整流器直流濾波電容對交流電弧影響實驗研究

陳 凱，王金全，嚴 鋆，亢夢捷

(解放軍理工大學，南京 210007)

整流器直流濾波電容對交流電弧影響實驗研究

陳 凱，王金全，嚴 鋆，亢夢捷

(解放軍理工大學，南京 210007)

依據相關標準搭建串聯故障電弧實驗平臺，針對整流器直流側是否帶濾波電容分別進行測試，并對采集的信號進行小波去噪處理進行后期分析。實驗結果表明，無濾波電容的整流器負載故障電弧波形類似于線性負載，同時持續燃弧期間溫度是不斷積累的,并從能量平衡角度分析了電弧持續燃弧期間伏安特性曲線；有濾波電容存在時，電容的瞬間充電電流很大，出現劇烈燃弧現象，提出并證明了此階段的電弧模型可等效為電容充電模型的結論。所得的結果可運用于含整流型負載系統故障電弧等效電路建模和暫態響應分析。

整流器負載；串聯電弧；濾波電容；伏安特性

0 引言

隨著社會的發展，人們的用電需求日益增加，負載類型也越來越多，用電安全尤其是電弧故障引起的電氣事故也不斷受人們關注。除了開關電器在觸頭的開斷過程中產生電弧外[1]，線路的絕緣老化、擊穿、接地故障等問題同樣會導致電弧故障[2]，且后者產生的電弧更難自熄。

電弧事故主要由于持續燃弧導致的線路的燃燒進而導致破壞范圍的進一步擴大。線性負載發生串聯電弧故障時，其故障電流小于正常情況下的線路電流，電弧故障導致溫度過高引起線路燃燒有一段時間過程，這就給能給故障電弧檢測一定的反應時間。但是當今設備的類型日漸增多，以含整流型器件為代表的一類負載如空調、冰箱、節能燈等含各類變頻器的電力變換裝置也越來越常見，這類負載在其整流環節后都到帶有電容的濾波或儲能環節[3]，由于直流側電容充電電流較大，就可能對交流側的電弧產生影響,導致其故障波形與常規線性負載的故障波形不同。

國內外學者對于電弧機理研究很多，SUHALA K C[4]通過電容放電的形式研究了不同類型的材料在空氣中的V-I曲線，得出了當電流小于電弧的最小起弧電流時會導致電弧不穩定燃燒的結論；任萬濱等人[5]通過研究碳電極觸點材料的交流電弧伏安特性，將阻性負載下交流電弧零休期間等效為橫值電容，并用來解釋電弧的負電阻性質；向川等人[6]研究了燃弧參數對小間隙真空電弧特性的影響，得出了改變縱向磁場是實現電弧調控的主要手段的結論。本文根據相關標準搭建了故障電弧實驗平臺，利用測溫儀測量電弧持續燃弧過程中溫度的變化，發現線性負載電弧燃燒過程是熱積累的過程而不是瞬間產生高溫；進一步對整流器負載直流側穩壓電容對交流電弧的影響進行實驗，并根據測量的V-I曲線，提出了整流型負載交流側發生串聯電弧故障情況下的等效的電容充放電模型。

1 實驗平臺搭建

參照 UL1699—2011標準搭建含整流器負載的串聯電弧實驗平臺如圖1所示。實驗平臺包括電弧發生裝置、工頻電源、100 kW柴油發電機組、單相整流器負載(含直流側濾波電容)、電阻器(50 Ω)、Tektronix MDO3054示波器、Fluke熱成像儀等。本實驗所選取的電弧發生裝置電極材料為一根碳棒和一根銅棒，其中銅棒進行削尖處理，通過調節棒棒間隙達成空氣擊穿產生電弧，進行模擬實驗，同時利用示波器采取電弧電流電壓的動態波形。

圖1 整流器負載串聯電弧實驗平臺

2 實驗結果分析

2.1 整流器直流側不帶電容濾波環節故障電弧信號分析

第一組實驗整流器直流側不加電容濾波環節，通過調節電弧發生裝置使得電弧穩定燃燒，利用示波器采集電弧電流電壓，同時用熱成像儀器記錄電弧從開始燃弧到穩定燃燒過程中溫度的變化。根據實驗過程中電弧燃燒產生的弧光明暗程度的變化和示波器采集的波形的穩定程度來判斷電弧是否進入穩定燃燒狀態。

這組實驗持續燃弧階段，電弧燃燒較為平穩，交流側故障電弧波形與常規線性負載相同，圖2為交流側電弧穩定燃燒時采集的電弧兩側電壓電流波形圖。

圖2 整流器(無濾波電容)交流側故障電弧波形

從圖2可以看出，故障電弧電流曲線與正常工作時標準正弦波相比，電流出現了提前過零現象，電流為0的狀態持續一段時間，這段時間的長短與電弧燃燒期間的弧隙間粒子的電離程度與滅弧介質對于電弧的冷卻強度有關。此段電弧出現了穩定燃弧現象，從圖中可以看出在每個電流周期內，電弧電流出現兩次過零現象，并且電流電弧從熄弧到重燃存在一定的時間而不是瞬間完成，也就是說電弧的過零現象存在一定的時間，這個現象稱為交流電弧的“零休”現象[1]，線路中負載的類型也影響了“零休”的時間的長短。

