交直流串聯故障電弧實驗平臺開發

汪 倩，陳思磊，孟 羽，伍李陽，李興文

（1.西安理工大學理學院，西安 710054；2.西安理工大學電氣工程學院，西安 710048；3.西安交通大學電力設備電氣絕緣國家重點實驗室，西安 710049）

0 引言

隨著我國低壓配用電行業技術的發展進步，系統規模與電壓電流等級逐漸增大，線纜結構日趨復雜，潛在的線路安全風險也隨之增加。據應急管理部消防救援局統計，2012 至2021 年間全國電氣火災共發生56.5 萬起［1］，由于動物撕咬、線路連接松動等原因導致的故障電弧成了引發火災的重要原因之一。按照發生位置，故障電弧可主要分為串聯型與并聯型［2］。并聯型電弧在發生后回路電流幅值快速上升，容易被系統過流保護功能檢測，而串聯型電弧則會使回路電流幅值下降，傳統系統保護技術難以及時有效檢測，潛在危害更大，是目前電弧檢測的重要研究難題。

為了規范交流故障電弧檢測要求，國內外均提出了相應的規范要求［3-4］。國家于2014 年頒布了GB／T 31143《電弧故障保護電器的一般要求》標準，面向額定電壓不超過240 V，額定電流不超過63A 的電弧保護裝置，提出了系統測試標準流程，針對不同電流等級制定了交流故障電弧有效檢測時間范圍［5］。

伴隨光伏發電、儲能系統、電動汽車等直流源荷的推廣應用，直流配用電形式逐漸與傳統的交流形式融合，一同構建形成新型電力系統。大量電力電子設備的接入使得系統內的開關噪聲嚴重干擾了電弧的及時精準檢測，研究直流電弧的檢測特性變得尤為迫切。美國保險商實驗室提出了UL 1699B 標準，規范了直流故障電弧檢測設備的試驗流程，要求檢測時間不得超過2.5 s［6］。

已有的交直流故障電弧檢測主要關注電弧的弧光弧聲［7］、電磁輻射［8］、電流電壓［9］等信號，通過短時傅里葉變換［10］、小波變換［11］等信號分析方法提取電弧有效檢測特征，并利用機器學習的方式構建形成檢測算法［12］。大多數檢測方法尚停留在理論分析層面，在檢測范圍、檢測精度、實現成本等方面仍存在諸多不足，因此仍需要獲取更豐富的電弧實驗數據以優化驗證檢測算法。

基于此，本文搭建涵蓋多場景的交直流串聯故障電弧實驗平臺，設計多類別交直流故障電弧實驗方案，智能、高效實現低壓配用電場景不同源荷組合下交直流電弧模擬與信號采集，為分析電弧檢測特性實驗提供了必備實驗基礎。

1 交直流串聯故障電弧實驗平臺

交直流故障電弧采用不同的生弧方式模擬電弧發生，因此實驗平臺主要由以碳化電纜為主的交流實驗系統與以電極拉弧裝置為主的直流實驗系統構成，通過開關的切換開展不同故障電弧實驗。

1.1 整體故障電弧實驗平臺

圖1 所示為交直流串聯故障電弧實驗平臺，通過改變各個開關狀態，可實現不同場景的電弧實驗。實驗平臺整體采用三相交流供電方式，交流實驗回路以220 V 交流電壓為主，配合各類家用負載模擬住建場景的電弧發生；直流實驗回路利用電壓范圍0～500 V，最大功率18 kW的直流電源進行整流供電，配合電阻箱、長線纜模擬直流場景下不同距離的電弧發生。

