丁浩江，張認(rèn)成，楊凱，楊建紅，陳首虹

（華僑大學(xué) 機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院，福建 廈門361021）

電弧故障是引發(fā)電氣火災(zāi)的主要原因之一［1－2］，其檢測(cè)方法已成為建筑配電系統(tǒng)安全與火災(zāi)防范領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù).電弧故障檢測(cè)的關(guān)鍵問題是要揭示電弧故障與正常負(fù)載電弧以及插頭插拔電弧的本質(zhì)區(qū)別，檢測(cè)方法應(yīng)使各種負(fù)載及電弧類型具有普適性.電弧故障的檢測(cè)方法多基于回路中電流有無電弧故障時(shí)的狀態(tài)特征［3］.典型的診斷方法包括頻域分析法［4］、時(shí)域波形分析法［5］、自回歸模型參數(shù)法［6］、高階譜分析法［7］等.但因電弧模型物理參數(shù)不易獲取及電弧故障的可屏蔽性、負(fù)載的多樣性，上述方法尚不能較好地解決電弧故障誤識(shí)別及漏識(shí)別問題.為解決這些問題，許多學(xué)者進(jìn)行了有益的探討［8－13］.將電磁輻射信號(hào)作為電弧故障診斷的特征量，降低了電弧故障識(shí)別的誤識(shí)率和漏識(shí)率，但由于電弧故障發(fā)生位置的隨機(jī)性，利用天線接收電磁輻射信號(hào)在工程應(yīng)用中可行性不高.本文采用電容耦合器從供電回路接收輻射信號(hào)的高頻成分，經(jīng)檢波和對(duì)數(shù)放大后壓縮高頻信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，使高頻信號(hào)中的低幅值成分幅值增大，高幅值成分幅值降低，以期提高電弧故障的檢測(cè)效果.

圖1 電流元沿x軸產(chǎn)生的磁場(chǎng)Fig.1 Electromagnetic field radiated by a current component oriented along x－axis

1 電弧的電磁輻射現(xiàn)象

電弧是兩電極間氣體放電的一種特殊形式.當(dāng)放電進(jìn)入弧光放電區(qū)，放電通道有明顯的邊界，通道中的溫度可達(dá)6 000K，電流密度可達(dá)10A·m－2，電離方式主要為熱電離，電極間隙被具有良好導(dǎo)電性能的等離子體貫通.等離子體粒子所處的能量狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，對(duì)外表現(xiàn)為各種形式的輻射現(xiàn)象.

電流元沿x軸產(chǎn)生的磁場(chǎng)，如圖1所示.在距離為R處，由一長(zhǎng)度為δ的電流元在沿x軸方向所產(chǎn)生的電場(chǎng)大?。?4］可表示為

式（1）中：θ為電流與R向量之間的夾角；i為電流；ε0為介電常數(shù)；c為光速.假設(shè)電弧電阻在整個(gè)動(dòng)態(tài)過程中保持不變，在忽略電弧電感的情況下，其功率譜［11］可近似表示為

式（2）中：k為常量為電弧電流初始上升率；CS為兩觸點(diǎn)之間的容值；Rarc為電弧電阻；w為電弧固有頻率.當(dāng)角頻率ω趨近無窮大時(shí)，式（2）將達(dá)到最大值k2（0）2w2；當(dāng)ω＝1／RarcCS時(shí)，功率譜達(dá)到最大值的一半.Kayano等［15］在一項(xiàng)電極為銀的電弧放電實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：放電初始階段的輻射信號(hào)頻率高達(dá)10MHz，電弧階段將超過100MHz.

電弧輻射產(chǎn)生的電磁波是以波動(dòng)形式存在的電磁場(chǎng)，可在空氣及金屬導(dǎo)體中傳播.發(fā)生電弧故障時(shí)，天線及回路導(dǎo)線都能接收到輻射電磁波.在導(dǎo)電介質(zhì)中傳播時(shí)，電磁波因介質(zhì)導(dǎo)電吸收能量振幅逐漸衰減，其衰減快慢與導(dǎo)電介質(zhì)的介電常數(shù)、電導(dǎo)率及電磁波波長(zhǎng)有關(guān).

