（电力系统及其自动化专业论文）低压电弧故障研究及诊断.pdf

浙江大学硕士学位论文a b s 仃a c t a b s t r a c t w 油t 1 1 ei i l c r e a l s i n gn 啪b e ro fh o u s e h o l de l e c t r i c i 饥t l l et h r ea _ t so ft h ee l e c 仃i c f i r ea c c i d e n t sb e c o m em o r ea n dm o r es e r i o u s w h e na na r cf b m to c c u r s t l l ea r cc l l r r e i n t c a np r o d u c el o c a lh i g ht e m p e r a 七u r ea n dm a yc a u s ef i r e si fc o m b u s t i b l em a t e r i a l s s u 玎0 u i l d e d 舡c 0 n v e n t i o n a lc 沁疵b r e a k e ro ro t h e rp r o t e c t i o nd e v i c e sa r eu n a b l et 0 p r 0 v i d ec o m 】? r e h e n s i v ep r o t e c t i o nf o ra r cf 狐l t ，s m d yo nm ec h a r a c t e r i s t i c so f l o w - v o l t a g ea r cf a u ha i l dp r o p o s i n gar e c 0 鲥t i o nm e t h o di so f 伊e a ts i g l l i f i c a n c e i nc l l i n a s t u d yo nl o w - v o l t a g ea r cf a u l ti ss t i na t l es t a r t i n gs t a g e i i lo r d e rt 0 p r o p o s et h ed i a g n o s i sm e t l l o df o ra r cf a u l t ，w i l i c h i ss u i t a b l ef o ro u rc o u m 巧s r e s i d e n t i a le l e c t r i c i 够，t l l er e s e a r c h 、v o r ka c c o m p l i s h e di ss h o w na sf o l l o w s ： f i 咄e x p e m e n t sa r ec o n d u c t e dl l l l d e ra c2 2 0 vv o l 切g e ( 5 0 h z ) a c c o r d i n gt 0 u l16 9 9s 仞咄b r d s e v e r a lt ) ，p i c a ll o a d sa r ec h o s et 0d 0an u m b e ro fe x p e 血n e n t s u n d e rd i f r ：r e n tc o n d i t i o i l sa n dd a t a 剐er e c o r d e d 1 1 1 e nc l u s t e r i n gi sv i s u a l i z e du s i n gs o mn e u r a ln e t w o r ka n dk m e a z l sc l u s t e r a c c o r d i n gt 0c l u s t e r i n gr e s m t s ，s o m et y p i c a lc h a r a c t e r so fa r cf a u l ta r ef o u n d ： ”c u r r e mz e r oo f f p h e i l o m e n o 玛 p o s i t i v e a n dn e g a t i v eh a l f - 、a v e a s y m m e t r y a p e r i o d i cw a v e f o ma j l d1 1 i 曲l e v e l so fh i 曲- 舭q u e n c yh 锄o i l i c s a tm es 锄et i r n e 恤a r cf - a u l td i a 罂l o s i sp r o 鲫i sp u tf o r 、) l ，a r d f i n a l l y ，t 1 1 ea r cf a u hc n u i ti n t e m l p t e r ( | a f c i ) i sd e s i g n e d ，锄dap r o t o t ) ，p ei s p r o d u c e d t h ea r cf i a u