低压AFD串联电弧故障检测的研究

低压AFD串联电弧故障检测的研究

向林，安志龙，,袁杰

（浙江方圆电气设备检测有限公司，浙江嘉兴 314000）

摘要：当低压供配电系统发生电缆连接处接触不良、外力因素导致电缆绝缘破损或老化等隐患时，在电压、电流的共同作用下电缆绝缘层出现碳化，形成碳化路径，进而引发电线电缆或者电气设备产生故障电弧。根据电弧故障发生情况的不同，电弧故障可分为并联电弧故障和串联电弧故障。根据GB14287.4-2014《电气火灾监控系统 第4部分：故障电弧探测器》和GB/T31143-2014《电弧故障保护电器（AFDD）的一般要求》，故障电弧探测器检测电压、电流的波形来判断故障电弧。而串联电弧故障中，电流受电弧阻抗和负载阻抗的共同影响，故障电弧电流比负载正常工作电流小，且电流波形受负载种类的影响很大，检测难度较大，故障电弧数量及波形很难控制，容易误报或者漏报，因此采用波形分析，来判断故障电弧。

关键词：AFD；串联；故障电弧；波形

前言

按照低压故障电弧电流种类，低压系统中的电弧可分为直流电弧和交流电弧。一般交流电弧是在交流电源下产生的电弧，如连接交流供电设备的供配电缆、开关、插座、电动机等电器设备产生的电弧；直流电弧是在直流电源下产生的电弧，如笔记本、台式机、电池等直流用电设备与电源适配器（充电器）连接导线上产生的电弧，光伏发电系统中发生的电弧。交流电弧除具备电弧的一般特征外，还具有周期性的起弧、熄弧特征。 从危害程度上看，低压供配电系统的电弧分为“好弧”和“坏弧”。“好弧”是电气设备正常操作或运行中产生的电弧，例如断合闸操作、插拔电器、电动机运行中电刷与滑环的接触等产生的电弧，这类电弧持续时间很短，经常瞬间熄灭，不会影响低压电器设备的正常运行，也不会对电气设备和人造成损害，但“好弧”会降低电气设备的工作使用寿命。“坏弧”是由人为操作失误、绝缘材料损坏或者老化、自然灾害等原因产生的意外电弧，我们称“坏弧”为电弧故障，例如电力维修中相线与中性线的意外连接、施工中电线被意外切断、过电压引起的电气设备击穿等都可能会造成“坏弧”的发生；例如控制电气设备开关（插座、断路器、继电器），电弧会加重银触头（点）的电侵蚀，从而降低电气开关设备的使用寿命。

1 电弧故障位置分类

从低压电气设备的电弧故障发生位置来看，电弧故障一般为三大类：1、串联电弧故障、2、并联电弧故障和3、接地电弧故障。串联电弧故障是电弧与负载串联在电路中，电弧相当于一个动态电阻，再和负载串联，其电弧电流往往小于额定电流，不会引起过流保护器动作，导致电弧继续存在。串联电弧故障的电流受负载阻抗的限制，电弧电流相对较小，同时电弧电流波形受负载阻抗的影响较大，检测难度较大。由于低压串联电弧电流相对较小，其释放的热量一般不会直接导致火灾，但当串联电弧继续存在会使导线绝缘层逐渐碳化分解，引发危害性更大的并联型电弧故障或者电缆短路。

并联型故障电弧一般发生在电缆相线之间，当低压配电设备的两相线绝缘层遭受合闸涌流、雷电冲击等瞬态过电压而击穿、由于长期的被碳化在相线间构成碳化路径以及金属穿刺切割相线都会发生并联故障电弧。并联故障电弧的阻抗非常小，在此期间电弧将释放大量的热，电流相对比较大，燃烧剧烈，危害较大，同时较容易检测。

接地电弧故障可看作并联电弧故障，是发生在电缆相线和地之间的电弧故障，除具备并联电弧的特征外，还伴随对地泄漏电流。低压输配电系统中，接地型故障电弧引起的火灾远多于串并联型故障电弧引起的火灾，由于接地型故障电弧发生概率远大于串并联型故障电弧。故障电弧电流相对比较大，燃烧剧烈，危害较大，同时较容易检测。

