交直流串聯(lián)故障電弧實(shí)驗(yàn)平臺開發(fā)

汪 倩，陳思磊，孟 羽，伍李陽，李興文

（1.西安理工大學(xué)理學(xué)院，西安 710054；2.西安理工大學(xué)電氣工程學(xué)院，西安 710048；3.西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710049）

0 引言

隨著我國低壓配用電行業(yè)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，系統(tǒng)規(guī)模與電壓電流等級逐漸增大，線纜結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，潛在的線路安全風(fēng)險也隨之增加。據(jù)應(yīng)急管理部消防救援局統(tǒng)計(jì)，2012 至2021 年間全國電氣火災(zāi)共發(fā)生56.5 萬起［1］，由于動物撕咬、線路連接松動等原因?qū)е碌墓收想娀〕闪艘l(fā)火災(zāi)的重要原因之一。按照發(fā)生位置，故障電弧可主要分為串聯(lián)型與并聯(lián)型［2］。并聯(lián)型電弧在發(fā)生后回路電流幅值快速上升，容易被系統(tǒng)過流保護(hù)功能檢測，而串聯(lián)型電弧則會使回路電流幅值下降，傳統(tǒng)系統(tǒng)保護(hù)技術(shù)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(guī)范交流故障電弧檢測要求，國內(nèi)外均提出了相應(yīng)的規(guī)范要求［3-4］。國家于2014 年頒布了GB／T 31143《電弧故障保護(hù)電器的一般要求》標(biāo)準(zhǔn)，面向額定電壓不超過240 V，額定電流不超過63A 的電弧保護(hù)裝置，提出了系統(tǒng)測試標(biāo)準(zhǔn)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(fā)電、儲能系統(tǒng)、電動汽車等直流源荷的推廣應(yīng)用，直流配用電形式逐漸與傳統(tǒng)的交流形式融合，一同構(gòu)建形成新型電力系統(tǒng)。大量電力電子設(shè)備的接入使得系統(tǒng)內(nèi)的開關(guān)噪聲嚴(yán)重干擾了電弧的及時精準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)室提出了UL 1699B 標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范了直流故障電弧檢測設(shè)備的試驗(yàn)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(guān)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(jī)器學(xué)習(xí)的方式構(gòu)建形成檢測算法［12］。大多數(shù)檢測方法尚停留在理論分析層面，在檢測范圍、檢測精度、實(shí)現(xiàn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以優(yōu)化驗(yàn)證檢測算法。

基于此，本文搭建涵蓋多場景的交直流串聯(lián)故障電弧實(shí)驗(yàn)平臺，設(shè)計(jì)多類別交直流故障電弧實(shí)驗(yàn)方案，智能、高效實(shí)現(xiàn)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(shí)驗(yàn)提供了必備實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 交直流串聯(lián)故障電弧實(shí)驗(yàn)平臺

交直流故障電弧采用不同的生弧方式模擬電弧發(fā)生，因此實(shí)驗(yàn)平臺主要由以碳化電纜為主的交流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與以電極拉弧裝置為主的直流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成，通過開關(guān)的切換開展不同故障電弧實(shí)驗(yàn)。

1.1 整體故障電弧實(shí)驗(yàn)平臺

圖1 所示為交直流串聯(lián)故障電弧實(shí)驗(yàn)平臺，通過改變各個開關(guān)狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)不同場景的電弧實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)平臺整體采用三相交流供電方式，交流實(shí)驗(yàn)回路以220 V 交流電壓為主，配合各類家用負(fù)載模擬住建場景的電弧發(fā)生；直流實(shí)驗(yàn)回路利用電壓范圍0～500 V，最大功率18 kW的直流電源進(jìn)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(fā)生。