l td i a 印o s i sp r o g m mi sv e r i f i e db ye x p e r i m e n tb a u s e do nm et e s t o ft l l ep r o t o t ) e t h et e s tr e s u l ts h o w st t l a tm ep r o t o t ) ，p ec a i la c ti i i u n e d i a t e l ya r e ra 1 1 a r cf a u l to c c s ，砌c hi si nl 沁丽t l lt h ed e s i r e do b j e c t i v eo f t l l i s p a p e r i i lt 1 1 i sp a p e r ，t h er e s e a r c hw o r ki sb a s e do ne x p e r i m e n t a ld a t a t h ea r cf a u h d i a g n o s i sm e m o dp r o p o s e di sp r o v e dt ob er e l ia _ b l ea i l dp r a c t i c a lb yt e s t i n g ，a 1 1 di tm a y p r o v i d ed i r e c t i v es i 鲥f i c a i l c ea i l da p p l i c a t i o nv a l u et ot 1 1 ep r o t e c t i o nf o rt l l ea r cf a u l t k e yw o r d s ：心cf a u h ，e l e c t r i c a lf h ，c u 仃e i n tz e r oo 危s e l f - o r g a i l i z h 培m a p ，w 打e l e t 托m s f o n n a t i o l l ，e m b e d d e ds y s t e m 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘鲎或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 签字日期： 年 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝婆盘堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期：年月日签字日期：年月 日 浙江大学硕士学位论文致谢 致谢 在本课题的整个研究过程中，我能够不断克服困难、解决问题，最后顺利完 成毕业设计，始终离不开父母的谆谆教诲，也同样离不开周围老师和同学的关心 和帮助。 在此，我要首先感谢我的父母，是他们一直教育我、关心我、支持我，才使 我能勇于面对困难，潜心钻研。 其次要感谢我的导师吴为麟教授。在硕士两年半的学习和生活中，吴老师严 谨的治学态度和积极的工作精神深深地影响了我，让我在学习上和思想上都受益 匪浅。从论文最初的开题，到文献收集，再到写作、修改，直到论文定稿，他都 给了我耐心的指导和无私的帮助，在此向他表示我诚挚的谢意。 同时感谢实验室朱丹梧老师对我日常的照顾和关心，感谢实验室的两位博士 师兄李智勇、郑伟彦学术上给我的耐心指点，当然也离不开邹家勇、陈永延、任 龙霞和郭亮等实验室同学对我的帮助和鼓励，在此一并致以最衷心的感谢! 感谢女友对我的理解和鼓励，感谢所有关心和帮助我的亲人、朋友和同学! 浙江大学硕士学位论文第1 章引言 l引言 1 1 研究低压电弧故障的意义 电力事业的快速发展，推动了整个人类社会工业的迅猛发展，也给人们的日 常生活带来了许多便利。时至今日，人类社会几乎无时无刻都离不开电。然而， 随着工业用电量和家庭用电量的不断上升，电气火灾事故也频频发生，给人民的 生命和财产造成了巨大的损失。根据最新的公安部消防局中国火灾统计年鉴 显示，2 0 0 8 年火灾事故中，电气火灾继续高居首位，占火灾总数的3 0 1 ，且所 占比例呈上升趋势，造成的损失十分惨重【1 1 。电气火灾的预防已经成为了消防工 作的重中之重，在自2 0 0 9 年5 月1 日起施行的新消防法中，尤其加大了对 电气火灾早期预警、预报的强制性规定。 电气火灾的直接致灾因素有两类，一类是电气线路故障，包括短路、过负荷、 电弧电火花、漏电故障等；另一类是电气设备故障，例如电加热器具使用不当。 目前，我国电气火灾防范技术研发和产品推广滞后，与国外相比差距较大。日本 人均用电量是我国的8 倍，但电气火灾只占全部火灾3 左右，除电气材料及施工 质量较好外，一个重要原因是广泛应用了先进的电气火灾防范技术【2 1 。近年来我 国已经开始重视漏电检测技术，鼓励和推广漏电检测技术的应用。但除了漏电故 障以外，电弧故障也是一个不可忽视的火灾隐患，而它还没有引起足够的重视。 低压电弧故障是危险并多发的电气故障。