根据故障电流形成原因及其流通路径不同, 电弧故障类型^[13]可分为串联型、线对线型(并联型)和线对地型3种, 如图1所示。

图1

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	图1 电弧故障类型

电弧是穿过绝缘介质的电气辉光放电现象, 通常伴随着电极的局部挥发, 两电极间为拥有5 000~15 000 ℃温度的等离子体^[14]。从气体放电的物理过程分析, 电弧属于自持放电的一种形式, 是放电的最终形态。电弧电流密度非常大, 每平方厘米电流可达几百至几万安, 而其电压却相对较低, 通常在10~100 V, 并且整个电弧放电过程会发出强烈的光和热。

低压供电系统的电弧可分为两大类。一类为开关电器正常操作、电源插头插拔等引起的电弧, 称为“ 好弧” ^[15], 此类电弧的显著特征是持续时间很短, 不会影响设备和线路的正常工作, 也不会引起火灾; 另一类电弧则是本文重点讨论的故障电弧, 其持续时间相对较长, 如果电弧周围存在可燃物质, 则极易引发火灾事故。因此, 优秀的电弧故障检测方法首先应能很好地区分“ 好弧” 与故障电弧, 尽量避免保护误动作。文献[16]提出了一种简便易行的鉴别“ 好弧” 与故障电弧的方法。该方法利用开关操作与负载启动暂态过程持续时间相对较短的特征, 通过设置合适的电弧半波检测阈值, 只有一段时间内(如0.1 s)有效电弧半波累计值超过设定阈值才认为发生了电弧故障, 从而有效减少正常操作电弧及负载启动过程对电弧故障检测的影响。同时, 不同电流等级下电弧故障保护电器(AFDD)的最大分断时间还应满足相关标准要求^{[17, 18]}。

从电弧故障形成机理分析, 串联电弧故障可归纳为点接触式和碳化路径式两种典型形式。实际生活中导线受外力作用被拉断、接线端子连接处断裂、插排或插头接触不良等容易造成点接触式串联电弧故障; 电气线路绝缘材料(如包裹在导线接头的绝缘胶带)老化后则易在其表面形成碳化通道, 从而产生碳化路径形式的串联电弧故障。如果碳化路径形成于中性线、相线之间, 则会产生并联电弧故障。此外, 并联电弧故障还包括金属性短路模式, 如导线意外被尖物刺穿或被锋利的金属片斩断等。并联电弧故障会造成电源间歇性电弧短路, 其电流有效值相对较大, 可达75~500 A。故障电弧电流范围如图2所示。

图2

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	图2 故障电弧电流范围

电弧故障检测技术研究的关键之一是如何确定电弧故障区别于背景噪声的特征。针对该问题, 国内外学者主要研究了电弧电压电流波形在时域、频域及时-频域内的变化特征^{[19, 20, 21, 22, 23, 24]}。从应用角度分析, 由于电弧故障发生位置无法预知, 所以电弧电压很难测量。而电弧电流则不受电弧发生位置的限制, 研究中大多采用电弧电流提取故障特征。电弧电流的时域特征包括电弧电流半波不对称、有效值以及电流变化率的变化等; 频域特征包括电弧电流频谱各次谐波含量、相角、总谐波失真率及间谐波含量等; 时-频域特征则主要为电弧电流经小波分解后表现出的各种特征。

随着电弧电流自然过零, 电弧将会熄灭, 而当电弧恢复电压超过弧隙介质强度时, 电弧又会重燃, 因此电弧电压电流在时域内按半个交流周期为单位呈现随机变化特性。文献[16]分析了典型线性与非线性负载条件下电弧电流波形时域特征, 采用电弧电流变化率di_arc/dt与其有效值I_arc的比值作为电弧电流时域特征量进行电弧故障识别, 能够有效避免非线性负载正常工作电流的影响。文献[23]通过对单一负载、组合负载以及负载启动等情况下正常工作电流与电弧电流的对比分析, 利用相邻周期电流差值作为电弧故障时域特征量进行电弧故障检测。文献[24]分析了电阻类、电机类和电子类等不同负载下电弧电流特性, 采用短时过零率方法提取了电弧故障时域特征。

相比于电弧故障的时域特征, 其频域特征更为明显。其频谱分布接近于粉红噪声, 呈现宽带噪声特性。电弧电流频谱^[16]如图3所示。电弧电流主要分布在1~100 kHz频段, 阻性负载比计算机负载的高频特征更显著, 是因为电力电子变换器高频共模电流的影响, 正常工作电流存在电弧电流特征类似的谐波分量。为避免干扰的影响, 应选取电流频谱中合适的频段进行电弧故障识别^[16]。实际应用中, 单纯依靠电弧故障电流的时域或频域特征往往不能达到准确检测电弧故障的目的, 需要联合运用多个特征量进行综合处理。

