低压串联电弧故障特征与检测方法分析

刘丽，董文忠

(1.沈阳航空航天大学，电子信息工程学院，辽宁 沈阳 110136;2.兴城广播电视台，辽宁 葫芦岛 125100)

低压串联电弧故障特征与检测方法分析

刘丽1，董文忠2

(1.沈阳航空航天大学，电子信息工程学院，辽宁 沈阳 110136;2.兴城广播电视台，辽宁 葫芦岛 125100)

提出了低压配电线路中的电弧故障是电气火灾主要诱因之一，针对电弧故障的发生发展过程进行了描述，对于电弧故障的类别及特征进行了分析，得出低压配电线路中的串联电弧故障易隐匿于线路中的特点，且难以对其进行检测。同时对低压配电线路中串联电弧故障的电压、电流波形进行了一般特性的分析，指出了串联电弧故障电压、电流波形的时域特征。最后总结分析了现有的电弧故障检测技术，得出结论是，以电压或电流波形特征为检测和判断对象的电弧故障检测方法最为可行。

电气火灾；电弧故障；检测方法

1 引言

随着现代电器智能化程度的提高，居民生活离不开电器，随之而来的是电气火灾对人们生命财产安全的威胁。据美国消防局公布的数据来看，2006年美国住宅火灾中有六万多起的起因是电气故障，直接财产损失高达八亿多美元。美国消防局公布数据显示，住宅中的配电线路故障导致电气火灾是电器设备故障引起火灾的两倍，其中电弧故障是电气火灾的主要诱因之一。

近十年来，我国的电气火灾形势严峻，因电气原因引发的火灾，无论是发生率，还是造成的生命财产损失，均居各类火灾之首。仅2007～2010年间，我国共发生火灾五十多万起，其中电气火灾高达一万六千多起，由电弧故障导致的火灾占总电气火灾的51%，直接经济损失占总火灾损失的36%，因此低压配电线路中的电弧故障是引发电气火灾的重要原因[1-2]。

2 电弧故障类型与特征

2.1 电弧的发生与特点

美国UL1699标准对电弧做了如下定义，电弧是电流在气体绝缘介质中产生的发光放电过程，并伴随着电极材料的挥发。电弧的燃炽现象与气体种类、电极材料乃至电极的几何形状、压力、两极间距、间隙电压等多种因素有关。电弧的引燃过程是气体的放电过程，常态下的气体介质绝缘性能良好，当气体间隙电场足够大时，气体击穿且变为良好导体，可顺利流过电流，这便是电弧的引燃过程。

电弧是气体游离放电现象，也是一种等离子体。电弧中的电流从微观上看是电子及正离子在电场作用下移动的结果，其中电子的移动构成电流的主要部分。电弧的特点是电流很小，持续时间短，一旦出现击穿点则会频繁出现。电弧产生时，温度很高，会释放大量的热，很容易引燃周围的可燃物。

2.2 电弧故障的分类

低压配电线路上的电弧可分为两种，一种是正常的操作电弧，称为“好弧”，是指电机旋转(如电钻、吸尘器等)产生的电弧，另外电器设备开关和插拔过程所产生的电弧也是“好弧”；另一种是故障电弧，称为“坏弧”。

低压配电线路中，电弧产生故障的类型基本上可分两类：串联电弧故障和并联电弧故障。串联电弧故障如图1(a)所示，电弧燃炽在一根导线上；而并联电弧故障如图1(b)所示，电弧燃炽在两根导线之间；另外还有对地电弧故障，如图1(c)所示，一般认为对地电弧故障也属于并联电弧故障。

图1 电弧故障分类

串、并联电弧故障的电流幅值存在很大差异，串、并联电弧故障电流幅值与支路正常电流幅值范围如图2所示。并联电弧故障类似于短路过程，电流幅值一般能达到75～500A，且由供电电源决定，现有的过流和短路保护装置完全能够起到保护作用。

串联电弧故障电流受到线路负载的影响，电流幅值较小，一般在5～30A以内，而线路负载正常运行电流范围也是在30A以内，因此，现有的过流和短路保护装置无法起到保护作用。

图2

2.3 电弧故障一般波形特征

低压配电线路为交流系统，交流系统中的串联电弧故障是一个动态过程，其伏安特性也存在动态特性。图3是低压配电线路中阻性负载串联电弧故障的电压、电流波形曲线。电弧故障电流在半周期开始时，电压急剧攀升到最大值，该值为燃弧电压，之后电压值很快回落到能够维持电弧持续燃炽的幅值；在半周期即将结束时，电压值再一次回升到熄弧电压，然后迅速降到零。交流串联电弧故障的电流波形存在畸变，交流电流的周期性交替，使电弧电流每半个周期都要经过一次零点。电流为零时弧隙能量也为零，因此电弧温度下降，有利于熄弧[3]。所以电流过零点以前幅值迅速下降，而在直接过零点附近，下降速度变缓，甚至为零，此时电流幅值维持在一个较小数值，出现了缓慢变化区，即“零休”区间。