电气线路和用电设备，一旦经过长 时间的过负荷运行或者存在不良的电气连接等情况，导致绝缘层出现老化或者破 损，就可能引发电弧故障。文献【3 】表明，仅仅2 1 0 a 的电弧电流在短时间内就足 以产生2 0 0 0 _ 4 0 0 0 的局部高温。由于电弧的高危险性，如果不及时的切除电弧 故障，很可能造成电气设备严重烧毁、线路故障、火灾、人身伤亡事故等灾难性 后果。因此，电弧故障是电气火灾的重要元凶，及时地诊断并切除电弧故障将有 效避免电气火灾的发生。 电弧电流的特点是温度高，容易频繁出现，一旦弧光附近有易燃物就很容易 燃烧起火【4 】。由于发生电弧故障时的电流虽然通常存在较高尖峰，但有效值可能 并不大，一般为防止电路漏电、过流而设计的传统断路器或保护开关，都无法对 浙江大学硕士学位论文第1 章引言 电弧故障提供全面的保护。电弧故障的特性在不同的条件下( 例如电压等级、负 载) 有不同的体现，且电弧本身也具有较大的随机性。由于电弧故障是极危险的 电气故障，必须及时切除，因此对低压电弧故障进行全面深入并且科学的研究， 掌握它的典型特征，找到诊断电弧故障的方法具有重要意义。 1 2 国内外电弧故障的研究进展 国外对于电弧故障的危害认识较早，低压电弧的理论研究最早开始于2 0 世 纪7 0 年代，许多学者对电弧故障的数学模型【5 ，6 ，7 1 、特性【8 9 ，1 0 】作了深入的研究。 在文献【8 】中，r s p y k e r 等人主要对直流串联电弧进行了详细深入的研究他 们通过调整放电间隙，测试不同间隙下的电弧电流。然后将得到的各组电弧电流 数据进行分析，发现电弧电流能量的频谱分布与正常电流有明显差别，可以用来 说明电弧电流的特征。即发生电弧时，在1 0 k h z 到1 0 0 k h z 的频率范围内，电流 的谐波含量会明显增多。 r e s 仃e p oc e 则研究了在1 2 0 伏交流电压下包括5 0 h z 和6 0 h z 两种频率下的 电弧故障特征【9 1 。作者同时研究了串联电弧和并联电弧，而研究的负荷对象包括 了日光灯调光器、空气压缩机、真空吸尘器、电钻等。他认为，当电流出现突变 时，这有可能是发生了电弧故障，而电流突变的程度则主要取决于是串联电弧还 是并联电弧。此时噪声的频率范围是有效辨别电弧故障的关键。 韩国学者利用小波变换针对韩国1 5 4l ( v 高压电力系统中的高阻电弧故障进 行了研科1 0 1 。作者对d b 4 ，s ) ，1 1 1 5 ，b i o r 3 1 以及c o i f 4 这四种母波进行了比较，最 后选择d b 4 作为母波。随后，作者对每个周期内的数据进行小波变换，对结果设 定了一个阎值，当超过该阀值时才认为检测到高阻电弧故障。最后测试结果表明 该检测方法有效，并且能和一些瞬态的非故障事件( 比如线路开关、电容放电等) 区分开来。 相对而言，国内对电弧故障的研究较晚。但近年来，随着防治电气火灾的迫 切要求，越来越多的学者开始重视电弧故障，尤其是在住宅用电、航天航空、汽 车领域。罗雷等人通过比较各个周期电流绝对值的平均值，利用电弧故障时电流 的突变来诊断电弧故障【1 1 】。文献【1 2 1 则结合了线路电流中的各种参数，例如电流 有效值、幅值变动、谐波含量、“电流零休”时长等综合诊断电弧故障。 2 浙江大学硕士学位论文第1 章引言 1 3 电弧故障断路器( a f c l ) 的发展现状 如前文所述，传统的断路器或空气开关都对电弧故障的保护存在盲区。为了 减小电弧故障所造成的危害，最有效的方法是在电力线路上安装电弧故障断路器 ( 觚f a m tc 沁u i ti n t e m l p t e r ，a f c i ) 及时发现电弧并切断线路。美国非常重视电 弧故障保护技术，已颁布的美国国家电气条例( n e c ) 强制性规定自2 0 0 4 年8 月1 日起，在美国市场销售的家用空调必须带有具备a f c i 功能的电源插头。美 国安全试验所( u n d e m 哂t e rl a b o r a ：c o r i e si n c ) 编写发行了a f c i 的工业标准一一 u l l 6 9 9 ( u ls t a l l 出时f o rs a f l e 够f o ra r c f a u l tc i r c u i t i n t e m l p t e r s ) 【13 1 ，1 9 9 9 年首 次发行，2 0 0 6 年公布了最新的版本。欧洲各国也正在积极制定相应的安全标准。 国内对于低压电弧故障的研究还基本停留在初级阶段，近年来才开始逐渐重 视这项技术。国外的电压等级和用电环境都与国内不同，因此国外的a f c i 技术 也未必能在国内适用。只有自主深入研究低压电弧故障，掌握电弧故障所具有的 特性，才能总结提炼出适用于国内交流2 2 0 v ，频率5 0 h z 配电系统下的电弧故 障诊断方法，有效防治电气火灾事故。 电弧故障的特征主要表现在闪光、气压、温度、电流和电压等几个方面，按 照判别的特征，电弧故障断路器可以分为电子式a f c i 、光电式a f c i 、温控式 a f c i 、气压式a f c i 已经市场化的产品以光电式a f c i 和电子式a f c i 为主。 