交直流串联故障电弧实验平台开发

2023-02-20陈思磊伍李阳李兴文

实验室研究与探索 2023年11期

汪倩，陈思磊，孟羽，伍李阳，李兴文

（1.西安理工大学理学院，西安 710054；2.西安理工大学电气工程学院，西安 710048；3.西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室，西安 710049）

0 引言

随着我国低压配用电行业技术的发展进步，系统规模与电压电流等级逐渐增大，线缆结构日趋复杂，潜在的线路安全风险也随之增加。据应急管理部消防救援局统计，2012 至2021 年间全国电气火灾共发生56.5 万起［1］，由于动物撕咬、线路连接松动等原因导致的故障电弧成了引发火灾的重要原因之一。按照发生位置，故障电弧可主要分为串联型与并联型［2］。并联型电弧在发生后回路电流幅值快速上升，容易被系统过流保护功能检测，而串联型电弧则会使回路电流幅值下降，传统系统保护技术难以及时有效检测，潜在危害更大，是目前电弧检测的重要研究难题。

为了规范交流故障电弧检测要求，国内外均提出了相应的规范要求［3-4］。国家于2014 年颁布了GB／T 31143《电弧故障保护电器的一般要求》标准，面向额定电压不超过240 V，额定电流不超过63A 的电弧保护装置，提出了系统测试标准流程，针对不同电流等级制定了交流故障电弧有效检测时间范围［5］。

伴随光伏发电、储能系统、电动汽车等直流源荷的推广应用，直流配用电形式逐渐与传统的交流形式融合，一同构建形成新型电力系统。大量电力电子设备的接入使得系统内的开关噪声严重干扰了电弧的及时精准检测，研究直流电弧的检测特性变得尤为迫切。美国保险商实验室提出了UL 1699B 标准，规范了直流故障电弧检测设备的试验流程，要求检测时间不得超过2.5 s［6］。

已有的交直流故障电弧检测主要关注电弧的弧光弧声［7］、电磁辐射［8］、电流电压［9］等信号，通过短时傅里叶变换［10］、小波变换［11］等信号分析方法提取电弧有效检测特征，并利用机器学习的方式构建形成检测算法［12］。大多数检测方法尚停留在理论分析层面，在检测范围、检测精度、实现成本等方面仍存在诸多不足，因此仍需要获取更丰富的电弧实验数据以优化验证检测算法。

基于此，本文搭建涵盖多场景的交直流串联故障电弧实验平台，设计多类别交直流故障电弧实验方案，智能、高效实现低压配用电场景不同源荷组合下交直流电弧模拟与信号采集，为分析电弧检测特性实验提供了必备实验基础。

1 交直流串联故障电弧实验平台

交直流故障电弧采用不同的生弧方式模拟电弧发生，因此实验平台主要由以碳化电缆为主的交流实验系统与以电极拉弧装置为主的直流实验系统构成，通过开关的切换开展不同故障电弧实验。

1.1 整体故障电弧实验平台

图1 所示为交直流串联故障电弧实验平台，通过改变各个开关状态，可实现不同场景的电弧实验。实验平台整体采用三相交流供电方式，交流实验回路以220 V 交流电压为主，配合各类家用负载模拟住建场景的电弧发生；直流实验回路利用电压范围0～500 V，最大功率18 kW的直流电源进行整流供电，配合电阻箱、长线缆模拟直流场景下不同距离的电弧发生。

图1 交直流串联故障电弧实验平台示意图

考虑到家用负载工作特性受不同厂家、不同规格等因素影响，交流故障电弧实验回路在标准GB／T 31143 的基础上进一步丰富了负载类型与负载规格。实验回路不仅包含了吸尘器、空压机、开关电源、白炽灯、卤素灯、荧光灯、电钻、电阻箱等8 类标准规定的典型家用负载，还增添了电饭煲、电磁炉、计算机、空调、热水器等各类常见家用负载，涵盖了基于电热、电光、电动、电磁等各类工作原理的55 类负载。同时也补充了不同生产厂家、不同参数规格的同类负载，进而可提供较为完备的交流电弧数据支撑。图2 所示为实验平台涉及的部分交流负载。

图2 交流故障电弧实验平台部分实验负载

直流家用负载普及度较低，仍处于设计研发阶段［13］，因此直流故障电弧实验回路主要以电阻箱作为测试负载，同时考虑增补各类逆变器、变换器等电力电子设备以丰富直流场景类型。电力电子装置的开关噪声与长线缆引入的线路阻抗均会对电弧特性产生弱化干扰［14］，研究弱化的电弧特性有利于提升检测特征质量与检测算法精度。

1.2 交流电弧实验系统

根据标准GB／T31143，交流电弧主要通过图3 所示的碳化电缆产生，电缆由2根原本绝缘、横截面积为1.5 mm2的线缆构成。为了达到产生电弧的条件，在垂直于电缆方向做出切口，并置于实验回路中，导通图1中的开关S7，断开其他开关，利用碳化设备在电缆处施加高压形成碳化导电路径；断开开关S7 并利用其他开关开展交流电弧实验。

图3 碳化电缆实物图

碳化设备一般采用可提供开路电压7 kV、短路电流30 mA的电源，持续工作10 s以形成充分碳化的导通路径，并配备相应的排气设备及时除去碳化过程产生的烟雾。碳化好的导通路径极其脆弱，易在外力作用下失效，实验系统设计了多个开关位置，实现在不移动碳化电缆的情况下安全切换碳化回路与实验回路的目的。