图3

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	图3 电弧电流频谱

20世纪90年代初, 随着美国消费产品安全委员会(Consumer Product Safety Commission, CPSC)开展家庭电气火灾原因的深入调查, 学术界和工业界逐渐开始重视电弧故障检测技术的研究与应用。在CPSC资助下, 美国保险商实验室(Underwriters Laboratories Inc., UL)在其1995年发表的研究报告中指出, 结合电弧故障保护与接地故障保护的新型断路器技术最有希望解决电气线路火灾监控问题, 而那时电弧故障断路器(Arc Fault Circuit Interrupter, AFCI)产品还未问世。随着研究的深入, 1999年美国UL与美国电气制造商协会共同颁布了第一版UL 1699 AFCI安全标准(UL Standard for Safety for Arc-Fault Circuit-Interrupters)。该标准全面规定了AFCI产品分类、电弧故障检测试验、误脱扣试验以及操作屏蔽测试等。同年, 美国消防协会颁布了关于安装使用AFCI的美国国家电气规程NEC 210-12, 规定家庭卧室内所有15 A及20 A插座支路都必须具备电弧故障保护功能, 并于2002年开始生效^{[17, 18, 25]}。至今, 该规范已经历了数次修订, AFCI的推荐安装范围不断扩大, 几乎覆盖整个家庭用电线路。美国电气火灾比例相对较低, NEC 210-12规范起到了重要的作用。美国州消防署署长全国协会专家认为AFCI产品可以防止75%的电气火灾。

这些标准的实施, 极大推动了电弧故障检测技术与保护装置的发展。国际电工委员会(International Eletrotechnical Commission, IEC)于2007年开始AFCI 标准的前期研究, 并于2013年7月颁布IEC 62606:2013《电弧故障检测设备的一般要求》^[26]。该标准中规定的AFDD 属于支路型AFDD。我国的电弧故障保护技术研究虽然起步较晚, 但也逐渐引起了相关部门的重视。全国低压电器标准化委员会(SAC/TC189)与IEC同步推出了GB/T 31143— 2014《电弧故障保护电器(AFDD)的一般要求》^[27]。此外, 公安部沈阳消防研究所也牵头制定了GB 14287.4— 2014《电气火灾监控系统(第四部分:故障电弧探测器)》^[28]。该标准规定了电气火灾监控系统中应用的电弧故障检测装置的基本要求, 采用“ 只报警不脱扣” 的预警式保护模式。

在电弧故障检测技术方面, 国内外学者开展了大量研究工作, 包括基于电弧数学模型的电弧故障检测方法^{[19, 20, 21, 22]}、基于电弧电压电流的电弧故障检测方法^{[23, 24, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40]}以及基于电弧光、热、电磁辐射等的电弧故障检测方法^{[41, 42, 43, 44]}。

电弧模型是电弧故障特征分析与识别方法研究的重要手段。在开关电器电弧模型研究方面, 已取得不少成果, 如描述电弧宏观外特性的Cassie模型和Mayr模型, 以及描述电弧内部物理特性的磁流体动力学模型等。近年来, 许多学者将开关电器的电弧模型引入电弧故障研究领域。文献[20]建立了基于Cassie模型的低压串联电弧故障仿真模型, 用于单一负载和混合负载下电弧故障检测方法研究。文献[21]提出一种简化的Schavemaker电弧模型, 通过与Mayr仿真模型的比较分析, 简化的Schavemaker模型具有更明显的电弧电流零休特性, 并能更好地仿真电弧电流的变化率及奇次谐波幅值变化。文献[22]计及电弧开始阶段的电晕放电影响, 提出一种改进的Mayr串联故障电弧模型。文献[40]结合对不同发展阶段电弧图像的分析, 利用二极管的非线性特性提出了一种电弧等效电路模型, 实现了电弧全过程电压电流特征的拟合。

由1.2节分析可知, 当发生电弧故障时, 电弧电压电流波形会发生畸变, 并有高频信号产生。利用电弧电压电流波形特征进行电弧故障检测, 是目前最常用的电弧故障识别方法。文献[34]提出了一种采用负载端电压相邻周期信号差值的串联电弧检测方法。文献[37]利用小波变换和形态滤波方法从负载端电压信号中提取故障电弧特征, 进行电弧故障检测。相对而言, 故障电弧电流采集和处理更为方便, 很多学者根据电弧电流信号在时域、频域及时频域的不同表征提取电弧特征量^{[23, 24, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40]}。文献[16]利用电弧电流变化率与其有效值的比值以及6~12 kHz高频电流信号进行电弧故障识别, 提出一种实用化交流电弧故障快速检测算法。文献[24]分析不同负载条件下电弧电流处于“ 零休” 期间时电流高频分量的变化规律, 并将其作为诊断判据实现电弧故障的准确辨识。文献[31]采用小波变换的方法分析常见家用电器正常工作及电弧故障下电流信号的高频特征, 并以其为特征量诊断电弧故障。文献[37]采用小波包变换及信息熵研究电弧电流特征, 选取8~10.8 kHz作为稳定和不稳定电弧故障的特征频段, 并用短时傅里叶变换进行了验证。

近年来国内外学者探索将电弧故障辐射的高频电磁信号用于电弧故障检测^{[41, 42, 43, 44]}。文献[41]发现电弧产生阶段电弧能量不稳定, 辐射的电磁信号主要集中在千赫频段, 且幅值小; 当电弧进入稳定发展阶段后, 弧道能量变大, 电弧电磁辐射主要集中在兆赫范围。美国电力科学研究院Phipps等人在市区街道的检修井中进行了试验, 利用市网电压产生电弧故障, 在距其约90 m处成功测得了故障电弧发出的电磁辐射信号, 从而进一步验证了电磁辐射信号用于交流电弧故障检测的可行性。故障电弧电磁辐射测试示意图如图4所示。文献[42]分析不同负载下故障电弧电磁辐射信号特征, 并以信号模极大值为故障特征量进行故障电弧识别。文献[43]则通过电容耦合方式间接获取电弧故障产生的电磁辐射信号, 并根据信号电平脉冲宽度的特性进行电弧故障检测。

图4

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	图4 故障电弧电磁辐射测试示意图