如圖5所示.數(shù)據(jù)采集工具為DPO4104－L型示波器，采樣率為50 MHz，同時采集高頻濾波信號及對數(shù)放大器輸出信號.串聯(lián)電弧測試負載類型有吸塵器、手電鉆、鹵素燈、空壓機、開關電源、調(diào)光燈，其額定功率分別為1 100，850，360，2 200，400，1 000W.

3.3 對數(shù)放大器輸出效果

以典型負載吸塵器為例，電纜切割電弧故障高頻信號幅值較小，且具有周期性（圖6（a））；點接觸電弧故障高頻信號幅值較大，且不規(guī)則（圖6（b））.無電弧故障時，對數(shù)檢波信號穩(wěn)定在低水平；有電弧故障時，幅值隨高頻信號包絡線變化.碳化路徑串、并聯(lián)電弧故障試驗與電纜切割電弧故障試驗結果類似.

3.4 峰值線性檢波與對數(shù)檢波效果對比

為了驗證對數(shù)檢波放大器對數(shù)放大的作用，搭建峰值線性檢波電路對比二者的檢波效果.碳化路徑串聯(lián)試驗中兩檢波效果對比圖，如圖7所示.由圖7可知：電弧故障輻射的高頻信號幅值較小時，線性檢波后的信號幅值較小或截止，造成電弧故障診斷信息的損失.對數(shù)放大器在輸入信號微小的情況下，依舊能保持較大的幅值輸出，最大程度保留電弧故障特征信息.

圖6 對數(shù)放大器輸出 Fig.6 Output of logarithmic amplifier

圖7 檢波效果對比Fig.7 Comparison of detection effect

圖8 樣機結構Fig.8 Structure of prototype

4 電弧故障檢測裝置及測試結果

為驗證檢測方法的可行性，設計了一款電弧故障檢測電器（AFDD）樣機，其結構如圖8所示.整個系統(tǒng)主要由脫扣電路、高頻耦合電路、濾波電路、對數(shù)放大器、比較器、微處理器、電源等部分組成.電源直接從零火線上取電，將市電轉(zhuǎn)換為5 V直流電為比較器、對數(shù)放大器、微處理器供電.達到脫扣要求時，微處理器發(fā)出脫扣信號斷開回路.

每組測試進行50次重復性試驗，試驗結果如表1所示.表1中：δ為漏判率.由表1可知：樣機對串、并聯(lián)電弧的檢測均有效.在誤脫扣實驗中，分別測試每種負載下啟動、功率調(diào)節(jié)、正常運行3種工況下的誤判率（η1～η3），每種工況下進行50次重復性實驗，測試結果如表2所示.表2中：“－”表示不存在此工況.由表2可知：負載為手電鉆時，其功率疾速變化，樣機易受手電鉆電刷電弧影響而脫扣，其他情況下樣機并未因負載差異或工況變化而脫扣.

表1 電弧故障檢測試驗結果Tab.1 Result of arc fault detection test

表2 誤動作測試試驗結果Tab.2 Result of mal operation test %

5 結束語

通過電容耦合方式接收電弧故障輻射信號，利用對數(shù)檢波放大器壓縮其動態(tài)范圍.測試結果表明：文中方法降低了電弧故障診斷的漏判率，適用于串并聯(lián)電弧故障的檢測，檢測方法受負載差異或工況變化影響較小，可為現(xiàn)有AFDD裝置設計提供參考.

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