觀察電壓波形發現，電壓波形大致呈方波，當電流出現“零休”時，電壓輻值發生突變，此時，電流處于“零休”點，根據uM=RMiM可知，電弧的電阻率在此刻迅速上升，其值非常大，電弧熄滅。

對采集的電壓電流信號利用db6小波基進行小波去噪。圖3為一個工頻周波內實測的i-u曲線圖。箭頭給出了電流的變化方向，伏安特性根據此方向進行記錄。

圖3 一個工頻周波內故障電弧i-u曲線圖

從圖3中可以看出，隨著工頻交流電極性的改變，電弧電流在正負半波內發生改變， 伏安特性近似在一、三象限內變化且關于坐標原點對稱。其中第一象限內為交流電弧在正半波內伏安特性曲線，第三象限為負半波內的曲線。下面從能量平衡角度分析交流電弧的伏安特性曲線[1]。

(1)O′A段：線路中電流過零點之前，弧隙中粒子電離程度劇烈，電流過零之后，電弧熄滅，弧隙中存在一定的剩余電流，此時，弧隙中僅有剩余電流通過，電弧電阻值RM較高，根據弧隙電壓公式uM=RMiM，其值隨著電流升高而增加。

(2)AC段：弧隙的能量隨著電壓的升高而變大，使得弧隙中粒子的電離程度加劇，當弧隙電壓大于電弧重燃電壓時，弧隙被擊穿，電弧重燃，此時A點對應的為燃弧尖峰電壓uA。隨著系統電流增大，電弧輸入功率也增加。當電弧輸入功率PM大于電弧發散功率PS時，dWQ/dt=PM-PS>0,此時，電弧能量WQ增加，溫度升高，弧柱變粗，電弧電阻值RM降低，電壓隨著電流的增加而減小，在這一階段，電弧呈現負電阻特性。

(3)CB段：當電弧電流iM達到最大點C時逐漸減小，從而電弧輸入功率PM減小，弧隙中粒子的電離作用變弱，電弧電阻值RM增高。根據uM=RMiM，CB段電流iM減小，uM卻增加，所以RM也增加且增加的速率大于電流iM減小的速率。由導數的定義，i-u曲線的斜率為電阻，所以，電弧燃弧電流達到極大值點后降低階段(CB段)對應的電弧電阻值小于電流未達到C點上升階段(AC)時對應的電弧電阻值。

(4)BO段：隨著線路中電流的不斷減小，弧隙中粒子的電離程度不斷減弱，讓減小到某一程度時，電弧不能維持燃燒而熄滅。此后弧隙中有剩余電流存在，弧隙電阻較大，弧隙電壓隨著電流的減小和電阻的增大而快速降低，直到0。

當電流處于負半周時，和正半周類似。

在持續燃弧階段，利用熱成像儀采集實驗過程中的溫度變化。根據采集的熱成像儀圖像可以得出：實驗的環境溫度為22℃，電弧開始燃弧的溫度為322 K，持續燃弧約1 min，溫度上升至371 K，持續燃弧2 min，溫度上升至413 K，持續燃弧3 min，溫度上升至469 K。由此可見，線路發生電弧故障時溫度并不是開始時刻就很高，而是一個持續積累的過程，持續燃弧3 min，溫度上升約300 K，因此，線路中電弧的存在尤其是電弧出現持續燃弧現象時，線路火災危險會大大加劇，需對電弧故障進行及時檢測與排查。

2.2 整流器直流側不帶電容濾波環節故障電弧信號分析

實驗第二組整流器直流側加入濾波電容，其數值為3 300 μF。實驗開始前，對銅棒進行重新打磨削尖處理，利于擊穿放電，然后開始進行實驗。實驗時移動搖桿將銅棒靠近碳棒，當棒-棒距離較近時，改為非常緩慢的速度移動搖桿，發生電弧的瞬間出現非常強烈的爆炸聲與發光現象，很短時間內電弧熄滅。此時采集的交流側與直流側電流的圖形如圖4所示。