1 3 1 光电式a f c i 光电式a f c i 的工作原理是安装一组电弧感应器，该感应器是光敏元件，当 电弧发生时伴随的强闪光触发电弧感应器中的光电转换电子电路，产生电信号， 控制单元收到电弧感应器的信号后会经过相应规则运算，若诊断出有电弧故障发 生，就立即向断路器发出跳闸指令断开电路。代表性产品有a b b 公司生产的a r c g u a r ds y s t e m 。 光电式a f c i 主要应用于电力系统高中压配电柜的电弧防护，目前已有较为 成熟的成套保护装置。但是其价格高昂、体积较大，并且在低压供配电系统中发 生电弧故障时，故障发生的位置难以预测，因此光电式a f c i 不适合安装在低压 线路上，无法对住宅出口线路提供保护。 浙江大学硕士学位论文第l 章引言 1 3 2 电子式a f c i 电子式a f c i 的工作原理是对线路的电流及电压信号进行不间断的监测，通 过信号的分析，辨别电弧的特征。检测电路需要得到一系列的信号特性或者信号 变化的证据证明电弧故障可能存在。当证据充足时，就可以判断电弧故障存在并 输出信号到断路器切除线路。 勺勺勺l 帆l 图1 1电子式a f c i 结构框图 图1 1 是一种电子式a f c i 的结构框图，其基本原理是将线路中的电流信 号输入，经过运算放大器变换放大，然后再进行滤波。处理以后将信号输至脉冲 成型器，把电流的突变信息转换成脉冲，该脉冲经过单稳态触发器后形成恒定幅 值、宽度不变的脉冲，最后进行积分、比较，当积分器输出幅值超过比较器的设 定值时，启动时序电路，发出脱扣信号，使得电弧故障的上游断路器分闸。 电子式a f c i 产品通常采用嵌入式系统实现硬件电路和软件算法，可以集成 在普通插座和断路器中。随着集成电路和芯片技术的飞速发展，高性能的嵌入式 芯片体积越来越小，运算速度越来越快，而且价格也越来越便宜。低价高性能的 芯片可以短时间内完成复杂的运算，足以满足诊断电弧故障的需要。其中代表性 产品有美国德州仪器公司开发的a f c i 模块触s 1 1 i e l d 。德州仪器公司在疵 s l l i e l d 技术基础上，开发了一系列a f c i 产品，分别应用于家用、飞机和汽车等 领域。具备体积小、性能高、价格低等优点的电子式a f c i 技术相比光电式a f c i 更具有竞争力和发展前景。 目前国内a f c i 的市场化生产仅处于起步阶段，也没有建立起电弧故障的数 据库。国内的一些厂家生产的a f c i 成品，主要是面向北美出口的空调插头，都 4 浙江大学硕士学位论文第l 章引言 是针对交流1 2 0 v ，频率6 0 h z 的配电系统开发的。随着国家对电气火灾防治的愈 发重视，未来也很有可能推出a f c i 技术的相关标准和强制规定，因此低压电弧 故障的研究及诊断是一门非常有前景和应用价值的研究课题。 1 4 论文的主要研究内容 准确并且快速的诊断电弧故障是a f c i 技术的关键。为了研究适用于国内用 电环境下的电弧故障诊断方法，本文将从电弧的基础理论出发，搭建低压电弧故 障实验平台，记录实验数据。利用科学、实用的数据处理方法挖掘出低压电弧故 障的典型特征，总结出准确并且快速的电弧故障诊断方法。 引言部分介绍了电弧故障的研究背景、进展和a f c i 的发展现状，在接下来 的章节中，本文的主要内容如下： ( 1 ) 交流电弧的基础理论和仿真数学模型。 ( 2 ) 根据u l l 6 9 9 标准搭建低压电弧故障实验平台，建立电弧实验数据库。 ( 3 ) 深入研究低压电弧故障的典型特征，采用自组织神经网络和小波分析等 数学分析方法进行数据挖掘，归纳低压电弧故障的诊断方法。 ( 4 ) 研制国内用电环境下的a f c i 。硬件部分采用嵌入式系统设计，软件部分 使用c 语言来实现电弧故障的诊断算法。结合实验平台进行验证，对诊断算法 进行改进。 ( 5 ) 进行全文总结，讨论课题研究的改进措施和a f c i 未来的发展方向。 浙江大学硕士学位论文第2 章电弧理论基础与数学模型 2 电弧理论基础与数学模型 2 1 交流电弧的理论 2 1 1 电弧的定义 电弧是气体放电的一种形式。在正常状态下，气体具有良好的绝缘性能。但 当在气体间隙的两端加上足够大的电场时，就可以引起电流通过气体，这种现象 就称为放电。放电现象与气体的种类和压力、电极的材料和几何形状、两极间的 距离以及加在间隙两端的电压等因素有关。 电弧放电的特点是电流密度大和阴极电位降小。即使只有几十伏的电压，电 弧也可以燃炽。电弧可分为三个区域：阴极电位降区域、电弧柱和阳极电位降区 域。图2 1 上示出了沿电弧长度分布的电弧三个区域及电位降。由于在阴极附 近有正空间负荷，电位有急剧的跃变，既是有阴极电位降以沿着弧柱部分电位 啡均匀上升，这意味着弧柱电位梯度保持不变。在阳极附近可以有未补偿的负 空间负荷，这决定阳极的电位降u 。阴极和阳极电位降都集中在非常小的电弧 长度内，约为l 微米【1 4 1 。 u ku c u a 图2 一l 电弧的三个区域及各自电位降 电弧的弧柱是高温的、已游离了的气体，充满着带电的粒子。