摘要：低压故障电弧有引发火灾的危险，所以检测故障电弧是必要的。随着电力电子技术在低压领域的广泛应用，一些电器正常工作时的电压电流特性与故障电弧的典型特性相似，给检测工作带来了难度。研究调光灯及开关电源的工作原理可以发现，通过分析回路中电压电流在某些频率点的相位信息，可以有效判别是否发生了故障电弧。
关键词：电弧；电弧检测；故障
引言
电弧故障断路器（arcfaultcircuitinterrupters，基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助（2016XD002）。ProjectSupportedbyChineseUniversitiesScientificFundProjects（2016XD002）.AFCI），又称电弧故障保护电器（arcfaultdetectiondevice，AFDD），是一项新型电路保护技术。AFCI装置的电弧故障检测识别技术，弥补了过流、过载断路器和短路保护装置在低压电弧故障保护方面的不足，是低压交流配电网安全防护系统的重要环节，同时也是未来直流微电网、智能楼宇、航天电气系统和混合动力汽车及其电气负载中直流电弧故障防护的有效手段，保障系统安全，避免电气火灾，引起了广泛关注。近年来，国际上制定了一系列关于AFCI技术行业标准。美国在标准UL1699中规范了家电领域中AFCI技术的应用，在美国全国电气条例（NEC）中针对电弧故障防护装置的安装，明确了多项强制性措施。国际电工委员会（IEC）于2013年7月形成一份国际标准IEC62606：2013《电弧故障检测电器（AFDD）的一般要求》。2014年，国家正式发布了国家标准GB/T31143—2014《电弧故障保护电器（AFDD）的一般要求》。当前，国家新一轮农网改造升级工程已启动，对低压配电网的电气安全提出了更高的要求，低压电弧故障防护技术得到不断重视与发展。同时，随着能源互联网及其框架下微电网、智能电网的迅速发展，直流及交/直流故障电弧检测技术成为了研究重点。AFCI装置作为当前低压电器研发的重要方向，具有广阔发展前景。
1低压故障电弧的基本特征
1.1串联故障电弧
当供配电系统中的线路出现断线或连接松弛现象时，会发生串联故障电弧，串联故障电弧典型信号波形如图2所示[1]。在故障过程中，电弧电流的产生是不规则的，通常混杂于正常电流中，具有高频噪声，且上升速率较快。在正常电流的过零点时刻存在电弧零区，波形上表现为肩部平坦[9]。“零休”时刻的电弧电压存在尖峰脉冲，整体波形近似表现为矩形波。串联电弧电流幅值受线路参数影响，通常在5-30A范围内波动。电流信号虽然存在突变特征量，但其有效值仍低于过电流保护装置的整定值，因而无法切断隔离故障线路。
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1.2低压电弧故障一般特征
电弧故障的识别要以住宅和供配电线路中低压故障电弧的一般特征作为出发点。综合所述2类故障电弧特性，总结故障电弧的一般特征为[12]：1）故障电弧信号中含有高频噪声分量。2）电弧电流上升速度快于非电弧电流。3）电弧故障发生后存在瞬时电压降。4）线路和设备中的故障电弧电流通常小于正常额定电流。5）在每个过零点时刻产生电流零区，使电弧电流存在“平肩部”。6）在电流“平肩部”，电弧电压信号存在尖峰脉冲，其变化率极值出现在区域内的电流过零点时刻。其波形可看作矩形波。7）线路和设备正常工作过程中存在间歇、随机且不规则的电弧现象。AFCI技术通常利用信号特征量对故障电弧进行识别，而部分开关电源、设备负载在正常运行过程中的会产生近似于电弧信号的负载波形，二者在“平肩部”等物理特性上的表征并不明显，不足以准确区分故障电弧，这就对AFCI装置的识别造成干扰，导致误动作，也对多维度特征量的检测和高精度识别算法提出了更高的要求。