圖1 交直流串聯故障電弧實驗平臺示意圖

考慮到家用負載工作特性受不同廠家、不同規格等因素影響，交流故障電弧實驗回路在標準GB／T 31143 的基礎上進一步豐富了負載類型與負載規格。實驗回路不僅包含了吸塵器、空壓機、開關電源、白熾燈、鹵素燈、熒光燈、電鉆、電阻箱等8 類標準規定的典型家用負載，還增添了電飯煲、電磁爐、計算機、空調、熱水器等各類常見家用負載，涵蓋了基于電熱、電光、電動、電磁等各類工作原理的55 類負載。同時也補充了不同生產廠家、不同參數規格的同類負載，進而可提供較為完備的交流電弧數據支撐。圖2 所示為實驗平臺涉及的部分交流負載。

圖2 交流故障電弧實驗平臺部分實驗負載

直流家用負載普及度較低，仍處于設計研發階段［13］，因此直流故障電弧實驗回路主要以電阻箱作為測試負載，同時考慮增補各類逆變器、變換器等電力電子設備以豐富直流場景類型。電力電子裝置的開關噪聲與長線纜引入的線路阻抗均會對電弧特性產生弱化干擾［14］，研究弱化的電弧特性有利于提升檢測特征質量與檢測算法精度。

1.2 交流電弧實驗系統

根據標準GB／T31143，交流電弧主要通過圖3 所示的碳化電纜產生，電纜由2根原本絕緣、橫截面積為1.5 mm2的線纜構成。為了達到產生電弧的條件，在垂直于電纜方向做出切口，并置于實驗回路中，導通圖1中的開關S7，斷開其他開關，利用碳化設備在電纜處施加高壓形成碳化導電路徑；斷開開關S7 并利用其他開關開展交流電弧實驗。

圖3 碳化電纜實物圖

碳化設備一般采用可提供開路電壓7 kV、短路電流30 mA的電源，持續工作10 s以形成充分碳化的導通路徑，并配備相應的排氣設備及時除去碳化過程產生的煙霧。碳化好的導通路徑極其脆弱，易在外力作用下失效，實驗系統設計了多個開關位置，實現在不移動碳化電纜的情況下安全切換碳化回路與實驗回路的目的。

為了增大覆蓋范圍、提升利用效率，電弧檢測與保護裝置主要安裝在主線側，而電弧不同的發生位置會對主線側測量得到的電弧檢測特性產生干擾。基于此，實驗系統根據標準GB／T 31143 設計了圖4 所示的4 類系統回路配置。故障電弧分別發生在總線與不同支路，以此可與單支路實驗對比，進而研究不同電弧位置對電弧檢測的影響。依托此實驗回路，亦可將多類家用負載同時接入電路，研究多支路條件下的電弧檢測特性。

1.3 直流電弧實驗系統

直流電弧主要通過圖5 所示的故障電弧發生裝置（Arc Fault Generator，AFG）產生。其主要由2 根直徑為φ6.35 mm的棒狀電極組成，初始2 根電極緊密接觸，隨后移動電極按照設置的速度移動固定距離以模擬實際場景的連接松動，進而產生電弧。不同電極材料的電弧特性存在差異［15］，因此AFG 將電極與低阻金屬基座共同接入實驗回路，便于不同材料的電極更換接入。實驗系統制備了了紫銅、黃銅、純鋁、不銹鋼、石墨、球墨鑄鐵等6 類電氣領域常見材料的電極，每類材料均包含了圓錐面、圓柱面等不同形狀的電極以供實驗。

圖5 AFG實物圖

實驗中，電弧間隙過大、拉弧速度過快均易導致電弧難以有效維持，間隙過小、拉弧速度過慢則可能會導致兩電極被燒蝕后重新固化的電極顆粒粘連而“焊”在一起。因此，電弧的間隙與拉弧速度需要與電弧電壓與電弧電流等級匹配才能獲得最佳的生弧效果。

此外，實驗系統利用PLC 控制模塊驅動步進電動機工作，基于LabVIEW 軟件編寫相關程序，實現了電極自動化精準移動。圖6 所示為設計的AFG 操作界面，可設置電弧測試速度與測試距離實現不同的電弧發生條件。AFG內部裝有測試LED燈，若兩電極接觸良好，LED則會發光提示，基于此實現了AFG 電極的自動接觸，減少了人為操作引起的誤差。

