漏电和电弧故障综合保护装置及运用分析

漏电和电弧故障综合保护装置及运用分析

厉剑雄林中圣

（国网浙江温岭市供电有限公司浙江台州317500）

近年来，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70%的是由电气的故障电弧引起的。电气火灾事故频繁发生，极易引起毁灭性的灾害。我们在传统的小型断路器的基础上增加对故障电弧起保护作用，以防范电弧引发的火灾。

一、电弧故障的产生与特征

电弧是高温、高导电率的游离气体，电流通过气体介质所产生的瞬间火花。当电极触点断开电流时，只要电流达到80∽100mA、电压达到10∽20V，两电极间就会产生电弧。电弧具有较高的能量，电弧弧柱具有6000K以上的温度，任何材料与之长时间接触都可能气化。

低压供配电线路中的电弧可分为两种。一种是“好弧”，即正常电气操作过程中产生的电弧，如电器设备的正常开关操作、电器电源插头的插拔过程等，日光灯、电弧焊等；线路/负载的电流电压波形，与电弧的电流电压某些特性类似，如电流电压畸变，某些设备的启动；好弧允许其存在。另一种是“坏弧”，即电弧故障，由电气设备异常操作过程中产生的电弧，或低压供配电线路发生故障情况下的电弧，如电气设备触头松动、线路绝缘老化、绝缘水平下降并击穿等。故障电弧一般产生于两种情况：一是沿着绝缘体部分导电表面；另一是产生于非常接近的两个电极。前者由于绝缘体长期受热或发生偶然性电火花，造成绝缘表面碳化而形成电弧通道；后者由于导电体碰上接地管道，或是一束导体部分被尖锐的金属体把绝缘割伤。在低压配电线路中，电弧故障分为串联电弧、并联电弧和对地电弧三种；串联电弧故障一般产生于一根导体，例如一束导体中有一根发生机械断裂，或在导体接头处松开，或在插头处有一个极断开，串联故障的电流受到负载的限制，因而电流可能小于负载电流；并联故障电弧是线对线故障，是一种短路，例如把一束导体中两根导体绝缘表面机械损伤而相碰，这种电弧电流决定于线路阻抗的大小；线对地故障发生于有接地回路的情况。坏弧可能会引起线路起火，或者影响设备正常工作，应立即报警或断开主电路。电弧的这种区分方法是针对其能否危及用电安全的角度进行划分，没有反应在任何物理参数上，因此判断是否为电弧故障存在较大困难，同时也给电弧故障保护装置提出了较高的要求。

低压故障电弧的典型特征

①电流波形中含有丰富的高频噪声；

②故障电弧上有电压降；

③电流上升速度通常比正常状态要大；

④每半个周期都存在电流接近零的区域，称“电流零区”；

⑤电压波形接近矩形，在电流零区变化率较其它时间大，在电流过零时最大；

⑥故障电弧通常是零星的、间隙性的；

⑦电流波形具有很强的随机性。

二、与过电流保护、剩余电流保护装置的比较

电弧故障产生的电流可能低于线路额定值，或发生的过程是间断性的，因而采用过电流保护装置可能检测不到该故障。

剩余电流保护装置能很好地对接地故障起保护作用，但线路必须有接地才能起作用，所以它对电弧故障起的保护作用有一定的限制。

三、电弧故障保护基本原理

电弧故障保护装置是一种新型智能电器，安装于低压配电线路的电源进线终端。当被保护配电线路的负载端出现故障电弧时，装置需要在短时间内将电源切断，避免电器火灾的发生。其控制电路采用集成电路和MCU来实现，主要任务是识别出故障电弧脉冲，并对脱扣机构发出动作信号；又要将故障电弧与“好弧”区分开来，确保系统不产生误动作。电弧故障保护装置是目前有效识别电弧故障并对配电线路实施保护避免电气火灾发生的一种新型电气防火产品。

本原理框图是一种集成漏电保护、过电流保护、电弧故障保护的综合保护装置。以电弧故障保护补充原来小型漏电断路器的不足，是一种新型电气防火产品。

1、通过电流互感器感应交流电流的大小和电压的A/D采样，然后用运放进行处理，将处理后的信号输入微控制器单元进行模数转换处理，微控制器将采样数值进行分析。在短时间内检测出电弧的产生，这种检测包括对负载运转所产生的正常电弧检测以及负载在非正常状态所产生的电弧检测，如果符合故障电弧的特性，控制器将发出保护装置脱扣信号，保护装置分闸断开，并点亮电弧故障报警灯。

2、丰富的负载电弧特征曲线储备

通过大量的实践基础及数据库对极大多数的负载电弧特征进行分析，包括尽可能多的负载电弧特征，并将其存储在EAMCU中。

由于大量非线性电气负载正常运行，电流波形中包含了许多故障电弧的特征，故要将故障电弧在众多非线性负载中以较高的准确度识别出来，是电弧故障保护装置面临的一个难题。这需要经过对大量故障电弧波形进行研究，同时也需要掌握大量非线性负载的电流特征，发现相互之间存在的一些共性和个性特征，以此作为判定电弧故障的重要依据。因此电弧故障保护装置的EAMCU中需要存储大量的故障电弧特征数据，以及大量电气负载正常运行的电流特征数据，或者是将在线自学习功能集成到电弧保护装置中，以便采取自学习方式，使电弧故障保护装置在运行状态下对线路中产生的故障电弧和新型电气负载电流特征进行实时更新和记忆。

3、在大、小电弧电流下电弧故障保护装置的动作判别：

①在63A及以下的小电弧电流下电弧故障保护装置分断时间

注：小电弧电流可能由相对地绝缘故障或串联电弧产生。

②在63A以上大电弧电流下电弧故障保护装置在0.5s内最大半波数

注：大电弧电流可能由相对地绝缘故障或并联电弧产生。

4、输入电流信号采用微型高精密电流互感器，耐高温（-25℃∽75℃），耐腐蚀，环氧树脂灌封，隔离性能好，抗冲击性强，精度高，线性范围宽，线性度0.1%。通过信号调整电路将互感器转换后的电压信号进行滤波、放大、调整和输出。

5、保护装置漏电保护是通过剩余电流互感器检测线路中漏电信号，把采样到的信号电压经电子组件板判别放大，当线路中的剩余电流达到额定动作值时，带动脱扣器，从而带动锁扣释放跳扣使保护装置跳闸切断电源进行保护。

6、保护装置的过电流保护是通过双金组件随着温度升高而定向规律弯曲原理，正常电流（1.13倍In）弯曲角度不大，因此推力不足以使锁扣释放跳扣15，当达到过载电流（1.45倍In）弯曲角度大，推力足以使锁扣释放跳扣使保护装置跳闸切断电源进行保护。

7、保护装置的短路保护是由瞬时脱扣器来实现的，根据F=IN（吸力与电流与线圈匝数成正比）分析，由于瞬时脱扣器线圈匝数少（一般只有10匝以下），虽然瞬时脱扣器线圈串接在电路中，电路正常工作时，由于匝数少，正常工作电流产生的吸力不足以克服弹簧的反作用力，因此线路能正常工作，但对于短路电流来说，由于产生的电流与正常工作的电流相比相差几倍以至几十倍或更大，当线路中发生短路电流时，通过瞬时脱扣器的吸力推动铁芯击打锁扣释放跳扣使保护装置快速跳闸切断电源进行保护。