運用電子技術檢測低壓故障電弧的研究

【摘要】隨著現(xiàn)代技術的發(fā)展及現(xiàn)代化程度的日益提高，通訊、電氣設備的應用越來越廣泛，由于電氣事故所造成的損失也更大，而故障電弧是引發(fā)電氣火災最主要的原因之一，傳統(tǒng)的斷路器只能保護短路、過流和剩余電流，而無法對低于額定電流的故障電弧進行檢測，電弧故障斷路器是基于電壓電流波形變化研制開發(fā)出的可檢測故障電弧的技術。本文介紹了故障電弧及其危害和幾類目前使用的電弧檢測方法，以開關電源為例，分析了利用線路電壓和電流相位差檢測低壓故障電弧的方法，對運用給電子技術檢測低壓故障電弧方法進行了探討。

【關鍵詞】電子技術故障電弧低壓檢測AFCI

電弧是一種電流穿透絕緣體介質的發(fā)光發(fā)熱放電的自然想象，其溫度高、能量大、導電性強、質量輕，可用于制作弧光燈、電弧爐等強光源、強熱源的產品為人類服務，線路上的電弧有“好弧”和“壞弧”之分，正常操作如插拔電氣產生的弧即是“好弧”，而隨機產生不受人類控制的弧為“壞弧”，也即是故障電弧，這類電弧極易引起火災，甚至會引起爆炸，造成嚴重的電氣事故，通訊行業(yè)中小功率開關電源起火的直接原因亦多是故障電弧，因此尋找有效的故障電弧檢測方法和手段，以在故障電弧造成危害前及時切斷短路，對降低電氣事故、火災的發(fā)生率，減少損失有著十分重要的意義。

一、故障電弧及其危害

故障電弧根據(jù)電流的強度的不同可分為高水平電弧和低水平電弧，根據(jù)產生位置的不同有發(fā)生于單一帶電導體中的串聯(lián)電弧和發(fā)生于帶電導體間的并聯(lián)電弧，也有認為故障電弧除串聯(lián)電弧和并聯(lián)電弧外，還有火線與地線并聯(lián)的接地電弧。

電弧故障產生的主要原因有連接處松動或接觸不良、空氣潮濕引起的電壓擊穿、線束斷裂，及絕緣老化等，由于電弧溫度高，線路中出現(xiàn)故障電弧時弧中心的溫度可高達4000℃以上，并伴有金屬熔化物噴出，因此極易引起周圍可燃物的燃燒，引起火災。

在低壓供電系統(tǒng)中，故障電弧通常較難產生，而當絕緣層老化破損、電源連接錯誤或是電氣連接不緊密時即可引起火花放電或氣體放電，由于低水平故障電弧電流小，傳統(tǒng)的斷路器難以檢測到，高水平故障電弧雖然電流大，但持續(xù)時間短，傳統(tǒng)的斷路器難以在故障電弧發(fā)生的短時間內將其檢測出來，因此往往無法防止此類故障，導致由故障電弧引起的事故頻頻發(fā)生，對故障電弧進行有效檢測的要求也更為迫切。

二、電弧檢測方法

近年來，隨著人們對故障電弧的重視，對故障電弧檢測的研究也越來越多，在檢測故障電弧時，需先檢測出電弧，再采用一定的方法判斷電弧是否為故障電弧，目前國內外檢測電弧的方法大致有基于電弧模型的檢測方法、基于電弧物理現(xiàn)象的檢測方法和基于電弧電流電壓波形的檢測方法三大類。（1）基于電弧模型的檢測方法建立電弧模型，通過檢測參數(shù)來對電弧進行檢測，低壓供電系統(tǒng)中電弧檢測可用的數(shù)學模型為空氣開關電弧模型，此類較早的電弧模型為Cassie模型和Mayr模型，隨著研究的深入及現(xiàn)代科學的發(fā)展，逐漸出現(xiàn)了開關電弧的輻射數(shù)學模型、鏈式電弧數(shù)學模型、二維MHD模型、三維MHD模型等多種用于電弧檢測的數(shù)學模型；（2）基于電弧物理現(xiàn)象的檢測方法是根據(jù)電弧產生時伴隨的弧光、噪聲等物理現(xiàn)象對電弧進行檢測，利用此種方法的檢測裝備目前已有成套的系統(tǒng)，如以弧光和過流作為判據(jù)的Moeller公司低壓開關柜故障電弧保護系統(tǒng)、Vaasa公司VAMP系統(tǒng)、以弧光頻譜和電弧短路電流來檢測電弧的ABB公司ARC Guard System等。（3）線路中故障電弧產生時，電網(wǎng)中的電壓和電流波形都會出現(xiàn)明顯的變化，基于電流電壓波形的電弧檢測方法即是以此作為基礎來檢測故障電弧的。故障電弧斷路器（Arc Fault Circuit Interrupters，AFCI）技術是基于此種檢測方法而開發(fā)研制，是目前較為先進的電路保護技術。

