浅谈故障电弧检测技术及相关产品的选型

浅谈故障电弧检测技术及相关产品的选型

马道生

珠海捷明机电设备有限公司  广东省珠海市519000

摘要：纵观当今传统的低压配电保护产品均没法对电路产生的产串（并）联故障电弧进行检测和保护；然而故障电弧发生后由于持续时间长，产生的温度高，能量大，极易引燃周边的可燃物，酿成火灾，毁坏人们的家园，夺取无辜的生命；因此，研究故障电弧检测技术，提出简单有效的故障电弧检测方法和检测电路，让故障电弧保护产品惠及普罗大众并正确选择相关产品是很有必要。本文是针对家用及其类似用电路的故障电弧进行分析，检测和选型。

关键词：故障电弧 故障电弧电流 检测 相关产品 选型

引言

在日常生活中，电弧无处不在，如我们在拔插插头时会产生电弧，使用电转时也会产生电弧，但这些电弧不会造成危险引起火灾事故。而故障电弧的产生是由于线路连接处接触不良，导致接触电阻增大；或用电线路老化、破损，导致线路的相间或相对地之间的绝缘电阻降低到一定程度后，在周期交流电压作用下击穿空气产生电火花而形成的电弧。故障电弧产生后温度迅速增高，把周围的铜导体融化成铜蒸汽，产生巨大能量，极其容易引燃周围可燃物甚至爆炸。

而在故障电弧产生的初段，线路当中的电流由于接触电阻（绝缘电阻）的存在不但没有增大，反而会减少，而传统的配电保护产品只有过载、短路、漏电检测，因此对故障电弧毫无保护，故障电弧检测及相关产品应运而生。

1. 故障电弧的分类

根据故障发生位置可将电弧分成以下几类：

图1

（1）相间故障电弧如图1（a）：由于电路老化，损坏等原因，使线路的绝缘电阻降低到一定程度后，周期电压击穿相间空气形成相间或相零间断路引发电弧，这类电弧的特点是电流会突然急剧增大，此时线路当中的断路器检测到线路断路后分断开关进行保护。

（2）接地故障电弧如图1（b）：同样由于电路老化，损坏等原因对地发生故障电弧，线路将出现电流不平衡，目前的断路器漏电保护与过电流保护可诊断出来。

（3）串联故障电弧如图1（c）：由于线路的总开关接线处接触不良，在接线处形成一定的间隙，周期电压击穿空气间隙形成故障电弧。

（4）并联故障电弧如图1（d）：由于负载接线处接触不良，在接线处形成一定的间隙，周期电压击穿空气间隙形成故障电弧；由此可见，相间故障电弧是并联故障电弧一种特例。

    串联故障电弧和并联故障电弧产生时，由于接触电阻的存在，线路当中的电流并没有增大，反而略有减少，因此，传统的断路器漏电断路器是无法进行检测和保护。本文致力于研究家用及其类似用途电路的这两种故障电弧的检测。

2. 串（并）联故障电弧的电流波形和电流特征

图2 串联故障电弧波形                   图3 并联故障电弧波形

从图2串联故障电弧波形和图3并联故障电弧波形中我们可以找到故障电弧电流、电压的一般特征：

①故障电弧电流在过零点前后会暂时性熄灭。

②故障电弧电流过零点后随着电压升高，在电压未击穿空气间隙时电流几乎为零，当在电压击穿空气间隙时电流是阶跃性变化。

③故障电弧是没有周期性的，它会随着打弧间隙的温度，间隙里的空气浓度而变化。温度高内阻大击穿角度燃弧时间长。通过大量的试验证明，故障电弧均在0°~60°的范围内产生，电压超过90°后不会有故障电弧产生。

④有故障电弧时电流有效值小于正常电流有效值。因此可以做出故障电弧电流值的定义为：

故障电弧电流值=正常电流有效值-打电弧时电流有效

图4 阴影部分为故障电弧电流值

注：根据定义公式和图4得出故障故障电弧电流值远小于正常电流值

⑤并联故障电弧波形与串联故障电弧波形相比，由于有其他正常负载的存在，并联故障电弧波形不会出现“零休”现象,即“平肩部”。

3. 故障电弧的频谱分析

首先，我们先观察一下正常电流时的频谱分析（见图5，图6）和故障电弧电流时的频谱分析（见图7，图8）。

图5 正常正弦电流波形图                            图6 正弦电流频谱分析

图7 故障电弧电流波形图                            图8 故障电弧电流频谱分析

从上述4张图可以得到一下结论：

①正常正弦电流波的频谱有一个带宽很窄的峰值（基波），不含谐波成分。

②故障电弧电流波形由于接触电阻的存在，电流过零点后不随着电压的上升而增大。随着电压进一步上升高，电压击穿接触间隙空气而导通，此时，电流波形会出现一冲击信号；因此，故障电弧电流频谱出现高次谐波。

故障电弧检测方法众说纷纭，简单总结就是通过采样电路获得电流波形，接着做快速傅里叶变换得到电流波形的频谱。接着选取频谱低频分量算法对其进行负载分类。分类后的负载波形分别做小波变换得到细节特征值，将小波细节特征值和时域特征值输入负载类型对应的BP神经网络找出离散函数，从而判别故障电弧的产生......