在弧柱中始终 6 浙江大学硕士学位论文第2 章电弧理论基础与数学模型 进行着游离和去游离的过程。弧柱的一些特性如电位梯度、电导、电流密度及其 分布等属于电的特性，而另外一些特性如温度、散出的热能、热流及其分布等是 属于热的特性。因此，电弧的主要基本特性决定于这两个相互密切联系的过程， 即点的过程和热的过程。电弧中热的过程及电弧与其周围介质之间的换热过程， 对电弧的特性起着很大的作用，故只有考虑到电弧中热的过程，才有可能建立现 代的电弧理论。 电弧是气体放电，也就是电流通过气体的情况。它与通过液体或固体时的性 质不同，当电流通过气体的同时会发生一些特殊的现象和效应。在气体中欧姆定 律仅适用于少数特殊的场合。气体的导电系数不是常数，并且与外界对气体的影 响和电流强度有关，电流与电压之间的关系不是简单地成正比。因此，电弧间隙 可以看作一个非线性的导体。电弧放电还与气体中原子和分子的各种过程有关， 现象复杂而多样性。在很多情况中，只能给出现象的定性分析，还不易给出一般 的定量分析，并且常从近似的关系出发，因此所得到的结果，应用范围受到一定 的限制。 2 1 2 交流电弧电流过零的现象 交流电弧中电流每半周要经过零值一次。电流经过零点时，弧隙的输入能量 也就等于零，电弧的温度下降，造成熄弧的有力条件。此时电弧的能量也很小， 因此交流电弧容易熄灭。 在电流自然过零前后一段时间内，弧隙电阻变得相当大，以致成为限制电流 值的主要因素。所以在电流前半周结束和下半周开始时，电弧中电流一般并不按 照正弦波变化，而是按照另一个规律变化，即电流等于电弧电压与电弧电阻的比 值【1 4 】。在电流自然过零前的一小段时间内，电流被电弧电阻限制的很小，实际 上约为零。虽则电弧电流事实上仅在某一瞬间过零点，但在电流自然过零前后整 个一小段时间内，电流近似地等于零，而整个这一段时间就称为电流零休的时间 零休的时间与许多因素有关，一方面与弧隙内部过程有关，另一方面与电路条件 即电压、电流及电路常数( 电阻、电感、电容) 有关。通常零休时间在几个到几 十个微秒之间。 交流电弧电流过零现象对电弧的重燃和熄灭有重要的意义。现在较详细的分 浙江大学硕士学位论文第2 章电弧理论基础与数学模型 析交流电弧电流过零的各种现象。在如图2 2 所示的电路中，电源电压为 e = 邑c o s 国f ( 2 1 ) 线路电阻略去不计。在发生电弧时，由于电路参数和开断电器性质的不同，电流 过零现象可以有下列几种： e 图2 2 有电弧的电路 ( 1 ) 电流理想过零 在理想情况下电弧燃炽时，其电阻等于零，即电弧电压等于零，或者电弧电 压很小，与电源电压相比可略去不计同时，由于警= o ，电容电流就等于 零。因此，电弧电流也就是电路电流 f = 冬s i n f ( 2 - 2 ) 三 纠 电弧电流按正弦波形过零，电流趋向于零的速度为 ( 争川一山， ( 2 - 3 ) 式中，i 为电路电流的有效值。 ( 2 ) 电流自然过零 在极大多数情况下，交流电弧的电路是自然开断的，这时电弧电流实际上是 提前过零，因为当电弧电压有相当数值而不能略去时，电弧电流就较原来的正弦 波形电流提前过零。假定心为常数，则线路电容c 就没有影响，整个电路只有 一个电流= 屯。 浙江大学硕士学位论文 第2 章电弧理论基础与数学模型 肚磋栅彳 4 ， 口z t = 圭( e 巩斗圭p 彳衍 = t = 壶卜彬c 卅 = 怠 磋獭卅j f c 等删 m5 ， = 象s i n 咖急了( 卅l l e m 、。 式中e 为电弧起燃相位角，即当电路电流处于其正弦波形上e 电角度时，开断电 式( 2 5 ) 中右边第一项是没有电弧时的电流f ，第二项可作为电弧电压所引 起的“反向”电流f ，并且f 随着电弧电压的增加而上升。因此，在有电弧的 电路中，是f 与f 之和。电弧电压引起“反向”电流，以致使较电流f 提前一 个角度经过零点，并且电流波形发生畸变。电弧燃炽时间在第一个半周内就小于 电路电流屯下降到零比电流f 理想过零要早。但事实上电弧电压不是常数， 还必须考虑到电容电流f c 通过电容c 的电流为 七- c 警 ( 2 _ 6 ) 9 浙江大学硕士学位论文 第2 章电弧理论基础与数学模型 审r 卜斗 c 警 7 ， 电弧电压甜。不但决定于弧隙的内部过程，并且受电容c 的影响。电容c 并 不能决定是否发生电弧电压的熄弧峰值，但从式( 2 6 ) 、( 2 7 ) 可知，当“。上 升时，电容c 将影响其上升速度和达到峰值的高低。当电弧电压从弧隙峰值下 降到零时，电容也起到一定的影响。 在电弧电流减少，接近零值前某一段时间内，弧隙电阻灭。已上升，使电弧 电压达到熄弧顶峰，即 警= 丢c 讽h 警代警= o 8 ， 当达到熄弧顶峰时，由式( 2 6 ) ，i c = 0 。此后下降，f c 变成负的， 即电容向弧隙放电，称为电弧的附加电流，因此使电流下降速度稍慢。 在= o 时，弧隙电导就消失，乞= 七。 电流自然过零的特征为： 电弧电流在电路电流t 以后才过零，较原电路电流f 理想过零要提前； 过零的时间界限是在电弧电压的熄弧顶峰与零值之间，极限情况为电弧电流与 电弧电压同时过零。 