連接點通斷頻率對串聯型故障電弧特性的影響

張西瑞，劉艷麗

（遼寧工程技術大學電氣與控制工程學院，葫蘆島 125105）

電弧是電力系統中的一種氣體放電現象，若不能將故障電弧及時切除，極易引發火災等危險。據統計，70%以上的機械故障是以振動形式表現出來的[1]。而在電氣設備中，因振動而產生的如連接點松動等類型的機械故障則會導致電弧的產生。動力電氣設備的正常機械振動或因故障產生的機械振動會引起松動的接觸點處于頻繁通斷狀態，當接觸點由通轉換到斷時，感應電勢產生的電場將使觸點間的空氣擊穿，產生串聯型故障電弧。

目前，串聯型故障電弧的研究工作主要集中于故障診斷及特征分析兩方面。文獻[2]通過計算故障電弧相鄰電流周波間的差異值，提取了畸變信號來判斷電力線路中是否存在故障電弧；文獻[3]研究了以碳材料作電極時電源電壓和電極開距對交流電弧伏安特性的影響，發現電源電壓減小或開距增大會使燃弧尖峰、熄弧尖峰增大，電流過零時間增長；文獻[4]分析了不同功率阻性負載條件下電弧電流的時域特征和頻域特征，發現其時域特征受線路負載的影響更大；文獻[5]測試了空氣中不同材料產生的電弧伏安特性曲線，確定了低于最小起弧電流的電弧不穩定燃燒現象；文獻[6]研究發現阻性負載時電弧突變電壓峰值和電流零休時間隨弧隙間距的增大而近似于線性增加；文獻[7-9]對弧隙間距、生弧方式、觸頭材料等因素影響下故障電弧的特性進行了研究。文獻[2-9]在串聯型故障電弧實驗中，普遍采用動、靜電極良好接觸設備，然后依靠步進電機等移動動電極，使動、靜電極之間產生故障電弧，這種方式很難實現不同通斷頻率下串聯型故障電弧的實驗模擬。

本文基于自制的振動平臺，開展多種振動頻率條件下的串聯型故障電弧實驗，模擬因為動力電氣設備的正常機械振動或因設備故障產生的振動引起串聯型故障電弧的現象，并進一步分析不同實驗條件下串聯型故障電弧的電流特性及電壓特性。

1 實驗系統設計

為研究不同振動頻率時故障電弧的特征，本文研制了串聯型故障電弧振動實驗系統，其結構主電路如圖1 所示，主要包括電源、故障電弧振動實驗平臺、負載、控制電路以及數據采集與上位機系統。設備電源為交流220 V，實驗負載為FZ-RL72K6-36V 110V220V-RJ 型單相阻感一體可調負載柜，可滿足對不同電源電壓、回路電流、負載功率因數條件下串聯型故障電弧實驗要求。

圖1 實驗系統結構主電路Fig.1 Main circuit structure of experimental system

故障電弧振動實驗平臺如圖2 所示。振動臺主要由銅鼻子、直流電機、偏心輪、振動板、絕緣子、底座及其他附件組成。直流電機受指令控制，帶動偏心輪產生一定頻率的振動，并驅動振動板做指定頻率的振動運動。振動板的振動帶動絕緣子，絕緣子上固定銅鼻子，從而使連接在同一個接線柱上的2個銅鼻子之間產生實驗所需頻率的機械振動。接線柱上松動連接的銅鼻子在機械振動的環境中不斷通斷，產生故障電弧。實驗過程中分別由電流互感器和電壓互感器采集線路中流過的電流和電極兩端的電壓，采樣頻率為100 kHz。

圖2 故障電弧振動實驗平臺Fig.2 Vibration experimental platform of arc fault

實驗中振動頻率的確定主要依據電機故障時可能產生的振動情況而定。查閱相關文獻[10-11]，電機故障產生的振動頻率主要有2f1、3/f12、fr、2fr、fr/2及少量的4f1、8f1諧波，其中f1為基頻，fr為轉子旋轉頻率。結合實驗裝置條件，本文擬定的實驗方案包含5 種頻率：40、48、60、80、100 Hz，實驗方案如表1 所示。

表1 實驗方案Tab.1 Experimental scheme

2 實驗現象及結果

在振動臺的作用下，2 個松動接觸的銅鼻子達到生弧條件時開始產生電弧，在電弧還未穩定燃燒時弧隙長度隨機械振動增加或減小，電弧隨之減弱至熄滅。此過程隨電極的振動而重復，表現為接觸點出現電火花。因此，實驗過程中產生的電弧不會穩定燃燒，而是不穩定的電火花現象，實驗現象如圖3 所示。

圖3 振動條件下串聯型故障電弧實驗現象Fig.3 Experimental phenomenon of series arc fault under vibration condition

振動板材料為鑄鐵，在5 種振動頻率下振幅都較小，振動頻率為48 Hz（共振頻率附近）時振幅最大，之后隨著振動頻率的增加，振幅逐漸減小。實驗中測得的5 種頻率對應的振動板振幅依次為0.142、0.278、0.175、0.126、0.103 mm。

圖4 為電源電壓為220 V、電流為10 A、功率因數為1.0 時，不同振動頻率時的故障電弧電流和電壓波形。由圖4 可見，振動條件下的電流波形與正常運行時非常相似，沒有明顯的故障特征出現；而隨著振動頻率的增大，接觸電壓幅值較正常運行時增長較小，但波形卻越來越趨向于矩形波。