图3 交流串联电弧故障电压、电流波形

另外，Square D公司的Gregory等人经过长期研究，总结出电弧故障电电压、流波形的一些重要特征如下[4]：

(1)电弧发生时，电压和电流波形中存在高频噪声；

(2)电弧产生后，出现压降现象；

(3)电弧电流出现急剧攀升现象，电流变化率变大；

(4)电流出现零休现象，电弧电流小于正常运行电流；

(5)电弧的电压波形接近矩形波；

(6)电弧断续出现，并夹杂着正常电流信号。

3 电弧故障检测方法

有效的检测低压配电线路中的串联电弧故障，必须实时监测整个配电线路的工作状态，并在电弧故障发生时及时作出响应。经归纳总结可知，电弧故障的检测方法分为以下三类。

3.1 基于电弧数学模型的检测方法

最适用于低压串联电弧故障的数学模型是空气开关电弧的数学模型。Cassie模型和Mayr模型分别是1939年和1943年提出的，随着对电弧认识的进一步加深，先后出现了开关电弧的辐射数学模型、链式电弧模型、二维MHD电弧数学模型、三维MHD电弧数学模型等[4-6]。

电弧数学模型使用条件存在较大的限制，且检测参数较多设置困难，所以利用电弧数学模型进行电弧故障检测没有获得太大的进展，仅停留在仿真阶段。但对电弧数学模型的深入研究能了解电弧本质，并对电弧故障的检测起到基础性作用。

3.2 基于电弧物理现象的检测方法

电弧的产生伴有明显物理现象，如弧光、噪声、辐射、温度变化等。配电柜中产生电弧电流较大，这些物理现象明显，表现为高温、高压、噪声和强烈的电弧光，基于电弧放电的物理现象便可有效的检测出电弧故障。而建筑中的低压供配电系统中所产生的电弧电流较小，其物理现象相对较弱，而且燃弧位置分散性强，这给检测电弧故障带来很大的难题。比如，传感器灵敏度要求较高，易造成电弧故障误报；检测点必须靠近电弧发生的位置，然而线路中的电弧故障很难预测其发生位置；家庭用电设备所产生的“好弧”与电弧故障存在相同的物理现象，很难区分。

3.3 基于电压、电流波形的电弧故障检测方法

住宅中的用电系统产生电弧故障时，线路中的电压、电流波形会发生严重畸变，具体的畸变情况与负载类型有关。最具代表性的利用电压、电流特性检测电弧故障的是电弧故障断路器(Arc Fault Circuit Interrupter)。AFCI装置的提法于1993年首先在美国出现。2004年8月1日以后，美国市场销售的家用空调要求必须带具有AFCI功能的电源插头[7]。

利用线路中的电压和电流检测电弧故障易于实现，且检测位置受限制较小，该方法已成为目前的研究热点。但由于配电线路中存在与电弧故障电压和电流波形相似的波形，且不同电气设备负载所在支路的电弧故障电压和电流波形存在较大差异，因此，如何有效区分各类电气负载支路电弧故障的电压和电流的波形畸变是一个亟待解决的重要问题。

4 结论

本文从电气火灾的角度分析了电弧故障给人们生命财产带来的危害，并对电弧故障的发生和发展进行了分析，通过分析串、并联电弧故障的燃弧特征，可知串联电弧故障是最难预防的类型，其电流波形幅值与线路设备正常运行时的电流相差不大，由此本文通过查阅大量资料，分析了几种电弧故障检测方法，通过比较可以得知，基于配电线路中电压和电流波形畸变情况的电弧故障检测方法具备可行性，但是如何有效的区分大量电器负载电弧故障的电压和电流波形的畸变情况，还有待进一步的深入研究。

[1] 陈雪刚.基于统计数据的我国电气火灾特点分析[J].消防技术与产品信息,2012,(5):47.

[2] 公安部消防局.2011中国消防年鉴[M].北京:国际文化出版公司,2011.

[3] 王其平.电气电弧理论[M].北京：机械工业出版社，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] 李兴文,陈德桂.空气开关电弧的数学模型及其特性的研究综述[J].高压电器,2007,43(4):269-273.

[6] 孟庆海,牟龙华,林伯泉.低能电弧放电模型比较分析[J].中国矿业大学学报,2002,31(2): 201-203.

[7] 罗雷,刘晖.浅谈电弧故障断路器[J].低压电器,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