电路电流f ，在熄弧峰值以后才过零。 电压恢复的过渡过程在熄弧峰值以后开始。 ( 3 ) 电流强迫过零 当开断电流愈小，或熄弧能力愈强时，熄弧峰值及其上升速度就愈高。并联 电容c 的充电电流与电弧电压上升速度成正比( 式2 6 ) 增加，因此电弧电流 就比下降的快。电弧电流减少得快，使弧隙去游离更强，又进一步使电弧电流 减少，电弧电流大部分被电容所吸收，因而电弧熄灭。 电流强迫过零的特征为： 电弧电流在电路电流t 之前及在熄弧峰值之前过零。 l o 浙江大学硕士学位论文第2 章电弧理论基础与数学模型 在f 。突然过零时，电弧电压由于热惯性出现这段。 电路电流f ，过零与熄弧峰值同时出现。 电压恢复的过渡过程在熄弧峰值之前，在过零时开始发生。 ( 4 ) 延迟开断，出现剩余( 弧后) 电流的现象 当熄弧能力较弱时，在电流过零后电弧间隙仍有相当的电导，在间隙上电压 的影响下，就有一定的电流通过间隙，这时的电流就称为剩余( 弧后) 电流这 时，电弧电流仍提前过零，但在电弧电压下降时，电容向弧隙放电而有附加电流， 因而使电弧电流在电路电流，以后过零。但电弧电流过零后仍有相当数值而不等 于零，因此t 就不等于，直到剩余电流为零时，t 才等于。 出现延迟开端的现象后，电路特征有： 电弧电流在电路电流t 以后过零，而与电弧电压同时过零。但过零 后在恢复电压作用下仍有一定的数值，持续一段时间，然后消失。 在电弧电压熄弧峰值之后过零，这时熄弧峰值是平坦的或是较低的 电压恢复过程从电弧电压过零时开始发生。 2 2 交流电弧的数学模型 为研究低压交流电弧故障的性质，对低压交流电弧故障模型的研究格外重 要。电弧是两个电极之间跨越某种绝缘介质的持续放电现象，经常伴随着电极的 局部挥发，是非常复杂的电磁反应过程电弧模型的研究是复杂的问题，为了能 够进行数学建模，必需要提出一些假设。通过电弧模型分析，可以更合理地研究 低压交流电弧故障诊断算法，设计保护装置。 2 2 1 纯电感电路的交流电弧模型 1 9 6 0 年，k a u 缸锄和p a g e 提出了一个纯电感系统下的电弧电流模型1 5 1 。 这个模型是在能量守恒和电弧电压维持为一个常数的基础上建立的。当加在电弧 间隙两端的电压超过3 7 5 v 时，空气间隙被击穿，电弧开始产生。电路的电流一 浙江大学硕士学位论文 第2 章电弧理论基础与数学模型 直持续，直到储存在电感中的电能消耗完然后电流一直维持为零，直到弧隙两 端电压变为反向3 7 5 v ，然后电弧再反向产生，电流和前面的情况恰好相反。 产生电弧时的电流由下式决定， t = 圭j f ( s i n 国f 一 ( 2 - 9 ) 电弧电流的开始时间由下式决定， 铲去础( 芳) ( 2 - f 口= 一a r c s m ( )( 2 1o ) ， 式中圪即弧隙的击穿电压3 7 5 v ，( i ) 为1 2 0 丌 圪= 2 7 7 压s i i l = 1 4 0 图2 3 发生电弧故障的纯电感电路 电弧电流的停止时间可由式( 2 9 ) 求的，即当电流为零的时刻。图2 3 是一个发生电弧故障的纯电感电路，电源为单相2 7 7 v 有效值( 6 0 h z ) 的交流电 压，发生电弧故障时的电弧电压假定保持为1 4 0 v 。 由式( 2 9 ) 、( 2 一l o ) 可以得到电压和电流波形，见图2 4 。 浙江大学硕士学位论文第2 章电弧理论基础与数学模型 图2 4 纯电感电路电弧电压及电流波形 2 2 2 纯电阻电路的交流电弧模型 1 9 8 0 年，b e l 觚d 发表了纯电阻电路发生电弧故障的研究成果【1 5 】。b e l 柚d 致 力于研究住宅火灾中电弧故障所起到的作用，他认为在1 2 0 v 的住宅用电系统中， 电弧故障很有可能导致火灾发生。在一般情况下，住宅用电系统无法提供能击穿 弧隙并维持电弧故障存在的电压。但是如果电弧故障周围有易燃物，当系统电压 大于或等于电弧电压时，弧隙就会被击穿，从而导致电弧故障。b e l 趾d 用许多不 同的电缆做了一系列电弧故障的实验，并测量了电弧电压。电弧电流由下式决定， k 一，乳s i n 耐i 刚 【= o ，其他 ( 2 1 1 ) 线路的电阻是住宅中的进线，出线以及变压器的电阻之和。当系统的电阻值 超过电抗值，并且电弧电压与系统电压的峰值之比大于o 5 时，纯电阻的模型与 实际情况相比误差不超过1 0 。图2 5 是一个发生电弧故障的纯电阻电路，电 浙江大学硕士学位论文第2 章电弧理论基础与数学模型 源为单相1 2 0 v 有效值( 6 0 h z ) 的交流电压，发生电弧故障时的电弧电压假定保 持为5 0 v 。 尺= 3 0 0 聊q 圪= 1 2 0 压s i n = 5 0 图2 5 发生电弧故障的纯电阻电路 图2 6 是上述电路发生电弧故障的电压电流波形。相对而言，这时的电弧 电流很小。由于电弧产生的环境较特殊，因此纯电阻电路的电弧具有较大的随机 性和多变性。 3 2 韶1 爝 脚 0 $ 坦 脚1 2 - 3 0 i ，、 、j 、 。 心? 