低壓串聯電弧故障特征與檢測方法分析

劉麗，董文忠

(1.沈陽航空航天大學，電子信息工程學院，遼寧 沈陽 110136;2.興城廣播電視臺，遼寧 葫蘆島 125100)

低壓串聯電弧故障特征與檢測方法分析

劉麗1，董文忠2

(1.沈陽航空航天大學，電子信息工程學院，遼寧 沈陽 110136;2.興城廣播電視臺，遼寧 葫蘆島 125100)

提出了低壓配電線路中的電弧故障是電氣火災主要誘因之一，針對電弧故障的發生發展過程進行了描述，對于電弧故障的類別及特征進行了分析，得出低壓配電線路中的串聯電弧故障易隱匿于線路中的特點，且難以對其進行檢測。同時對低壓配電線路中串聯電弧故障的電壓、電流波形進行了一般特性的分析，指出了串聯電弧故障電壓、電流波形的時域特征。最后總結分析了現有的電弧故障檢測技術，得出結論是，以電壓或電流波形特征為檢測和判斷對象的電弧故障檢測方法最為可行。

電氣火災；電弧故障；檢測方法

1 引言

隨著現代電器智能化程度的提高，居民生活離不開電器，隨之而來的是電氣火災對人們生命財產安全的威脅。據美國消防局公布的數據來看，2006年美國住宅火災中有六萬多起的起因是電氣故障，直接財產損失高達八億多美元。美國消防局公布數據顯示，住宅中的配電線路故障導致電氣火災是電器設備故障引起火災的兩倍，其中電弧故障是電氣火災的主要誘因之一。

近十年來，我國的電氣火災形勢嚴峻，因電氣原因引發的火災，無論是發生率，還是造成的生命財產損失，均居各類火災之首。僅2007～2010年間，我國共發生火災五十多萬起，其中電氣火災高達一萬六千多起，由電弧故障導致的火災占總電氣火災的51%，直接經濟損失占總火災損失的36%，因此低壓配電線路中的電弧故障是引發電氣火災的重要原因[1-2]。

2 電弧故障類型與特征

2.1 電弧的發生與特點

美國UL1699標準對電弧做了如下定義，電弧是電流在氣體絕緣介質中產生的發光放電過程，并伴隨著電極材料的揮發。電弧的燃熾現象與氣體種類、電極材料乃至電極的幾何形狀、壓力、兩極間距、間隙電壓等多種因素有關。電弧的引燃過程是氣體的放電過程，常態下的氣體介質絕緣性能良好，當氣體間隙電場足夠大時，氣體擊穿且變為良好導體，可順利流過電流，這便是電弧的引燃過程。

電弧是氣體游離放電現象，也是一種等離子體。電弧中的電流從微觀上看是電子及正離子在電場作用下移動的結果，其中電子的移動構成電流的主要部分。電弧的特點是電流很小，持續時間短，一旦出現擊穿點則會頻繁出現。電弧產生時，溫度很高，會釋放大量的熱，很容易引燃周圍的可燃物。

2.2 電弧故障的分類

低壓配電線路上的電弧可分為兩種，一種是正常的操作電弧，稱為“好弧”，是指電機旋轉(如電鉆、吸塵器等)產生的電弧，另外電器設備開關和插拔過程所產生的電弧也是“好弧”；另一種是故障電弧，稱為“壞弧”。

低壓配電線路中，電弧產生故障的類型基本上可分兩類：串聯電弧故障和并聯電弧故障。串聯電弧故障如圖1(a)所示，電弧燃熾在一根導線上；而并聯電弧故障如圖1(b)所示，電弧燃熾在兩根導線之間；另外還有對地電弧故障，如圖1(c)所示，一般認為對地電弧故障也屬于并聯電弧故障。

圖1 電弧故障分類

串、并聯電弧故障的電流幅值存在很大差異，串、并聯電弧故障電流幅值與支路正常電流幅值范圍如圖2所示。并聯電弧故障類似于短路過程，電流幅值一般能達到75～500A，且由供電電源決定，現有的過流和短路保護裝置完全能夠起到保護作用。

串聯電弧故障電流受到線路負載的影響，電流幅值較小，一般在5～30A以內，而線路負載正常運行電流范圍也是在30A以內，因此，現有的過流和短路保護裝置無法起到保護作用。

圖2

2.3 電弧故障一般波形特征

低壓配電線路為交流系統，交流系統中的串聯電弧故障是一個動態過程，其伏安特性也存在動態特性。圖3是低壓配電線路中阻性負載串聯電弧故障的電壓、電流波形曲線。電弧故障電流在半周期開始時，電壓急劇攀升到最大值，該值為燃弧電壓，之后電壓值很快回落到能夠維持電弧持續燃熾的幅值；在半周期即將結束時，電壓值再一次回升到熄弧電壓，然后迅速降到零。交流串聯電弧故障的電流波形存在畸變，交流電流的周期性交替，使電弧電流每半個周期都要經過一次零點。電流為零時弧隙能量也為零，因此電弧溫度下降，有利于熄弧[3]。所以電流過零點以前幅值迅速下降，而在直接過零點附近，下降速度變緩，甚至為零，此時電流幅值維持在一個較小數值，出現了緩慢變化區，即“零休”區間。