圖4 實驗電流和電壓波形Fig.4 Experimental waveforms of current and voltage

3 不同振動頻率下串聯型故障電弧電流和電壓特征

3.1 電流特征分析

僅從實驗波形來看，電弧電流和正常狀態的電流的特征難以區分，本文通過統計方法對實驗電流的有效值進行了分析，結果如表2 所示。可知：在不同振動頻率下，回路電流均較正常運行時有所減小，這是因為接觸點接觸電阻較正常運行時增加，因此回路電流減小；在其他實驗條件相同時，48 Hz振動頻率下回路電流有效值最小，這是因為此振動頻率時振動臺發生共振，振幅最大，銅鼻子在分合時氣隙絕緣強度大于弧隙電壓擊穿強度，導致電弧在熄滅后不易重新燃弧，弧隙電阻增加，回路電流有效值變小。在60～100 Hz 時，隨振動頻率的增加，振幅減小，氣隙更容易從絕緣狀態到被弧隙電壓擊穿，引起故障電弧，有利于故障電弧的重燃，因此電流有效值隨振動頻率的增加而增大。相同振動頻率下，電源電壓越小，松動接觸的銅鼻子之間的氣體絕緣越不容易被擊穿，因此，回路電流越小。

零休現象是串聯型故障電弧電流信號的典型特征，但從實驗波形可以發現，故障電弧電流信號振動條件下與正常狀態時非常接近，圖5 為不同實驗條件下電流信號的零休時間。圖5 中數據顯示：實驗中電弧電流的零休時間都只有0.6 ms 左右，相對于整個電流周期非常短，因此，故障電弧電流波形與正常狀態的電流波形非常相似；振動頻率增大時，振幅減小，相同電路條件下，弧隙更容易被擊穿，因此，零休時間隨振動頻率的增加而縮短；頻率為48 Hz 時，銅鼻子分離的間距最大，電弧不易于重燃，零休時間也就較長；相同振動頻率時，電源電壓越大，接觸點分壓相對越多，弧隙更容易擊穿，電弧更易重燃；而負載功率因數減小，負載感性部分在電路斷開時起到電源的作用，電流過零時可以繼續為電路續流，故障電弧不易熄滅，功率因數越小，其續流作用越強，因此零休時間變短；在電流過零熄滅期間，弧隙仍有少量電流可以流過，其他條件相同，線路電流越大，弧隙中的剩余電流越多，電弧越容易重燃，因此，零休時間隨電流的增大而縮短。

圖5 不同條件下的電流零休時間Fig.5 Current zero off time under different conditions

3.2 電壓特征分析

圖6 是對電源電壓為220 V、電流10 A、功率因數1.0 的實驗組在不同振動頻率的接觸電壓信號進行小波去噪處理后的波形。小波變換對白噪聲濾波和對奇異特征有突出的辨識能力，經小波變換可濾除大部分的諧波噪聲，且保留了故障信號的奇異特征。

圖6 不同振動頻率的電壓波形Fig.6 Voltage waveforms at different vibration frequencies

從圖6 中可以看出：正常運行時，電極材料本身具有一個較小的電阻，因此電壓信號為幅值接近于0 V 的正弦波；發生故障時，電壓增大為2～4 V左右，出現較多“毛刺”，其中一些“毛刺”的幅值會達到十幾V，甚至更大。弧隙間距越大，接觸點的電阻就越大，在電路中分壓也就越多。因此，電弧電壓在振動頻率為48 Hz 時的幅值最大，隨著振動頻率的增加，電壓幅值有減小的趨勢。

振動條件下電弧電壓的幅值雖有增大，但與空氣中穩定燃燒的電弧電壓相比較小，且沒有出現燃弧尖峰和熄弧尖峰。穩定燃燒的電弧，在電流過零熄滅時，弧隙間沒有能量輸入，弧隙熱量發散速度較快，弧隙電阻在較短的時間內上升到一個很大的尖峰值，觸點間相當于開路狀態，觸點電壓近似為電源電壓，幅值瞬間增大，而在電弧重燃后弧隙電阻降低，接觸點在電路中的分壓較小，因而出現燃弧尖峰。在振動條件下，銅鼻子分離的距離很小，且機械振動阻礙了熱量的發散過程，電流過零期間仍會有微小的電流流過接觸間隙，弧隙電阻增大得較少，電路處于通路狀態，接觸點分壓較少，因此不會出現燃弧尖峰。同理，也不能出現熄弧尖峰。

3.3 電弧伏安特性

在電源電壓為220 V、電流為10 A、功率因數為1.0 時，正常運行和5 種振動頻率下的伏安特性曲線如圖7 所示。正常運行狀態的伏安特性呈線性變化，振動條件下故障電弧伏安特性曲線近似于“S”形。

圖7 不同振動頻率時的伏安特性曲線Fig.7 Volt-ampere characteristic curves at different vibration frequencies

穩定燃燒的電弧，其伏安特性曲線的BC 段呈下降趨勢，且CD 段隨電流的減小而逐漸上升，但振動條件下，由于沒有燃弧尖峰和熄弧尖峰，BC 段是上升的趨勢，而CD 段則逐漸下降；隨著振動頻率的增大，AB 段的斜率都逐漸減小，主要因為振動頻率大時振幅較小，電流過零時的弧隙電阻較小；BC 段的斜率也逐漸減小，是因為振動頻率較大時電流過零后2 個銅鼻子之間產生的電弧較多，弧隙電阻變小。因而振動頻率的增大會導致松動的接觸點間更易產生串聯型故障電弧，且增大了電弧的熄滅難度。

4 結論

（1）振動條件下松動的連接點產生的串聯型故障電弧是不穩定的。

（2）隨著振動頻率的增大，電流有效值增大，零休時間縮短，電壓峰峰值減小，且沒有燃弧尖峰和熄弧尖峰。

（3）振動條件下，串聯型故障電弧的伏安特性曲線呈“S”型，隨著振動頻率的增大，弧隙電阻減小。