圖6 AFG操作界面

2 實驗結果與分析

實驗平臺采用各類電流、電壓傳感器獲取電弧的電氣信號，并傳遞至示波器Tektronix DPO4045 以1 MHz的采樣率記錄存儲電弧數據。示波器通過設置電弧電壓出現作為觸發條件，自動記錄電弧發生前后的數據。

2.1 交流電弧實驗

通過改變家用負載類型，獲得了圖7 所示的各類負載故障電弧波形。不同負載在正常運行時便具有不同的電流形態，尤其是吸塵器、開關電源等負載，其工作電流波形在同一周期內的各自半個周期并不對稱。在電弧發生后，電流形態亦會發生變化，最明顯的差異體現在電流過零點階段的平肩現象，這源于電弧在電流過零前后的熄弧與重燃過程。然而，這一差異并不能作為檢測交流電弧的依據，家用空壓機等部分負載正常運行時的電流也存在類似的平肩現象，如圖8 所示。因此，交流電弧的精準檢測仍需從電弧實驗數據中深入挖掘有效的時頻信息。

圖7 不同家用負載的交流故障電弧電流

為了研究電弧不同的發生位置，以吸塵器負載為例，分別按照圖4 的4 類配置方案進行實驗，故障電弧電流波形如圖9 所示。

圖9 不同系統配置的吸塵器交流故障電弧電流

對于配置A與C，電弧發生在家用負載側，電弧發生后電流形態會出現較大的變化，容易與正常狀態進行區分；而對于配置B與D，電弧發生在電阻箱支路與總線上，總線側采集的電弧電流包含了相對完整的家用負載工作特性，因此故障電弧時期的電流形態與正常運行時期的電流形態差異較小，故障電弧精準檢測難度更大。

2.2 直流電弧實驗

將直流電源電壓設置為318 V、電流設置為8A，并設置電弧間隙為0.8 mm、拉弧速度為2.5 mm／s，通過更換不同材料的電極，獲得了圖10 所示的直流電弧波形。

圖10 不同電極材料的直流故障電弧電流

在直流串聯電弧發生后，電弧電流幅值均出現了下降，尤其在電極移動階段，電流幅值隨著電弧間隙的增大而持續下降，電弧間隙固定后電流幅值均值才保持穩定。但不同電極材料的電弧波形存在明顯差異，純鋁電極的電弧電流波動幅度較小，石墨電極的電弧電流波動幅度較大。由此可見，電極材料差異會影響電弧的電流形態，進而影響電弧檢測特性。

2.3 電弧圖像分析

研究電弧形態有助于理解放電過程中電弧的變化，以便構建更貼合的電弧仿真模型。圖11 為高速相機拍攝燃弧過程的其中一幀電弧圖像［16］，電極選用紫銅材料。

圖11 高速相機拍攝的電弧形態

在生弧開始時，固定電極上的弧根幾乎位于其中心區域；隨著生弧間隙的增大，電弧根部和藍綠色等離子體弧區在2 個電極上上升，并停留在2 個電極的尖銳區域。在外界對流和自身高熱的影響下，穩定的電弧弧柱形成拱形，明亮的電弧被電極氣化形成的銅金屬蒸汽所包圍，形成的銅金屬蒸汽也會對電極間的電弧燃燒形態產生影響。電弧形態隨著時間推移不斷變化，其相關參數可能與電弧特性存在關聯。

3 結論

本文依據相關故障電弧測試標準，設計并搭建了交直流串聯故障電弧實驗平臺，開展了各類場景不同源荷的電弧實驗。研究結果表明，輸出結果準確可靠，人機交互界面簡單高效，實驗操作安全穩定，數據采集存儲快速便捷，可為電弧檢測特性的研究提供重要實驗數據支撐，具有良好的應用前景。