圖1 交直流串聯(lián)故障電弧實(shí)驗(yàn)平臺示意圖

考慮到家用負(fù)載工作特性受不同廠家、不同規(guī)格等因素影響，交流故障電弧實(shí)驗(yàn)回路在標(biāo)準(zhǔn)GB／T 31143 的基礎(chǔ)上進(jìn)一步豐富了負(fù)載類型與負(fù)載規(guī)格。實(shí)驗(yàn)回路不僅包含了吸塵器、空壓機(jī)、開關(guān)電源、白熾燈、鹵素?zé)?、熒光燈、電鉆、電阻箱等8 類標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的典型家用負(fù)載，還增添了電飯煲、電磁爐、計(jì)算機(jī)、空調(diào)、熱水器等各類常見家用負(fù)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(fù)載。同時也補(bǔ)充了不同生產(chǎn)廠家、不同參數(shù)規(guī)格的同類負(fù)載，進(jìn)而可提供較為完備的交流電弧數(shù)據(jù)支撐。圖2 所示為實(shí)驗(yàn)平臺涉及的部分交流負(fù)載。

圖2 交流故障電弧實(shí)驗(yàn)平臺部分實(shí)驗(yàn)負(fù)載

直流家用負(fù)載普及度較低，仍處于設(shè)計(jì)研發(fā)階段［13］，因此直流故障電弧實(shí)驗(yàn)回路主要以電阻箱作為測試負(fù)載，同時考慮增補(bǔ)各類逆變器、變換器等電力電子設(shè)備以豐富直流場景類型。電力電子裝置的開關(guān)噪聲與長線纜引入的線路阻抗均會對電弧特性產(chǎn)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(zhì)量與檢測算法精度。

1.2 交流電弧實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB／T31143，交流電弧主要通過圖3 所示的碳化電纜產(chǎn)生，電纜由2根原本絕緣、橫截面積為1.5 mm2的線纜構(gòu)成。為了達(dá)到產(chǎn)生電弧的條件，在垂直于電纜方向做出切口，并置于實(shí)驗(yàn)回路中，導(dǎo)通圖1中的開關(guān)S7，斷開其他開關(guān)，利用碳化設(shè)備在電纜處施加高壓形成碳化導(dǎo)電路徑；斷開開關(guān)S7 并利用其他開關(guān)開展交流電弧實(shí)驗(yàn)。

圖3 碳化電纜實(shí)物圖

碳化設(shè)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(xù)工作10 s以形成充分碳化的導(dǎo)通路徑，并配備相應(yīng)的排氣設(shè)備及時除去碳化過程產(chǎn)生的煙霧。碳化好的導(dǎo)通路徑極其脆弱，易在外力作用下失效，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了多個開關(guān)位置，實(shí)現(xiàn)在不移動碳化電纜的情況下安全切換碳化回路與實(shí)驗(yàn)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(hù)裝置主要安裝在主線側(cè)，而電弧不同的發(fā)生位置會對主線側(cè)測量得到的電弧檢測特性產(chǎn)生干擾?；诖耍瑢?shí)驗(yàn)系統(tǒng)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB／T 31143 設(shè)計(jì)了圖4 所示的4 類系統(tǒng)回路配置。故障電弧分別發(fā)生在總線與不同支路，以此可與單支路實(shí)驗(yàn)對比，進(jìn)而研究不同電弧位置對電弧檢測的影響。依托此實(shí)驗(yàn)回路，亦可將多類家用負(fù)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

直流電弧主要通過圖5 所示的故障電弧發(fā)生裝置（Arc Fault Generator，AFG）產(chǎn)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(shè)置的速度移動固定距離以模擬實(shí)際場景的連接松動，進(jìn)而產(chǎn)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(shí)驗(yàn)回路，便于不同材料的電極更換接入。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)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(lǐng)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(shí)驗(yàn)。