圖3 交流串聯電弧故障電壓、電流波形

另外，Square D公司的Gregory等人經過長期研究，總結出電弧故障電電壓、流波形的一些重要特征如下[4]：

(1)電弧發生時，電壓和電流波形中存在高頻噪聲；

(2)電弧產生后，出現壓降現象；

(3)電弧電流出現急劇攀升現象，電流變化率變大；

(4)電流出現零休現象，電弧電流小于正常運行電流；

(5)電弧的電壓波形接近矩形波；

(6)電弧斷續出現，并夾雜著正常電流信號。

3 電弧故障檢測方法

有效的檢測低壓配電線路中的串聯電弧故障，必須實時監測整個配電線路的工作狀態，并在電弧故障發生時及時作出響應。經歸納總結可知，電弧故障的檢測方法分為以下三類。

3.1 基于電弧數學模型的檢測方法

最適用于低壓串聯電弧故障的數學模型是空氣開關電弧的數學模型。Cassie模型和Mayr模型分別是1939年和1943年提出的，隨著對電弧認識的進一步加深，先后出現了開關電弧的輻射數學模型、鏈式電弧模型、二維MHD電弧數學模型、三維MHD電弧數學模型等[4-6]。

電弧數學模型使用條件存在較大的限制，且檢測參數較多設置困難，所以利用電弧數學模型進行電弧故障檢測沒有獲得太大的進展，僅停留在仿真階段。但對電弧數學模型的深入研究能了解電弧本質，并對電弧故障的檢測起到基礎性作用。

3.2 基于電弧物理現象的檢測方法

電弧的產生伴有明顯物理現象，如弧光、噪聲、輻射、溫度變化等。配電柜中產生電弧電流較大，這些物理現象明顯，表現為高溫、高壓、噪聲和強烈的電弧光，基于電弧放電的物理現象便可有效的檢測出電弧故障。而建筑中的低壓供配電系統中所產生的電弧電流較小，其物理現象相對較弱，而且燃弧位置分散性強，這給檢測電弧故障帶來很大的難題。比如，傳感器靈敏度要求較高，易造成電弧故障誤報；檢測點必須靠近電弧發生的位置，然而線路中的電弧故障很難預測其發生位置；家庭用電設備所產生的“好弧”與電弧故障存在相同的物理現象，很難區分。

3.3 基于電壓、電流波形的電弧故障檢測方法

住宅中的用電系統產生電弧故障時，線路中的電壓、電流波形會發生嚴重畸變，具體的畸變情況與負載類型有關。最具代表性的利用電壓、電流特性檢測電弧故障的是電弧故障斷路器(Arc Fault Circuit Interrupter)。AFCI裝置的提法于1993年首先在美國出現。2004年8月1日以后，美國市場銷售的家用空調要求必須帶具有AFCI功能的電源插頭[7]。

利用線路中的電壓和電流檢測電弧故障易于實現，且檢測位置受限制較小，該方法已成為目前的研究熱點。但由于配電線路中存在與電弧故障電壓和電流波形相似的波形，且不同電氣設備負載所在支路的電弧故障電壓和電流波形存在較大差異，因此，如何有效區分各類電氣負載支路電弧故障的電壓和電流的波形畸變是一個亟待解決的重要問題。

4 結論

本文從電氣火災的角度分析了電弧故障給人們生命財產帶來的危害，并對電弧故障的發生和發展進行了分析，通過分析串、并聯電弧故障的燃弧特征，可知串聯電弧故障是最難預防的類型，其電流波形幅值與線路設備正常運行時的電流相差不大，由此本文通過查閱大量資料，分析了幾種電弧故障檢測方法，通過比較可以得知，基于配電線路中電壓和電流波形畸變情況的電弧故障檢測方法具備可行性，但是如何有效的區分大量電器負載電弧故障的電壓和電流波形的畸變情況，還有待進一步的深入研究。

[1] 陳雪剛.基于統計數據的我國電氣火災特點分析[J].消防技術與產品信息,2012,(5):47.

[2] 公安部消防局.2011中國消防年鑒[M].北京:國際文化出版公司,2011.

[3] 王其平.電氣電弧理論[M].北京：機械工業出版社，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] 李興文,陳德桂.空氣開關電弧的數學模型及其特性的研究綜述[J].高壓電器,2007,43(4):269-273.

[6] 孟慶海,牟龍華,林伯泉.低能電弧放電模型比較分析[J].中國礦業大學學報,2002,31(2): 201-203.

[7] 羅雷,劉暉.淺談電弧故障斷路器[J].低壓電器,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