2低压电弧故障检测识别技术研究
2.1运用相位信息辅助检测低压故障电弧的原理思想
通过以上结论可以看出，合理分析回路电流的相位信息可以有效区分正常工作的电器电流和故障电弧电流。在实际应用中可以采用如下的检测步骤：（1）鉴于发生电弧故障时回路电流波形会发生跳变，所以检测时首先要判断这一点。具体实现可以采用多种方法，例如：检测是否产生了超过门限的高频噪声；或者相邻电压工频周期的回路电流峰值是否发生了超过门限的变化；亦或是相邻电压工频周期的回路电流相位值是否发生了超过门限的变化。（2）由于当电器上电的一瞬间也会产生（1）的情况，所以需要进一步排除上电带来的影响。由于上电动作引起的暂态过程正常情况下不会持续几个工频周期，可以采取适当延时的方法加以排除。（3）完成（1）、（2）的步骤后就可以采用上文提到的相位判别法判断是否发生了故障电弧。考虑到处理的实时性以及成本问题，只能选择一些具有代表性的频率点信息加以计算处理，如工频频率、工频频率的二次频和三次频等。对于固定的点频，如果发现相位的变化规律具有不变或单调的特性，就可以排除发生了电弧故障。如果相位的变化规律不具有恒定或单调的特性，就可以认为发生了电弧故障。
2.2基于时频特性的故障电弧检测技术
当电弧故障发生时，线路中的电信号波形均会产生较为明显的畸变，这是由电弧的固有特性和特征量决定的。因此，可以基于故障电弧信号的时域、频域特性对其进行识别。这一类检测方法已成为电弧故障检测的研究重点。目前，已经开发设计了多种利用故障电弧信号时域、频域和时频域特性的AFCI检测技术。1）时域特性分析是通过检测电弧电流有效值、半波不对称和其他随机特征来判定电弧故障，其随机特征包括电流变化率增大、电压波形斜率突变和存在电流零区等。但由于电力系统中存在诸多近似于故障电弧的信号波形，仅通过时域特性识别故障电弧的误判率较高。2）频域特性分析是通过分析故障电弧信号的各次谐波含量和相角、总谐波失真率、间谐波含量进行检测和识别。针对故障电弧造成电流信号的周期性畸变，利用快速傅里叶变换等方法对信号进行谐波分析，根据谐波因数及其变化率作为判定依据。考虑故障时刻各次谐波比例的变化来对故障电弧进行判断的识别精度较高，但傅里叶变换后的信号是纯频率信号，无法对时间尺度进行分辨，对系统的线性度以及波形的稳定性也都有要求，而电弧故障波形却存在非线性和随机性的特点，导致分析存在误差，弱化算法识别效果。3）时频域特性分析方法是利用小波变换等处理突变信号，将电弧信号中短路电流的周期性畸变视为奇异性点，提取故障电弧暂态特征量，识别和检测电弧故障[33]。文献[34]对db4，sym5，bior3.1以及coif4这4种母波进行比较，选择db4作为母波，提取其高频分量，从而实现对线路和设备中电弧信号突变幅值和时刻的检测。文献[35]选取具有双正交性、紧支撑性特征的正交二次样条小波作为母波，同样得到了较好的效果。通过对局部信号的深入处理，将会进一步提高AFCI装置的检测性能。
结语
综上所述，能够完全表明低压供配电线路发生故障的因素十分多样，针对其实施检测的方式也十分多样。在采用完全不同的检测方式针对不同的现象进行检测时其所能够起到的效果是大致相同的。在进行低压供配电线路故障电弧检测时，需针对故障问题进行适当的分类处理，依据故障所发生的类型采取针对性的处理措施。最终希望借助于本文的分析探讨能够为相关的从业人员提供一些参考、借鉴。
参考文献：
[1]李美轩.低压供配电线路故障电弧检测方法[J].电工技术：理论与实践，2015（11）：160.
[2]徐秦乐，张金艺，徐德政，等．高精度故障电弧检测多传感器数据融合算法[J]．上海大学学报，2014，20（2）：1-9．
[3]余琼芳．基于小波分析及数据融合的电气火灾预报系统及应用研究[D]．秦皇岛：燕山大学，2013．
论文作者:卢秀清
论文发表刊物:《电力设备》2020年第2期
论文发表时间:2020/4/30