电气火灾故障电弧研究概述

1、电气火灾故障电弧研究概述曹振公安部沈阳消防研究所沈阳 110034A Brief Overview of Study on Electrical Fire Arc FaultCao Zhen(Shenyang Fire Research Institute of the Ministry of Public Security, Shenyang 110034Abstract: Arc fault is one of the main reasons which cause electrical fire. It has seriously harmed the safety of public

2、 life and property. So the study on arc fault particularly on the detection method for arc fault is becoming increasingly important. This paper describes the classification of arc fault, the current situation of the detection method for arc fault and the trends of the study on arc fault, in order to

3、 lay the foundation to prevent the electrical fire caused by arc fault.Key words: Arc Fault Arc Light Arc Sound摘要:故障电弧是引起电气火灾的主要原因之一,严重危害了大众的生命财产的安全。因此故障电弧研究尤其是故障电弧检测方法研究变得日益重要。本文主要介绍了故障电弧分类、故障电弧检测方法研究现状以及故障电弧研究趋势,为预防由于电弧故障引起的电气火灾奠定基础。关键词:故障电弧弧光弧声1 引言近年来的统计数据显示因电气原因引发的火灾在各类火灾中高居榜首,约有30%的火灾是由住宅电气线路老化

4、或配置不合理造成的,并正以平均每年1%的速度持续上升。在电气火灾中,电气短路引起的火灾事故又占一半以上。电气短路的形式有两种:一种是导体间直接接触,如相与相之间、相与N线之间短路,短路点往往被高温熔焊的金属短路,称为金属性短路;另一种则是带电导体对地短路,是以电弧为通路的电弧性短路(故障电弧。前者短路电流以若干千安计,金属线心产生高温以至炽热,绝缘被剧烈氧化而自燃,火灾危险甚大,但金属性短路产生的大短路电流能使断路器瞬时动作切断电源,火灾往往得以避免。后者因短路电流受阻抗影响,电弧长时间延续,而电弧引起的局部温度可高达30004000,很容易引燃附近可燃物质引起火灾,但由于接地故障引起的短路电

5、流较小,不足以使一般断路器动作跳闸切断电源,所以故障电弧引起火灾危险远大于金属性短路。2 故障电弧分类电弧是一种气体游离放电现象,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。根据电弧产生的机理,可分为好弧和坏弧。好弧通常是指插拔电器时产生的电弧,而坏弧又称为故障电弧,主要是由于电线、电缆电气绝缘性能老化、破损,污染及空气潮湿引起的空气击穿,或者电气连接松动等原因造成的。故障电弧根据电弧电流的强度,可以分为高水平电弧和低水平电弧。故障电弧根据电弧产生的位置又可分为串型电弧和并型电弧两类,并型电弧又可分为对地电弧以及线线电弧,如图

6、1所示。 a串型电弧 b对地电弧 c线线电弧图1 故障电弧分类3 故障电弧检测现状由于产生故障电弧时,电网电压会突然下降,电流上升,并且会伴随有弧光、弧声、热以及电磁辐射等物理现象。目前国内外学者基于以上故障电弧现象在电弧检测方面作了一些研究。3.1基于电流、电压的检测方法故障电弧发生时,会引起电路中电压和电流发生变化。发生故障电弧时,电流短时为零即“平肩部”现象、电流正负半周区别大、相邻周期幅值变动大;电压在零区的时间常数非常小,电弧电压变化率在零区较大,在电流过零时最大。Delphi研究室基于故障电弧时电流会有突增或者突降的特性,设计了FDC模块(Series/Parallel Arc F

7、ault Discrimination Circuit:串型/并型故障电弧检测电路,提出了一种电弧检测装置,应用于汽车系统电弧的检测,但该装置的缺点是当开关闭合后,系统要求负载不能有太大的变化,而事实上在很多场合线路的终端负载可能会发生变化,当负载为非线性负载或者负载的热插拔都会造成故障电弧检测的误动作。R.Spyker等人主要针对直流串联电弧进行研究发现在10 kHz到100 kHz的频率范围内,电流的谐波含量明显增多,由于电弧电流的频域特征,说明了在频域进行故障电弧检测的可能性。于是JamesA.Momoh等人将傅立叶分解引入了电弧检测中,将采集到的电流值和电压值综合考虑,得到能量的傅立叶