2 電弧故障診斷

2.1 電弧電磁輻射信號(hào)的獲取

利用高頻電容耦合電路感測(cè)電弧故障發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的電磁輻射信號(hào)，輸入端并聯(lián)在負(fù)載電源端，輸出端作為檢測(cè)電路的輸入，如圖2所示.電容耦合器在獲取信號(hào)的同時(shí)，也起到強(qiáng)弱電的隔離作用.耦合器中選用容量為10nF，耐壓值為400V的聚丙烯電容.在串聯(lián)電弧故障試驗(yàn)中，以電阻爐作為負(fù)載，供電電壓為220V／50Hz交流電，從變壓器端采集高頻電壓信號(hào)（圖3（a）），采集工具為DPO4104－L型示波器，采樣率為50MHz.由圖3（a）可知：高頻信號(hào)輪廓呈現(xiàn)馬鞍形狀，兩側(cè)的高頻信號(hào)較中間的幅值更大，同時(shí)信號(hào)出現(xiàn)周期性零休，零休周期為100Hz.高頻信號(hào)的零休與電弧電流的零休是一致的，在電弧電流零休期間，電弧熄滅，弧隙間的電離現(xiàn)象趨于停止，消電離作用極為強(qiáng)烈，上述的輻射現(xiàn)象也將減少.

圖2 耦合電路Fig.2 Coupling circuit

2.2 電弧故障診斷方法

電弧故障特征信號(hào)處理過程，如圖3所示.對(duì)數(shù)檢波放大器在對(duì)高頻信號(hào)檢波的基礎(chǔ)上進(jìn)行對(duì)數(shù)放大，輸出信號(hào)與固定電平進(jìn)行比較，高于該電平輸出高電平；否則，反之，由此得到脈沖信號(hào).高頻信號(hào)的“零休”、“幅值波動(dòng)”等特征被集中轉(zhuǎn)換為脈沖波寬度的隨機(jī)變化，微處理器通過捕獲脈寬實(shí)現(xiàn)電弧故障診斷：10ms內(nèi)捕獲脈寬大于設(shè)定閾值時(shí)，判定當(dāng)前半波為電弧故障半波；移動(dòng)累加0.5s內(nèi)電弧故障半波總數(shù)，總數(shù)大于閾值則判定發(fā)生電弧故障.

圖3 電弧故障高頻信號(hào)處理過程Fig.3 Processing of arc fault high frequency signal

比較電平的大小對(duì)電弧故障的診斷起決定性作用.將檢波信號(hào)直接輸入電平比較器（圖3（b）），若比較電平過低，微小噪聲信號(hào)易被識(shí)別為電弧故障信號(hào)，導(dǎo)致誤判；若比較電平過高，“馬鞍”中間檢波信號(hào)幅值低于比較電平，造成電弧故障信號(hào)損失，導(dǎo)致漏判.檢波信號(hào)經(jīng)對(duì)數(shù)放大后，“馬鞍”兩側(cè)高幅值信號(hào)被壓縮，中間低幅值信號(hào)幅值增大（圖3（c）），即電弧期間的信號(hào)維持在高幅值水平，電弧零休期間的信號(hào)停留在低幅值水平，拉開了有無電弧故障時(shí)信號(hào)幅度的距離.參考UL 1699《故障電弧斷路器標(biāo)準(zhǔn)》，對(duì)吸塵器、手電鉆、開關(guān)電源、空壓機(jī)等典型負(fù)載進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)，確定檢測(cè)效果較理想的比較電平.

2.3 對(duì)數(shù)放大

為實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)放大，在耦合電路后增加一級(jí)連續(xù)檢波式對(duì)數(shù)放大器［16］.理想的輸入輸出間的關(guān)系為

式（3）中：Vout為輸出電壓；Vin為輸入電壓；Vx為截止電壓；Vy為斜率電壓，用以調(diào)節(jié)增益.在實(shí)際電路中，當(dāng)輸入電壓低于截止電壓值時(shí)，輸出輸入不再維持對(duì)數(shù)關(guān)系，輸出電壓將穩(wěn)定在一個(gè)固定值.對(duì)數(shù)放大器的增益K為

由式（4）可知：對(duì)數(shù)放大器的增益與輸入信號(hào)有關(guān)，輸入信號(hào)越小，放大器的增益越大；反之，輸入信號(hào)越大，增益越小，從而起到壓縮大信號(hào)幅值，增大小信號(hào)幅值的作用.

3 實(shí)驗(yàn)部分

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

電弧故障發(fā)生平臺(tái)，如圖4所示.碳化路徑電弧故障試驗(yàn)機(jī)利用8 000V交流電壓碳化破損導(dǎo)線形成碳化路徑，模擬線路老化或接觸不良產(chǎn)生的電弧故障（圖4（a））；電纜切割電弧故障試驗(yàn)機(jī)模擬利器切割并行導(dǎo)線時(shí)產(chǎn)生的電弧故障（圖4（b））；點(diǎn)接觸電弧發(fā)生器利用銅與碳之間的點(diǎn)接觸產(chǎn)生電弧故障（圖4（c））.