圖4 故障電弧交、直流側電流波形

如圖4所示，分析這一階段的物理過程：A時刻電弧開始劇烈燃燒，發出強烈的聲響與光，產生大量的熱，導致銅觸頭融化，同時棒棒間隙變大，低于間隙空氣的擊穿電壓， B時刻電弧熄滅，之后，交流側系統斷開，直流側電容通過電阻R放電，最終電流變為0。從A時刻到B時刻為系統對電容充電過程，這一過程時間非常快，約1/10個工頻周波，而電流波形類似于方波，由于系統所用的電源為工頻市電，能夠提供的瞬間功率大，因此充電電流非常大，導致測量的電流輻值超過采集所用電流鉗的量程，出現電流的“削頂”現象，為證實這一猜想，將工頻市電改為柴油發電機組進行實驗，由于柴油發電機組提供瞬間充電電流有限，能夠采集這一過程中電流的變化情況。

以柴油發電機組為主電源重復上述實驗，圖5為采集的整流器交流側與直流側的故障電流波形。從該波形可以證實上文的猜想，充電時間長度與電源能夠提供的瞬間電容充電最大功率有關。

圖5 整流器交直、流側故障電流波形

這段時間內，電容充滿電吸收的總能量為：

(1)

式中Q為電容吸收的能量，C為電容參數，U為整流器直流側電壓最終穩定值。而在極短時間內電源放出的能量可以看做電容充電吸收的能量：

(2)

圖6 系統等效電路圖

式中，V為電源電壓，t為充電時間，令兩式相等，可以得到電容充電時間t為3.2 ms，這與t1-t2實測的時間數值基本一致。由此可見，此段時間內相當于電源對電容的瞬間充電過程，充電電流很大，超過正常工作時電流的3～4倍，若為工頻市電，瞬間充電電流更大。分析數據可知，整流器直流側電流與交流側電流值相等，因此，此時電弧模型可等效為系統對電容的充電模型，且該電容值與直流側穩壓電容相等，該階段的等效電路圖如圖6所示。

設電源電壓為u=Umsin(ωt)，那么發生電弧故障時等效電路的系統全狀態響應：

(3)

式中，τ=RC為時間常數，進而根據基爾霍夫電壓定律可得電流的全狀態響應為：

(4)仿真結果與實測的電流波形基本一致。電容值越高電流峰值越大，充電時間也越長，這與實測結果一致。因此，當整流器直流側有濾波電容存在時，如果交流側發生串聯電弧故障，則系統可等效為電源對電容的充電模型，瞬間大電流是電源對電容充電的結果。

3 結論

(1)根據相關標準搭建了故障電弧實驗平臺，并對采集的信號進行分析，為后續電弧故障診斷提供基礎。

(2)整流器直流側無電容濾波環節時，交流側故障電弧波形與常規線性負載類似，故障電流波形出現“零休”現象，其有效值小于正常工作時電流有效值。開始燃弧時，溫度較低，在持續燃弧過程中，溫度不斷上升，因此需要及時進行檢測并排除故障，否則可能因為溫度過高而引起火災。

(3)整流器直流側有電容濾波環節時，電容充電瞬間會產生大電流，因此交流側故障電流非常大，導致電弧的劇烈燃燒，產生瞬間高溫，此時的電弧模型可等效為電容的充電模型，并合理地解釋了電弧劇烈燃燒的原因，為后續故障電弧檢測算法提供依據。

[1] 孫鵬，馬少華．電器學[M]．北京：科學出版社，2012.

[2] KAWADY T A, TAALAB A M I, EL-GEZIRY M. Impact of load variations on arcing fault detection in LV distribution networks[C].10th IET International Conference on Developments in Power System Protection (DPSP), Manchester, UK, 2010: 37-42.

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[6] 向川，Yan Jiudun,董華軍，等.燃弧參數對小間隙真空電弧特性的影響[J]. 高電壓技術，2013,39(12)：3095-3099.

Experimental study on the effect of rectifier DC filter capacitor on AC arc

Chen Kai, Wang Jinquan, Yan Jun, Kang Mengjie

(PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007, China)

In this paper, based on the relevant standards, a serial fault arc experimental platform is set up. The DC side of the rectifier with voltage regulators were tested and the collected signals are processed by wavelet denoising. Experimental results show that the rectifier load-fail arc waveform with no filter capacitor is similar to a linear load, while the temperature during the continuous arcing is constantly accumulating and the volt-ampere characteristic curve of the arc during continuous arcing is analyzed from the energy balance point of view. When a filter capacitor is present, capacitance instantaneous charge current is very large, arcing phenomenon arises and the arc model at this stage are proved to be equivalent to the capacitor charging model. The results can be applied to the equivalent arc circuit modeling and transient response analysis of rectifier load system.

rectifier type load; series arc; filter capacitor; volt-ampere characteristics

TM501

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.16.028

陳凱，王金全，嚴鋆，等.整流器直流濾波電容對交流電弧影響實驗研究[J].微型機與應用，2017,36(16)：99-101，105.

2017-01-30)

陳凱(1992-),男，碩士，主要研究方向：小電流接地系統保護。

王金全(1964-),男，博士，博士生導師，主要研究方向：新能源發電與智能微電網。

嚴鋆(1985-),男，博士，主要研究方向：新能源發電與智能微電網。