三、開關電源低壓故障電弧檢測

開關電源是利用現(xiàn)代電力電子技術，通過控制開關管開通和關斷時間比率來維持輸出電壓穩(wěn)定的電源，具有體較小、重量輕、效率高、供電質量好等多個優(yōu)點，在通訊、計算機、航空、家電等多個領域內都有著廣泛的應用，其中高頻小型化的開關電源及技術已成為現(xiàn)代通信供電系統(tǒng)的主流，而由于小型化簡約化的設計，開關電源中元件布線的密集度都很高，通常也沒有保險絲，加之開關電源的輸入阻抗采用的是低阻抗，發(fā)生短路故障時故障電流無法限制，從而極易發(fā)生故障電弧，導致起火。本文即以開關電源為例對基于電流電壓波形的低壓故障電弧檢測方法進行分析。

1、開關電源組成及線路伏安相位特性。開關電源一般由AC-DC（交流—直流）變換電路、開關電路、開關控制電路和DC-DC（直流—直流）變換電路組成，AC-DC變換電路通常是由二極管整流橋和鋁電解電容器構成，在開關電源穩(wěn)定工作時，連續(xù)工頻半周期的線路電壓和電路工頻成分的相位差基本保持不變，而低壓故障電弧則不具有此種特性，開關電源穩(wěn)定工作時其電容器端電壓、電流的波形。

2、開關電源低壓故障電弧檢測。開關電源的故障電弧屬于低壓故障電弧，在進行實驗時，以UL1699《電弧故障斷電器》標準中的相關規(guī)定，制作電弧發(fā)生器，電弧發(fā)生器靜止電極為直徑8mm的碳—石墨棒，可移動電極為直徑3mm的銅棒，將電弧發(fā)生器、負載、開關和精密電流互感器串聯(lián)接入220V的供電系統(tǒng)中，利用電弧數(shù)據(jù)采集平臺，進行開關電源串聯(lián)故障電弧實驗，由實驗得出的開關電源低壓故障電弧電流波形圖分析得知，線路電壓和電流波形有劇烈抖動和變化，使不同工頻半周期的線路電壓和電流工頻分量相位差發(fā)生非單調的變化。而在開關電源穩(wěn)定工作時的實驗中，結果表明線路電源的絕對值滿足周期性，且一個電流絕對值周期對應半個工頻周期，也即是在開關電源穩(wěn)定工作時，線路電壓和電流的相位差基本保持不變，這與上文的理論分析一致。由此，當連續(xù)多個工頻半周期的線路電壓和電流相位差發(fā)生非單調變化時即可判斷發(fā)生了故障電弧。

3、低壓故障電弧檢測算法。在進行低壓故障電弧計算時，采用快速傅氏變換（Fast Fourier Transformation，F(xiàn)FT）算法，綜合電弧電流快速傅氏變換系數(shù)異常及電弧電磁輻射特性，按照UL1699標準的相關規(guī)定，故障電弧斷路器在0.5秒內檢測到8個半周期時，故障電弧斷電器執(zhí)行脫扣工作，切斷供電路線。

四、結語

電弧在包括通訊在內的多個領域內均有著一定的威脅，由故障電弧引起的電氣火災所造成的損失十分大，目前隨著研究的深入，電弧故障電路器在檢測故障電弧上已取得一定的成就，但當前的故障電弧檢測主要還是在電弧發(fā)生后再檢測，因而在電弧發(fā)生前既可通過一定的方法檢測出來并提出預警將是故障電弧檢測研究的新課題和發(fā)展方向。

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