弧隙間距對電弧故障電流波形的影響及檢測方法研究

張冠英，孫瑩，張曉亮，季弘歷

（河北工業大學電磁場與電器可靠性省部共建重點實驗室，天津 300130）

弧隙間距對電弧故障電流波形的影響及檢測方法研究

張冠英，孫瑩，張曉亮，季弘歷

（河北工業大學電磁場與電器可靠性省部共建重點實驗室，天津 300130）

在串聯電弧故障中，負載類型和弧隙間距是影響電弧電流波形特征的重要因素，然而當前大多研究集中在負載類型的影響上，對于弧隙間距的影響研究較少．本文基于電弧是一種氣體放電現象，產生時伴有弧光這一依據，提出了一種利用弧光來標定電弧起熄時間的方法，方法在提高電弧故障試驗數據可靠性的同時，還可以根據弧光信號的周期性脈沖計算電弧過程中電極距離的改變，進而分析弧隙間距對電弧電流波形及檢測方法的影響．在此基礎上，對幾種典型負載進行了串聯電弧故障試驗，并用示波器同步采集了電弧電流和弧光數據，基于此數據分析了典型負載下弧隙間距對電弧電流波形特征以及不同檢測方法的影響．分析結果對提高電弧故障檢測方法的可靠性具有一定參考價值．

弧隙間距；弧光標定；電弧故障；電流波形；檢測方法

在當前有關串聯電弧故障檢測的研究中，多數文獻選擇以電弧電流作為檢測量[1-3]，并制作基于UL1699標準[4]的電弧發生器，通過調節電極距離來模擬電弧故障的發生，從而對電弧故障電流波形特征及檢測方法進行研究[2-14]，這些研究大多集中在負載類型這一影響因素上，但在實際情況中，除負載類型這一因素外，電弧故障的電流波形特征的影響因素還有很多，例如電極材料和形狀、氣體特性以及弧隙間距等，其中弧隙間距也是一個重要因素，文獻[15]在這方面做了一定的研究，其主要研究的是電極從閉合到斷開這一過程中電極距離對電阻性負載的電弧故障電流、電壓特征的影響，試驗中要不斷調節動觸頭位置，使電極間距保持一定距離，來保持電弧持續燃燒，這在實際操作以及電極距離測量上有一定難度．此外，對于電極距離引起的電流波形特征對檢測方法的影響沒有進行分析．參考判斷電弧發生的依據：存在氣體放電的客觀條件并出現弧光，在電弧故障試驗平臺下，氣體放電的客觀條件是存在的，因此本文提出用弧光來標定電弧發生時間段，計算電弧發生過程中電極距離的改變，在此基礎上研究了不同負載下電極斷開和閉合兩個過程弧隙間距對電弧電流波形特征以及檢測方法的影響．方法的特點是用弧光信號來標示電弧發生的時間段，并用弧光信號上周期性的脈沖來標示電極距離的改變，使得電弧過程中電極距離的測量較為容易，同時提高了電弧故障試驗數據的準確性，對提高電弧故障檢測方法的可靠性有一定的參考價值．

1 電弧故障試驗平臺的建立與弧光標定方法的引入

本文的電弧故障試驗平臺框圖如圖1所示，其中電弧發生器如圖2參照UL1699標準制作．

在圖1中，弧光傳感器的感光元件為光敏二極管，有效頻譜覆蓋可見光，反應時間遠小于示波器的采樣周期（0.05ms），所以在時間分辨率上標示電弧發生上是有效的．示波器是帶存儲功能的數字濾波器，可以進行多通道同步采集，本試驗只用到2通道（電弧電流和弧光）；電流傳感器工作的最高頻率為100 kHz，大于本試驗示波器的采樣頻率（20 kHz）；試驗電源為220 V工頻電源，由調壓器從電網引入；負載選擇為電阻、電磁爐、微波爐、可控硅調壓器（二次側接電阻）．