圖4 實(shí)驗(yàn)設(shè)備Fig.4 Experimental equipment

圖5 試驗(yàn)電路Fig.5 Experimental circuit

3.2 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)包括碳化路徑串聯(lián)電弧故障試驗(yàn)、碳化路徑并聯(lián)電弧故障試驗(yàn)、電纜切割電弧故障試驗(yàn)、點(diǎn)接觸串聯(lián)電弧故障試驗(yàn).研究表明：建筑供電系統(tǒng)中，22～24MHz頻率范圍內(nèi)背景噪聲較小，電弧高頻信號(hào)具有較高的信噪比［17］.因此，在耦合電路與對(duì)數(shù)放大器之間配置一個(gè)中心頻率為23MHz的帶通濾波電路，用以減小背景噪聲帶來的影響.

測(cè)試在220V／50Hz的供電情況下進(jìn)行，試驗(yàn)電路如圖5所示.數(shù)據(jù)采集工具為DPO4104－L型示波器，采樣率為50 MHz，同時(shí)采集高頻濾波信號(hào)及對(duì)數(shù)放大器輸出信號(hào).串聯(lián)電弧測(cè)試負(fù)載類型有吸塵器、手電鉆、鹵素?zé)?、空壓機(jī)、開關(guān)電源、調(diào)光燈，其額定功率分別為1 100，850，360，2 200，400，1 000W.

3.3 對(duì)數(shù)放大器輸出效果

以典型負(fù)載吸塵器為例，電纜切割電弧故障高頻信號(hào)幅值較小，且具有周期性（圖6（a））；點(diǎn)接觸電弧故障高頻信號(hào)幅值較大，且不規(guī)則（圖6（b））.無電弧故障時(shí)，對(duì)數(shù)檢波信號(hào)穩(wěn)定在低水平；有電弧故障時(shí)，幅值隨高頻信號(hào)包絡(luò)線變化.碳化路徑串、并聯(lián)電弧故障試驗(yàn)與電纜切割電弧故障試驗(yàn)結(jié)果類似.

3.4 峰值線性檢波與對(duì)數(shù)檢波效果對(duì)比

為了驗(yàn)證對(duì)數(shù)檢波放大器對(duì)數(shù)放大的作用，搭建峰值線性檢波電路對(duì)比二者的檢波效果.碳化路徑串聯(lián)試驗(yàn)中兩檢波效果對(duì)比圖，如圖7所示.由圖7可知：電弧故障輻射的高頻信號(hào)幅值較小時(shí)，線性檢波后的信號(hào)幅值較小或截止，造成電弧故障診斷信息的損失.對(duì)數(shù)放大器在輸入信號(hào)微小的情況下，依舊能保持較大的幅值輸出，最大程度保留電弧故障特征信息.

圖6 對(duì)數(shù)放大器輸出 Fig.6 Output of logarithmic amplifier

圖7 檢波效果對(duì)比Fig.7 Comparison of detection effect

圖8 樣機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.8 Structure of prototype

4 電弧故障檢測(cè)裝置及測(cè)試結(jié)果

為驗(yàn)證檢測(cè)方法的可行性，設(shè)計(jì)了一款電弧故障檢測(cè)電器（AFDD）樣機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖8所示.整個(gè)系統(tǒng)主要由脫扣電路、高頻耦合電路、濾波電路、對(duì)數(shù)放大器、比較器、微處理器、電源等部分組成.電源直接從零火線上取電，將市電轉(zhuǎn)換為5 V直流電為比較器、對(duì)數(shù)放大器、微處理器供電.達(dá)到脫扣要求時(shí)，微處理器發(fā)出脫扣信號(hào)斷開回路.

每組測(cè)試進(jìn)行50次重復(fù)性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示.表1中：δ為漏判率.由表1可知：樣機(jī)對(duì)串、并聯(lián)電弧的檢測(cè)均有效.在誤脫扣實(shí)驗(yàn)中，分別測(cè)試每種負(fù)載下啟動(dòng)、功率調(diào)節(jié)、正常運(yùn)行3種工況下的誤判率（η1～η3），每種工況下進(jìn)行50次重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果如表2所示.表2中：“－”表示不存在此工況.由表2可知：負(fù)載為手電鉆時(shí)，其功率疾速變化，樣機(jī)易受手電鉆電刷電弧影響而脫扣，其他情況下樣機(jī)并未因負(fù)載差異或工況變化而脫扣.

表1 電弧故障檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Result of arc fault detection test

表2 誤動(dòng)作測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Result of mal operation test %

5 結(jié)束語

通過電容耦合方式接收電弧故障輻射信號(hào)，利用對(duì)數(shù)檢波放大器壓縮其動(dòng)態(tài)范圍.測(cè)試結(jié)果表明：文中方法降低了電弧故障診斷的漏判率，適用于串并聯(lián)電弧故障的檢測(cè)，檢測(cè)方法受負(fù)載差異或工況變化影響較小，可為現(xiàn)有AFDD裝置設(shè)計(jì)提供參考.

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