为了增大覆盖范围、提升利用效率，电弧检测与保护装置主要安装在主线侧，而电弧不同的发生位置会对主线侧测量得到的电弧检测特性产生干扰。基于此，实验系统根据标准GB／T 31143 设计了图4 所示的4 类系统回路配置。故障电弧分别发生在总线与不同支路，以此可与单支路实验对比，进而研究不同电弧位置对电弧检测的影响。依托此实验回路，亦可将多类家用负载同时接入电路，研究多支路条件下的电弧检测特性。

1.3 直流电弧实验系统

直流电弧主要通过图5 所示的故障电弧发生装置（Arc Fault Generator，AFG）产生。其主要由2 根直径为φ6.35 mm的棒状电极组成，初始2 根电极紧密接触，随后移动电极按照设置的速度移动固定距离以模拟实际场景的连接松动，进而产生电弧。不同电极材料的电弧特性存在差异［15］，因此AFG 将电极与低阻金属基座共同接入实验回路，便于不同材料的电极更换接入。实验系统制备了了紫铜、黄铜、纯铝、不锈钢、石墨、球墨铸铁等6 类电气领域常见材料的电极，每类材料均包含了圆锥面、圆柱面等不同形状的电极以供实验。

图5 AFG实物图

实验中，电弧间隙过大、拉弧速度过快均易导致电弧难以有效维持，间隙过小、拉弧速度过慢则可能会导致两电极被烧蚀后重新固化的电极颗粒粘连而“焊”在一起。因此，电弧的间隙与拉弧速度需要与电弧电压与电弧电流等级匹配才能获得最佳的生弧效果。

此外，实验系统利用PLC 控制模块驱动步进电动机工作，基于LabVIEW 软件编写相关程序，实现了电极自动化精准移动。图6 所示为设计的AFG 操作界面，可设置电弧测试速度与测试距离实现不同的电弧发生条件。AFG内部装有测试LED灯，若两电极接触良好，LED则会发光提示，基于此实现了AFG 电极的自动接触，减少了人为操作引起的误差。

图6 AFG操作界面

2 实验结果与分析

实验平台采用各类电流、电压传感器获取电弧的电气信号，并传递至示波器Tektronix DPO4045 以1 MHz的采样率记录存储电弧数据。示波器通过设置电弧电压出现作为触发条件，自动记录电弧发生前后的数据。

2.1 交流电弧实验

通过改变家用负载类型，获得了图7 所示的各类负载故障电弧波形。不同负载在正常运行时便具有不同的电流形态，尤其是吸尘器、开关电源等负载，其工作电流波形在同一周期内的各自半个周期并不对称。在电弧发生后，电流形态亦会发生变化，最明显的差异体现在电流过零点阶段的平肩现象，这源于电弧在电流过零前后的熄弧与重燃过程。然而，这一差异并不能作为检测交流电弧的依据，家用空压机等部分负载正常运行时的电流也存在类似的平肩现象，如图8 所示。因此，交流电弧的精准检测仍需从电弧实验数据中深入挖掘有效的时频信息。

图7 不同家用负载的交流故障电弧电流

为了研究电弧不同的发生位置，以吸尘器负载为例，分别按照图4 的4 类配置方案进行实验，故障电弧电流波形如图9 所示。

图9 不同系统配置的吸尘器交流故障电弧电流

对于配置A与C，电弧发生在家用负载侧，电弧发生后电流形态会出现较大的变化，容易与正常状态进行区分；而对于配置B与D，电弧发生在电阻箱支路与总线上，总线侧采集的电弧电流包含了相对完整的家用负载工作特性，因此故障电弧时期的电流形态与正常运行时期的电流形态差异较小，故障电弧精准检测难度更大。

2.2 直流电弧实验

将直流电源电压设置为318 V、电流设置为8A，并设置电弧间隙为0.8 mm、拉弧速度为2.5 mm／s，通过更换不同材料的电极，获得了图10 所示的直流电弧波形。

图10 不同电极材料的直流故障电弧电流

在直流串联电弧发生后，电弧电流幅值均出现了下降，尤其在电极移动阶段，电流幅值随着电弧间隙的增大而持续下降，电弧间隙固定后电流幅值均值才保持稳定。但不同电极材料的电弧波形存在明显差异，纯铝电极的电弧电流波动幅度较小，石墨电极的电弧电流波动幅度较大。由此可见，电极材料差异会影响电弧的电流形态，进而影响电弧检测特性。

2.3 电弧图像分析

研究电弧形态有助于理解放电过程中电弧的变化，以便构建更贴合的电弧仿真模型。图11 为高速相机拍摄燃弧过程的其中一帧电弧图像［16］，电极选用紫铜材料。

图11 高速相机拍摄的电弧形态

在生弧开始时，固定电极上的弧根几乎位于其中心区域；随着生弧间隙的增大，电弧根部和蓝绿色等离子体弧区在2 个电极上上升，并停留在2 个电极的尖锐区域。在外界对流和自身高热的影响下，稳定的电弧弧柱形成拱形，明亮的电弧被电极气化形成的铜金属蒸汽所包围，形成的铜金属蒸汽也会对电极间的电弧燃烧形态产生影响。电弧形态随着时间推移不断变化，其相关参数可能与电弧特性存在关联。