2 电弧故障的检测

接地型故障电弧导致火灾的危害最大，但由于相线与地之间的电弧故障，故障电弧电流较大，且会发生较大漏电流，漏电断路器对其有很好的防备效果。而传统断路器对串联电弧故障、并联电弧故障引起的火灾难以防备，故障电弧发生时，电弧发生侧会辐射出强烈的光、热、声、电磁等信号，其电弧电压和电弧电流均会呈现特定的波形。然而实际中电弧故障发生位置和电弧燃烧强度是未知的，如果使用专用检测设备检测声、光、热、电磁等信号来判断故障电弧，但经济性太差，使用也不方便，利用电压、电流波形检测电弧故障就不存在此类问题，可以实时检测低压输配电系统的电压、电流波形的变化与已经常见的负载电流波形变化对比来检测到电弧故障进而断开故障电路，但对于低压线路电弧故障来说，电弧发生位置未知，难以直接利用电弧电压来检测电弧故障。在串联电弧故障中，负载端电压和电弧电压是串联的关系，线路阻抗和接线处接触电阻一般非常小，其压降很小，它们电压压降之和在理论上应等于电源电压。电弧电压波形的变化可以反映到负载端电压或者电源电压上。但是，供电电源与大电网相连，系统短路容量对电压波形影响较大，电源电压波形受电弧电压的影响较小，负载电压波形变化相对较大一点。

检测负载端电压的串联电弧一个局限是，只能检测电压传感器上游的串联电弧故障，对于电压传感器下游或者负载内部的串联电弧故障无法检测。这是因为传感器下游线路发生串联电弧故障时，传感器所获电压基本上等于电源电压。

负载端电压检测串联电弧和电流信号作为电弧故障的检测信号，并通过一定的数学方法提取电流、负载端电压波形上的电弧特征，进而实现串联电弧故障的检测。

3 低压串联电弧故障的检测及波形

本文的串联电弧故障实验平台如图1所示，电弧发生器由可移动的铜棒电极和固定的碳棒电极组成，负载分别为3A的阻性负载、可控硅2.5A调光、卤素灯1.35A。实验时先使两电极完全接触，整个回路处于导通状态，负载正常工作，之后慢慢控制步进电机运动，使碳棒电极与铜棒电极产生一定间距，当两电极之间能够产生持续电弧时停止移动电极。

电弧故障检测装置AFD需要能够可靠的识别电弧故障。发生低压串联电弧故障时，电弧电压和回路电流存在与正常情况下不一致的特征，当负载正常工作时，电弧两端电压为零；当线路中发生低压串联电弧故障时，电弧电压信号和电流信号发生畸变，不再是正弦波；当线路断开，回路电流为零。根据各负载在电弧故障实验平台产生的不同电弧故障实验波形分析，对实验数据进行时域特征分析，提取不同负载在不同电弧故障类型下电弧电压和回路电流信号的共同特征，对电压电流信号特征进行处理，识别电弧故障。其共同特征是：发生电弧故障时电压信号和电流信号都不为零。因此从电弧电压和电流信号出发，对电弧电压信号和电流信号处理，找出电弧故障特征，得到电弧半波个数。 3A的阻性负载实验波形、可控硅2.5A调光实验波形、卤素灯1.35A实验波形等线性负载电阻炉和非线性负载对电压信号和电流信号理。

4、结语

综上所述，由于负载电流容易受负载变化的影响，可以选择利用负载端电压的变化来识别电弧故障。负载端电压信号采集方便，受负载变化影响小，且利用负载端电压信号检测故障电弧的周期辨识算法误判率低。对典型线性、非线性负载进行串联电弧故障实验研究，使用示波器和数据采集系统采集电弧两端的电压信号以及回路电流信号，经过数据分析与处理，提取电弧故障特征，明确电弧识别方法。

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