、，| 一 、，7 一 一 i、l 0 0 1 时间，秒 图2 6 纯电阻电路电弧电压及电流波形 1 4 浙江大学硕士学位论文第2 章电弧理论基础与数学模型 2 2 3 感抗型电路的交流电弧模型( m a c d l e w s 模型) 1 9 9 3 年，m a t t h e 、s 在前人的基础上，利用计算输入功率导电角的方法提出 了一个感抗型电路下的交流电弧模型，这个模型具有普遍意义1 5 】。此时发生电弧 故障的电路可以用下式描述， 觚s i n 国f = k 尺+ 三鲁+ 此时电弧电流可以用下式求出， 一s i n ( 耐训一南1 批户争乙斟川3 ， 电导角r 可以在m a t h c a d 软件中使用下式求出， ( 2 1 4 ) 在第一个半周中，电流从乞时刻开始导通，此时系统电压正好等于弧隙的击 穿电压。然后电流一直持续到下降为零，电感中储存的能量正好消耗完。此时的 电角度即导电角r 。下半周的电弧电流正好与上半周相反。这里分析时将电弧电 压假设为1 4 0 v ，弧隙的击穿电压假设为3 7 5 v ，不同的电压同样可以采用这种分 析方法。图2 7 是与此假设相对应的电弧故障电路。 浙江大学硕士学位论文第2 章电弧理论基础与数学模型 圪= 2 7 7 压s i n = 1 4 0 图2 7 发生电弧故障的1 0 毫欧阻抗电路 把弧隙的击穿电压以及电弧电压都假设为已知后，整个电路受x ，r 比值的 变化所影响。当x 瓜的比值减少时，电弧电流波形变得越来越不趋于正弦，每 半个周波之间电弧的零休时间在增加。这加长的电弧零休时间减少了电弧自持的 可能性。当x 瓜比值的增加时，电弧的持续时间也随着增加，同时系统也更加 呈现出感性【1 6 】。 尽管m m e w s 模型将电弧电压值假设成一个已知的常量，但是它仍然是一 个用来深入分析交流电弧故障的重要方法随后在m a t n l e w s 模型的基础上，有 s t o k e s 和o p p e i d a i l d e r 提出的s t o k e s 模型1 1 7 】。文献1 1 刀通过大量实验证明s t o k e s 模型与m 砌l e w s 模型相比要更精确，更符合实际电弧的性质。 2 3 小结 本章概述了电弧的定义，交流电弧的基础理论以及交流电弧的数学模型。本 章的内容是后面章节分析电弧故障的基础，通过与实验数据进行分析比较，以便 合理地研究低压交流电弧故障诊断算法，设计保护装置。2 2 节所概述的3 个数 学模型都是在电弧电压维持为一个常数前提下做出的分析，而且电路也十分简 单，实际上电弧电压并不是保持不变，电弧随机性也很强，因此前文所述的数学 模型都难于运用于实际情况中。电弧是复杂的电磁反应过程，纯粹的数学分析需 要扎实的数学功底，这是作者所欠缺的。研究电弧故障需要从实际出发，因此搭 建科学的电弧故障实验平台，建立广泛的负荷数据库是后面所需做的工作。 1 6 浙江大学硕士学位论文第3 章低压电弧故障实验方法及数据 3 低压电弧故障实验方法及数据 3 1 低压电弧故障实验平台 3 1 1 实验的参考标准一u l l 6 9 9 为了科学的模拟电弧故障发生时的情景，需要制定详细的实验方案，搭建实 验平台。对于电弧故障的研究，国外走在前沿，因此有必要学习国外学者的实验 思路和研究手段。 目前美国安全试验所( u n d e r w r i t e rl a b o e a t o r i e sh l c ) 编写发行的u l l 6 9 9 标 准是国外a f c i 产品普遍依照的工业标准，最新版本发布于2 0 0 6 年这一标准 具有重要的参考作用，里面的电弧故障测试方法都值得学习和借鉴。 u l l 6 9 9 标准主要包括三个涉及电弧检测相关的测试项目： ( 1 ) 电弧故障测试( 觚f a u l td e t e c t i o nt e s t s ) ：检测a f c i 设备能否在不同的 电流等级下在规定的时间以内检测到各种模式的电弧。 ( 2 ) 误动作测试( u n w 柚t e d 嘶p p i n gt e s t s ) ：检测a f c i 设备是否可以在标准 中所规定的干扰下正常工作而不发出误动作。干扰性的负荷状况包括正常启动、 插拔开关、非正弦波形、交叉干扰等。 ( 3 ) 操作抑制测试( o p e r a t i o ni i 皿b i t i o nt e s t s ) ：在此项测试中，a f c i 设备要 求能够在与某些负荷串联或并联时，能够正确检测出电弧。这些负荷是指会隐藏、 屏蔽、削弱或歪曲电弧的设备和电器，包括真空吸尘器、开关电源、电容起动电 机、l 千瓦和6 0 0 瓦的电子调光器、两个4 0 瓦的日光灯。 此外，标准中还包括冲击测试、潮湿检验、漏电流测量、电压浪涌测试、绝 缘耐压测试等其他测试项目。 本文主要参考了u l l 6 9 9 标准中的电弧故障测试项目，学习其中的实验方法。 电弧故障可以分为三种类型： ( 1 ) 串联电弧。电弧故障与线路是串联的关系。串联电弧大多是由磨损的导 线被外力拉开或是插座和铰链触点的连接处发生松动这些原因引发的。图3 1 是一个产生串联电弧的简单电路。 