在圖2中，石墨電極通過絕緣夾具與底座固定，鎢銅電極為移動電極，固定在可移動的滑塊上，由步進電機帶動其運動，步進電機由單片機控制驅動，其步進脈沖間隔設定為0.25 s，每個步進距離為0.01mm．

具體試驗時，將弧光傳感器放置在靠近電極處，為了便于有效分辨電弧光信號，在較暗光線下進行試驗．弧光傳感器在沒有電弧發生時輸出信號為5V左右，當步進電機運動時，會對電極附近的光強產生周期脈沖性的影響，因此在弧光信號上會產生周期性的脈沖，此脈沖的周期與步進電機的周期是一致的，對應的電極距離變化為0.01mm，根據這個周期性的脈沖即可計算出電極間的距離．當電極間有電弧發生時，會產生強烈的間歇性弧光，在弧光傳感器的輸出信號上則表現為一系列向下的脈沖，根據這些向下的間歇性脈沖即可標示電弧發生的區間段．

圖1 電弧故障試驗平臺Fig.1 Arcing faultexperimentalplatform

圖2 電弧故障發生器Fig.2 Arcing faultgenerator

2 弧光標定的效果與意義

當前通過電弧發生器來模擬電弧故障通常有兩種做法：一種做法先使電極閉合，然后不斷拉大電極距離，到一定距離電弧起燃后，保持距離不變或者微調電極距離，以保持電弧穩定燃燒，采集電弧電流數據．這種方法在實際操作中存在一定難度，同時并不能保證采集過程中所得數據一直有電弧的燃燒，另外此方法中，不同文獻選擇穩定燃弧的距離可能不同，從而導致數據特征不同．另一種方法是先使電極閉合，然后不斷拉大電極距離，過程跨越弧前、弧中、弧后全過程，示波器采集全過程的數據，這種方法在后期電弧故障數據分析中需要對正常段、燃弧段、熄弧段做一個區分，然而當前多數文獻并沒有對各段數據的區分進行說明，多數選擇燃弧后期波形變化相對較為明顯的部分加以分析（即人為觀察出波形的差別）．本文采用第2種方法，并用弧光信號對弧前、弧中、弧后做有效區分．

圖3a）是微波爐負載下電極斷開過程中電流信號和弧光傳感器的輸出信號，由圖看出，如果不用弧光信號做標示，單獨根據電流波形的變化去確定電弧的發生時間段存在一定困難．而在弧光信號的指示下，確定電弧發生的時間段則較為容易．圖3b）是可控硅調壓器負載下的電弧發生情況，由圖可知，此時電弧前后電流波形幾乎一致，由電流波形確定電弧發生時間段則變得幾乎不可能．圖3c）是電阻負載下電弧發生前后的電流和弧光信號，由圖可知，弧光信號不僅可以準確表示出電流波形上電弧發生的區間，還可根據弧光信號中周期性脈沖標示出電弧發生過程中電極距離的改變．

由圖3的分析可知，采用弧光信號標示電流波形上電弧的發生區間可以提高電弧故障檢測研究數據的可靠性，同時也可以標示出電弧發生過程中電極距離的變化情況，對研究弧隙間距對電弧電流波形特征及檢測方法的影響具有重要意義．

圖3 典型負載下的弧光和電流信號Fig.3 A rc lightand currentsignals under typical loads

3 弧隙間距對電流波形的影響及不同檢測方法分析

3.1 電阻性負載

總結對比圖4a）和圖4b）可以得出：電阻負載下，電弧電流波形的零休區間與弧隙間距有關，弧隙間距越大，電流波形的零休區間則越大．在此結論下，如果試驗中選取了較大弧隙間距下的電弧電流數據，則檢測效果可能就較好；反之，如果試驗數據對應較小弧隙間距，檢測效果相對較差．