8、分解,傅立叶分解的结果就可以作为判断故障电弧的依据。但是,考虑到负载性质(如DC-DC将引入高频干扰、电源质量等因素,为了防止产生误判断,又引入了ANN(Artificial Neural Network:人工神经网络,将傅立叶分解后的结果引入神经网络中,进行训练,然后得到较为精确的结果。但是,传统的FFT变换要求系统线性以及稳定的信号,但是故障电弧信号具有非线性以及随机性的特征,国内外学者又将小波分析引入了故障电弧检测中。韩国学者针对韩国的154 kV的高压传输系统的高阻故障电弧,利用小波变换进行了研究。基于故障电弧时电压特性研制的一种电子式故障电弧检测器。首先,将220 V电压变换放大、滤

9、波。滤波器对电压信号的谐波处理后输至脉冲成型器,将电压的突降信息变成脉冲,该脉冲经单稳态触发器后形成恒定幅值、宽度不变的脉冲,输至积分器进行积分,再至比较器,当积分器输出幅值超过比较器的设定值时启动线路,经延时后,发出脱扣信号,故障电弧的上游断路器分闸。这种电子式故障电弧检测器缺点是电弧电压信号的检测会受电网负载及其它因素的干扰,容易出现误判。3.2基于弧光的检测方法近年来,利用电弧的光效应,国外开发出了弧光检测与保护系统。如德国Moeller 公司用于低压开关柜的故障电弧保护系统、ARCON ABB的ARC Guard System故障电弧保护系统、芬兰Vaasa公司的V AMP系统等。这些

10、系统都是基于检测故障电弧时发出的弧光以及过流双判据,提供快速而安全的母线保护,这为限制故障电弧损坏提供了一种有效的解决方案。但是,这类检测装置也有其局限性,它们检测电弧用的传感器有其特定的安装位置,一般用于开关柜内部等故障电弧检测,不适用于线路稍长的设备中。3.3基于电弧压力效应的检测方法开关柜内部产生电弧时,电能转换为热能,引起周围空气温度升高,压力增大,空气介质的不断膨胀又进一步对柜体产生力的冲击。西门子公司利用故障电弧的压力效应,开发了一种压力开关系统,通过收集故障电弧的压力信号,在出现短路电弧的最初瞬问,迅速发出信号,切除故障回路,从出现短路电流引起的压力波到断路器分闸的时间<1

11、00ms。利用压力特性开发的故障电弧探测系统,虽然具有良好的效果,但由于电弧短路产生的高压气体常常可通过压力释放装置泻出,因此通过模型计算开关柜体内的压力与实际柜体压力有一定差别。当压力低于探测装置所需要的压力阀值时,该系统就会引起漏判。4 故障电弧研究趋势4.1基于多信息融合、多判据的检测方法实验表明,在发生故障电弧之前伴随有微弱的电弧声信号,在燃弧瞬间,短路电流幅值会发生很大的变化,并且伴随弧光的出现,文献Duffing振子信号中把弧声、弧光和短路电流三个表征信息作为判据,设定合理的幅值阈值,建立报警系统,进一步提高故障电弧检测的可靠性。这种建立基于多信息融合、多判据的故障电弧检测方法是故

12、障电弧研究的重要发展趋势。4.2基于智能化算法的检测方法由于开关电源、荧光灯和调光灯等用电负载在稳定工作时的电压电流特性与低压串联故障电弧的电压电流特性相似,另外环境变化如气候、电子噪声等引起传感器采样信号变化常常与故障电弧参数变化特征相似,以及故障电弧的产生伴随有周围多种复杂因素的影响,因此必须在弧声、弧光探测器的信号处理部分融入先进化、智能化的探测算法,尝试将混沌理论、小波分析、模糊理论等多学科综合技术应用于故障电弧弧声、弧光的辨识,将是以后研究故障电弧探测算法的重点内容。4.3故障电弧定位由于目前故障电弧检测的研究主要是针对高低压开关柜内部这些容易发生故障电弧的位置,应用领域具有一定的局

13、限性。因此,结合无线通信技术实现故障电弧的定位技术研究将也是今后故障电弧研究的又一重要方向。5结束语鉴于故障电弧因素所引起的电气安全事故比例高,并且有不断上升的趋势,给人民的生命和财产造成的损失也与日俱增。为了解决和防范由于故障电弧所引起的住宅建筑电气事故,故障电弧防护技术研究具有现实的应用背景和广泛的社会需求,是关系保障居民用电安全、保护人民的生命和财产的现实问题。国外在有关低压故障电弧检测技术研究、应用产品开发和推广、以及产品标准规范等方面已经取得了重大的成绩,尤其是美国处于国际领先地位。因此,有必要对于故障电弧产生的机理进行研究,分析和借鉴国外先进的检测技术、行业标准和技术规范,研究具有自主知识产权的核心技术,设计实用化低压故障电弧检测装置