浙江大学硕士学位论文第3 章低压电弧故障实验方法及数据 4 图3 1 串联电弧 ( 2 ) 并联电弧。电弧故障与线路是并联的关系。并联电弧类似于短路，当两 导线靠近而都出现绝缘损坏时，就有可能引发并联电弧，最简单的电路如图3 2 所示。 h 图3 2 并联电弧 ( 3 ) 接地电弧。接地电弧是火线与地线问并联的电弧。当图钉刺穿电线绝缘 层或金属板切断其下面的电缆时就容易导致接地电弧。实际上接地电弧与并联电 弧基本上属于同一类，因此一般都将接地电弧归入并联电弧中。图3 3 是发生 接地电弧的简单电路。 a 图3 3 接地电弧 并联电弧故障的电流通常很大，一般电流保护都能够对其提供保护。而串联 电弧故障的电流则随负荷不同而变化，容易避开传统的漏电和过流保护装置。因 此本文主要针对串联电弧搭建实验平台进行实验。 浙江大学硕士学位论文第3 章低压电弧故障实验方法及数据 在u l l 6 9 9 标准中，针对串联电弧的检测平台主要可以分为两种，一种是碳 化路径电弧燃烧实验，另一种是电弧发生器实验。下面两节将逐一介绍本文搭建 的实验平台和实验方法 3 1 2 碳化路径电弧燃烧实验 即使在交流1 2 0 v 的线路中，如果存在碳化传导路径，也可能引发电弧，也 称为“焦介电弧”在u l l 6 9 9 标准中采用的方法是，对有切口并包上棉花和胶 布的电缆通以高电压，在电缆表面形成电弧。胶布和棉花在电弧的高温下燃烧形 成碳化传导路径，切换到低压线路测量低压线路上的电弧特征。 n 0 3 a c 2 2 0 v li n c l 。 lp v v 耳 llr 1 0 0 m q 、妻曼 ： 乡 5 k v 5 呲 n c 2 l _v-， 什 l u ll n 0 4 负荷 i 切 割 好 的 电 缆 图3 4 碳化路径电弧燃烧实验原理图 碳化路径电弧燃烧实验的原理如图3 4 所示，高压部分由一台高压测试仪 提供5 k v 的电压，最大允许流过的电流为5 0 n a ，1 0 0 m q 的电阻起到限流的作 用。触头l 和2 是接触器的两组常闭触头，在接触器未通电的情况下是闭合的。 而触头3 和4 则是两组常开触头，未通电时是断开的。接触器的通断电由一个时 间继电器来进行控制。将电缆样本切开，并把切口的绝缘层剥去，将切口留下一 定缝隙并包上胶带。胶带要包在切口正中，而且完全包住电缆样本。然后将缠上 胶带的部分宽松地用棉花包裹。 1 9 浙江大学硕士学位论文第3 章低压电弧故障实验方法及数据 当高压测试仪输出电压达到5 k v 后，启动时间继电器以5 秒的交替时间控 制接触器的吸合在接触器未吸合时，高压通过触头1 和2 以及限流电阻加在电 缆切口的两端，引发电弧并燃烧，形成碳化传导路径。5 秒后，时间继电器定时 时间到，接触器吸合，高压部分断开，低压2 2 0 v 交流线路开始工作，电流流过 电缆的切口实验持续进行到棉花点燃时，记录下低压线路上流经的电流数据。 若棉花始终无法点燃，则调整电缆样本，包括电缆切口的间隙以及胶带的缠绕位 置等。 3 1 3 电弧发生器实验 电弧发生器实验的电路结构如图3 5 所示，供电电压为2 2 0 v a c ，5 0 h z ， 电弧发生器由固定电极和移动电极组成。电弧发生器是人工产生持续燃烧电弧的 设备，是此实验中最重要的设备。将电弧发生器同各种负荷设备连接后，使电弧 燃烧，就可以研究各种负荷状态下的电弧特性。 a c 2 2 0 v l i i i v 臣囹 图3 5 电弧发生器实验电路结构图 本实验平台所采用的电弧发生器是依照提到u l l 6 9 9 标准的要求自行制作安 装的，该设备的结构如图3 6 所示。有尖锐末端的电极是铜棒，另外一端为石 墨棒，电极相互接触时电路完全闭合。进行电弧故障实验时，使用横向调节器缓 慢移动可移动电极，当与固定电极分离至一定的间隙时，电弧就会产生。在实验 中发现，要保证电极尖端的尖锐，保持表面光洁无氧化层，电弧才能持续燃烧。 因此，如果因为电弧燃烧消耗了部分电极的物质，需要用锉刀或砂纸进行打磨， 或者更换电极。 ，髫 浙江大学硕学位论文 第3 章低压电弧故障实验方法及数据 图3 6 电弧发生器结构示意图 图3 7 中为本文实验平台的电弧发生器样品。该设备具有以下特点： ( 1 ) 具有电弧防护措施。在正面安装了一个有机玻璃平板，防止实验中的电 弧火花溅到工作人员身上； ( 2 ) 可动部分由轴承带动。工作人员可以旋转发生器右侧的螺旋杆使移动电 极向外缓慢移动； ( 3 ) 两个电极为可拆卸安装方式，可以方便更换新的电极： ( 4 ) 电极的两端安装7 电线夹钳和螺母，方便连接线缆： ( 5 ) 电极的固定夹钳完全绝缘。 图3 7 电弧发生器实物图 2 1 浙江 学硕士学位论文 第3 章低压电弧故障实验方法及数据 3 2 实验数据采集与存储 3 2 l 数据呆集设备 电弧实验的数据是通过电能质量监剥系统p s 【1 进行同步采集存储的。p s u 是日本富士电机公司开发研制的电网电流电压数据监测、分析系统，其现场监 测终端( m u ) ，如图3 8 所示。 户 雪# 型型卫锄 苗” r 、 r n a s w 圉3 8 数据监测终端的外观