圖5和圖6分別是4b）電極斷開過程對應的FFT頻譜分析結果和AR模型分析結果．

圖4 電阻負載下弧光和電流波形Fig.4 A rc lightand currentwaveforms under resistor load

由圖5可知，弧光信號反映出的燃弧區間對應FFT分析的第20～60周期，在第20～40 FFT分析周期中，頻譜特征僅在5次和9次諧波分量上有明顯差異，而第50～60 FFT分析周期3～9奇次諧波能量幅值明顯增大。說明隨著弧隙間距的增大，電弧頻譜特征更為明顯。說明弧隙間距的改變影響電弧FFT分析的有效性。

AR模型分析，即用AR模型的參數作為電弧特征量，本文參考文獻[9]，利用3階AR模型中的a2和a3作為電弧特征量，并在坐標平面繪制散點圖，圖6中，AR模型分析周期為5個工頻周期，散點圖上點的序號與左側時域波形圖上AR分析周期序號相對應．由弧光時域波形可知，電弧過程第9個AR分析周期開始，到第24個AR分析周期結束，共持續75個工頻周期，由散點圖可知，在電極距離較小時，部分散點離正常散點很近，如第9～14個AR分析周期的散點，這時AR模型方法對于正常和電弧的區分度較差，隨著弧隙間距的增大，正常電流和電弧電流對應的的散點區分度越來越大，如對應第18～23個AR分析周期的散點．

總結圖5和圖6，可以得出的結論是：電阻負載下，弧隙間距較小時，電弧電流波形特征不明顯，傅里葉分析和AR模型方法的檢測效果都較差，而在弧隙距離較大時，電弧電流波形的特征較為明顯，相應的方法檢測效果則會提高．

3.2 電磁爐負載

按照同樣方法對電磁爐進行串聯電弧故障試驗，電磁爐功率選擇為1 000W，采集電極開斷過程（電磁爐由于不能自啟動，故對電極閉合過程中的數據不做分析）中的弧光和電流數據，如圖7．從圖中可以看出，電弧剛開始產生時，電弧電流波形較正常電流波形相比變化不是很明顯，僅在原來基礎上疊加了少量的高頻毛刺，隨著電極斷開過程的進行，電極間距離不斷增大，電弧電流波形產生明顯變化．圖8和圖9是電磁爐負載下傅里葉和AR模型參數的分析結果，FFT的分析周期為2個工頻周期，AR分析周期為5個工頻周期，由圖可知，在電磁爐負載下電極距離改變對FFT方法和AR模型參數法與電阻負載下的結論有類似結果．

圖5 電阻負載下電弧電流的FFT分析Fig.5 FFT analyzed resultunder resistor load

圖6 電阻負載下電弧電流的AR模型分析Fig.6 ARmodelanalyzed resultunder resistor load

圖7 電磁爐負載下電極斷開過程Fig.7 A rc lightand currentwaveform sunder induction cooker load

圖8 電磁爐負載下FFT分析Fig.8 FFT analyzed resultunder induction cooker load

圖9 電磁爐負載下AR分析Fig.9 ARmodelanalyzed result under induction cooker load

3.3微波爐負載

對微波爐負載進行電弧發生裝置試驗，對電極斷開和電極閉合過程中試驗數據進行采集，如圖10所示，其中a）為電極閉合過程，b）為電極斷開過程．

在圖10a）中，與正常工作電流相比，整個電弧產生過程中電弧波形都有明顯變化；而在圖10b）中，電極距離引起電流波形差別不太明顯，且與正常工作電流的波形差異較小．總結來看弧隙間距變化對該類負載電弧電流波形特征的影響不明顯．圖11和圖12分別為圖10a）電極閉合過程中的FFT分析和AR分析結果．其中FFT分析周期為2個工頻周期，AR分析周期為5個工頻周期．由圖可知，在電弧產生的整個過程中，傅立葉方法和AR模型方法均能較好地檢測出電弧，電極距離的改變對這兩種方法的檢測效果影響較小．