圖5 AFG實(shí)物圖

實(shí)驗(yàn)中，電弧間隙過大、拉弧速度過快均易導(dǎo)致電弧難以有效維持，間隙過小、拉弧速度過慢則可能會導(dǎo)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)利用PLC 控制模塊驅(qū)動步進(jìn)電動機(jī)工作，基于LabVIEW 軟件編寫相關(guān)程序，實(shí)現(xiàn)了電極自動化精準(zhǔn)移動。圖6 所示為設(shè)計(jì)的AFG 操作界面，可設(shè)置電弧測試速度與測試距離實(shí)現(xiàn)不同的電弧發(fā)生條件。AFG內(nèi)部裝有測試LED燈，若兩電極接觸良好，LED則會發(fā)光提示，基于此實(shí)現(xiàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)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(shù)據(jù)。示波器通過設(shè)置電弧電壓出現(xiàn)作為觸發(fā)條件，自動記錄電弧發(fā)生前后的數(shù)據(jù)。

2.1 交流電弧實(shí)驗(yàn)

通過改變家用負(fù)載類型，獲得了圖7 所示的各類負(fù)載故障電弧波形。不同負(fù)載在正常運(yùn)行時便具有不同的電流形態(tài)，尤其是吸塵器、開關(guān)電源等負(fù)載，其工作電流波形在同一周期內(nèi)的各自半個周期并不對稱。在電弧發(fā)生后，電流形態(tài)亦會發(fā)生變化，最明顯的差異體現(xiàn)在電流過零點(diǎn)階段的平肩現(xiàn)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(jù)，家用空壓機(jī)等部分負(fù)載正常運(yùn)行時的電流也存在類似的平肩現(xiàn)象，如圖8 所示。因此，交流電弧的精準(zhǔn)檢測仍需從電弧實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中深入挖掘有效的時頻信息。

圖7 不同家用負(fù)載的交流故障電弧電流

為了研究電弧不同的發(fā)生位置，以吸塵器負(fù)載為例，分別按照圖4 的4 類配置方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，故障電弧電流波形如圖9 所示。

圖9 不同系統(tǒng)配置的吸塵器交流故障電弧電流

對于配置A與C，電弧發(fā)生在家用負(fù)載側(cè)，電弧發(fā)生后電流形態(tài)會出現(xiàn)較大的變化，容易與正常狀態(tài)進(jìn)行區(qū)分；而對于配置B與D，電弧發(fā)生在電阻箱支路與總線上，總線側(cè)采集的電弧電流包含了相對完整的家用負(fù)載工作特性，因此故障電弧時期的電流形態(tài)與正常運(yùn)行時期的電流形態(tài)差異較小，故障電弧精準(zhǔn)檢測難度更大。

2.2 直流電弧實(shí)驗(yàn)

將直流電源電壓設(shè)置為318 V、電流設(shè)置為8A，并設(shè)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(lián)電弧發(fā)生后，電弧電流幅值均出現(xiàn)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(xù)下降，電弧間隙固定后電流幅值均值才保持穩(wěn)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(tài)，進(jìn)而影響電弧檢測特性。

2.3 電弧圖像分析

研究電弧形態(tài)有助于理解放電過程中電弧的變化，以便構(gòu)建更貼合的電弧仿真模型。圖11 為高速相機(jī)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(jī)拍攝的電弧形態(tài)

在生弧開始時，固定電極上的弧根幾乎位于其中心區(qū)域；隨著生弧間隙的增大，電弧根部和藍(lán)綠色等離子體弧區(qū)在2 個電極上上升，并停留在2 個電極的尖銳區(qū)域。在外界對流和自身高熱的影響下，穩(wěn)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(tài)產(chǎn)生影響。電弧形態(tài)隨著時間推移不斷變化，其相關(guān)參數(shù)可能與電弧特性存在關(guān)聯(lián)。

3 結(jié)論

本文依據(jù)相關(guān)故障電弧測試標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)并搭建了交直流串聯(lián)故障電弧實(shí)驗(yàn)平臺，開展了各類場景不同源荷的電弧實(shí)驗(yàn)。研究結(jié)果表明，輸出結(jié)果準(zhǔn)確可靠，人機(jī)交互界面簡單高效，實(shí)驗(yàn)操作安全穩(wěn)定，數(shù)據(jù)采集存儲快速便捷，可為電弧檢測特性的研究提供重要實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，具有良好的應(yīng)用前景。