此类检测方法的缺点是检测线路复杂，元器件价格高昂，采样控制程序繁杂，可靠性有待验证，而且不利于检测线路小型化，产品化。

4. 故障电弧的检测技术

①过滤筛选：根据前文的分析，故障电弧电流波形含有冲击信号，因而高次谐波丰富的特点，我们可以采用带通滤波器将低频信号和过高的高频信号拒之门外。

我们日常交流电源是50Hz，变频空调的            图9 经过滤波后信号

频率是0~130Hz左右，开关电源为了减少噪声，其开关频率均在20kHz以上。试验证明通过设计一带通滤波器，将2kHz~8kHz信号进行保留分析,通过硬件电路滤波，大大简化采样电路，减轻CPU运算，减少内存和FLASH ROM,使得采样更可靠。

②过零检测计算时基：在分析串（并）联故障电弧的电流波形和电流特征时指出故障电弧均在电压波0°~80°的范围内产生，在90°到电压最高值，超过90°电压会逐渐下降，因此电压超过90°不会有故障电弧产生。

在检测电路中加入过零检测电路，通过单片机计时器可以检测出冲击脉冲的触发时基，若超过80°后采用触发的一律滤除。

③周期性类似波形的剔除：在日常生活中的电器里是有与故障电弧波相类似的波形的如：可控硅调速风扇电路如图10。

由于故障电弧打弧时会产生高温和游离子，因此，故障电弧打弧时基是离散的，而可控硅调速风扇可控硅的触发角度，开关电源触发内部电子开关充电是周期性的。

④软件滤波：在拔插、启动大功率用电器也是会产生电弧，但这类电弧时暂短的。因此，需要通过软件多次采样，达到一定阀值再触发保护            图10 可控硅调速风扇电流波形图

报警或动作。                                           

⑤学习功能：故障电弧保护器还应具有学习功能，通过学习按钮，记录一些特殊波形，学习后再有此类波形可以剔除，确保可靠性。

5. 故障电弧保护器的选型与应用

①根据回路负载电流情况，选择负载回路电流与保护器额定电流相近的故障电弧保护器，且受保护的负载数量不宜过多，若单个负载功率与其它负载功率相差太远宜分别选用故障电弧保护器进行保护。

在前文“串（并）联故障电弧的电流波形和电流特征”的分析里，我们给出的故障电弧电流波形图（图4）并定义了故障电弧电流值。试验证明，由于线路当中存在噪声，因此故障电弧电流值≥3%额定电流值才能可靠检测出来；若负载太多，线路当中单个负载产生的并联故障电弧就难以检测出来，同理，若线路当中的单个负载功率相差太多，小功率的负载产生并联故障电弧也难以检测出来。

②故障电弧保护器安装距离不宜离负载太远。故障电弧电流波形含有一冲击信号，若线路过长，相间和相地间就存在电容效应，把故障电弧信号大大削弱，难以检测。

③故障电弧保护器动作保护时间为5个周波以内，难以做到。现在某些采购故障电弧保护器要求故障电弧的保护动作时间小于5周波（0.1s）是无法实现的，试验证明，我们日常的家用及类似用途的电器里存在类似故障电弧波形的周期是5Hz,对于此类波形，光采样就需要0.1s时间就要以上了，还有检测、分析、执行动作的时间，因此要求保护器在5个周波（0.1s） 动作保护无法做到。因此，在故障电弧保护器选型是不要一味追求保护动作快， 保护动作快会换来保护器的误动，不可靠。

上述内容，是我对故障电弧检测技术及相关产品的选型的一点心得体会，有说得不对的地方欢迎大家指教，探讨。

参考文献：

[1]GB14287.4-2014《电气火灾监控系统 第4部分:故障电弧探测器》

[2]GB/T 31143-2014《电弧故障保护电器(AFDD)的一般要求》

[3]熊庆,陈维江,汲胜昌,祝令瑜.低压直流系统故障电弧特性、检测和定位方法研究进展综述[J].中国电机工程学报,2020,40(18):6015-6027.

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[6]张艳娇.光伏直流电弧故障建模与诊断方法研究[D].河北工业大学,2019.

[7]李长伟.直流故障电弧检测方法及其装置的研究[D].河北工业大学,2016.