圖10 微波爐負載弧光和電流波形Fig.10 A rc lightand currentwaveforms underm icrowaveoven load

圖11 微波爐負載下頻譜分析Fig.11 FFT analyzed resultunderm icrowave oven load

3.4 可控硅負載

對可控硅負載進行電弧發生裝置試驗，可控硅調壓器二次側接50電阻，對電極斷開和電極閉合過程中試驗數據進行采集，如圖13a）和圖13b）所示．

由圖可知，可控硅負載下，電弧前后的電流波形極其相似，并且可控硅負載下電弧過程較短，用弧光標示電弧發生以確定電弧電流的電弧區間段是非常有必要的，無法考察電極距離改變對電流波形的影響．

圖14和圖15是可控硅負載電極分離過程的FFT分析和AR分析結果，其中由于電弧過程較短，FFT的分析周期為一個工頻周期，AR的分析周期為2個工頻周期．由圖可知，由于電弧前后電流波形極其相似，FFT檢測方法和AR檢測方法均不能有效的檢測出電弧故障的發生．

圖12 微波爐負載下AR分析Fig.12 ARmodelanalyzed result underm icrowave oven load

4 結束語

本文基于電弧的判斷依據，提出了一種用弧光標示電弧發生的方法，方法不僅能夠根據弧光信號標示出電流波形的電弧區間，還可以根據弧光傳感器上輸出的周期性脈沖計算出電極距離的改變．在此基礎上，分析了典型負載下弧隙間距對電弧電流波形特征以及FFT、AR模型檢測方法的影響．分析結果表明：1）應用弧光標定方法對電弧發生時刻進行標定是很有必要的，尤其是對于電弧電流與正常電流很相近的負載，使得對數據的分析更加準確、可靠；2）某些負載的電弧特征會受到電極距離的影響，電極距離越大，電弧特征越明顯；3）電弧特征的明顯程度對檢測方法有影響．若選取電弧特征明顯的部分，則能夠比較容易地檢測出電弧故障；若選取電弧特征不明顯的部分，則會給檢測帶來難度，甚至無法檢測出電弧故障．本文研究對于如何提高電弧故障試驗數據的準確性和檢測方法的可靠性具有一定的參考價值．

圖14 可控硅負載下頻譜分析Fig.14 FFT analyzed resultundersilicon controlled voltage regulator load

圖15 可控硅負載下AR分析Fig.15 ARmodelanalyzed resultundersilicon controlled voltage regulator load

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[責任編輯 代俊秋]

Arc gap's influence to arcing faultcurrentwaveform and study of detectionmethods

ZHANG Guanying，SUN Ying，ZHANG Xiaoliang，JIHongli

(Province-M inistry JointKey Laboratoryof Electromagnetic Fieldand ElectricalApparatusReliability,HebeiUniversityofTechnology, Tianjin 300130,China)

Load typeand arc gap are two im portant factors to the characteristicsofarcing currentwaveform in seriesarcing faults.The influence of load type w as studied inmany articles,w hile there are few paper discussed the influence of the arc gap.Based on thatarc isa phenomenon ofgasdischargeand thearc-lightofarc,amethodofmarking thearc'sstarting and ending timeby arc-lightwas put forward to im prove the reliability of the testdataand calculate the changesof the arc gap through the periodic pulse on arc sensor's output signal.The influence of arc gap to the arc currentwaveform and arcing fault detectionmethods can bealso studied.Based on that,serious arcing faultexperimentsunder several typical loadswereconducted and arc currentand arc-lightdatawerecollected synchronously using theoscilloscope.The influence of arcgap to thecharacteristicsofarc currentwaveform and arcing faultdetectionmethodsunderseveral typicalloadswere analyzed based on the testdata.Theanalysis resultshave somereference value to the improvementof reliability of arcing faultdetectionmethods.

arc gap;arc-lightmarking;arcing fault;currentwaveform;detectionmethod

TM 501.2

A

1007-2373(2015)02-0028-06

10.14081/j.cnki.hgdxb.2015.02.007

2014-11-10

河北省博士后科研資助項目（2012B15）；河北省科學技術研究與發展規劃（11213567）；河北省高等學校創新團隊領軍人才培育計劃（LJRC003）

張冠英（1969-），女（漢族），副教授．