故障电弧检测概述

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1、故障电弧检测概述南京航空航天大学摘要：故障电弧是由于电线等的电气绝缘老化、 破损，空气潮湿引起的空气击穿 或者电气连接松动等原因造成的。 电弧能量大，危害大，严重威胁了设备和人员 的安全。首先介绍了电弧及其危害，然后介绍了近几年来国内外学者在故障电弧 检测方面提出的一些理论和算法，最后介绍了故障电弧检测的应用及其前景。关键词：故障电弧 检测特征算法1引言随着电力电子技术的不断发展，电气化程度越来越高，电路保护也越来越重要。 电弧能量大，温度高，危害却是极大的，容易引起火灾，甚至爆炸。但是，传统的断路器是根据电流的过载情况（图片:image002.gif）设计的，而许多严重的电气事故却是由低电流

2、的故障电弧引起的，传统的断路 器并不能检知或防止这种故障。随着电弧故障引起的事故越来越凸显， 对电弧故 障进行检测的要求越来越迫切，针对电弧故障的研究也越来越多。2电弧及其危害电弧是一种气体游离放电现象，也是一种等离子体。电弧中的电流从微观上看是 电子及正离子在电场作用下移动的结果，其中电子的移动构成电流的主要部分。 根据电弧产生的机理，电弧可以分为 2类：好弧（插拔电器时产生的弧等）和坏 弧（故障电弧）。故障电弧主要是由于电线等电气绝缘老化、破损，空气潮湿引 起的空气击穿，或者电气连接松动等原因造成的。故障电弧根据电弧电流的强度， 可以分为高水平电弧和低水平电弧。故障电弧根据弧产生的位置又可

3、分为3类:Ijcad.串型电弧、对地电弧以及线线电弧（见图 1）。_/VM图片:image004.jpg（a）串型电弧（b）对地电弧（c ）线线电弧图1故障电弧分类电弧的特点是温度很高，电流很小，持续时间短，一旦出现击穿点则会频繁出现。 电弧放电时，会产生大量的热，能引燃周围的易燃易爆品，造成火灾甚至爆炸。 比如，中国火灾统计年鉴显示，因电气原因引发的火灾在各类火灾中高居榜 首，约有30%勺火灾是由住宅电气线路老化或配置不合理造成的，并正以平均每 年1%勺速度持续上升，6.6%的人在使用插座板时曾有被电击的经历；美国联邦 航空管理局（FAA指出电气故障是无数商业飞机事故的主要问题；军方也认为

4、电气故障是造成安全问题和飞机不能准时起飞的重要原因。在引起这些事故的电气原因中，电弧故障是主要的原因之一，而传统的熔断器和电子断路器不能满足 电弧故障检测这个要求。这是因为目前的断路器都只被设计为检知过载电流情况 （）的，而由图2可以发现，低水平电弧的电流很小，甚至小于额定电流，目前的断路器不会有反应；而高水平电弧的电流虽然较大，但是其持续时间太短，传 统断路器还来不及做出保护动作，电弧就已经熄灭。图片:image006.jpg图2热保护曲线3电弧检测国内外研究现状正是由于电弧故障的危害极大，尤其是近几年随着电弧故障引起的事故越来越凸 显，对电弧故障进行检测的要求越来越迫切，针对电弧故障的研究

5、也越来越多。 利用电弧放电时的光、热、声音和电磁辐射等特性，国内外学者提出了一些方法 来检测电弧15。加拿大 Saskatchewa n 大学的 T.S.Sidhu 等人利用 PZM （ Pressure Zone Microphone :压力分区话筒）、红外线接受器以及回路天线来检测电弧放电时的 噪声、热量以及电磁辐射等特性，设计了一种电弧检测装置1，3，见图3。mt料H *审i唏图片:image008.jpg图3基于热、声以及电磁特性的电弧检测装置只有当3种检测装置都检测到电弧时，装置才认为检测到电弧故障。该装置还利 用安装在4个不同位置的PZM来定位电弧发生的位置，为后期维修提供了数据。

6、 近年来，利用电弧的光效应，国外开发出了弧光检测与保护系统。如德国Moeller 公司用于低压开关柜的故障电弧保护系统、ARCON AB的 ARC Guard System故障电弧保护系统、芬兰 Vaasa公司的VAMP系统等。这些系统都是基于检测电弧 故障时发出的弧光以及过流双判据， 提供快速而安全的母线保护，这为限制电弧 故障损坏提供了一种有效的解决方案。但是，这类检测装置也有其局限性。它们检测电弧用的传感器有其特定 的安装位置，不适用于线路稍长的设备中。此外，该设备需要增加的设备较多， 与航空等领域要求体积小、重量轻等要求不符。因此此类检测装置一般适用于开 关电源柜等场合。随着汽车系统中

7、的系统电压从14 V增加到42 V，汽车电弧的检测也越来越重要。Delphi研究室基于电弧故障时电流会有突增或者 突降的特性，设计了 FDC模块（Series/Parallel Arc Fault DiscriminationCircuit :串型/并型电弧故障检测电路），提出了一种电弧检测装置 ，框图如 图4。图片:image010.jpg图4汽车系统中电弧检测装置示意框图相对而言，该装置增加的设备不多，但是该装备也有其不足处，即当开 关闭合后，系统要求负载不能有太大的变化，而事实上在很多场合线路的终端负 载可能会发生变化。当负载为非线性负载或者负载的热插拔都会造成电弧故障检 测的误动作。正

8、是由于只利用电弧的光、热、声音、电磁辐射或电流突增突降等时域特征来检 测电弧故障的局限性和不足性，有人提出从时域转到频域进行电弧检测的想法 68。在文献8中，R.Spyker等人主要针对直流串联电弧进行了研究。通过测试，作 者将分别得到的三组电弧电流数据进行了分析，得出了下面一张电流能量的频谱分布图（图5），用来说明电弧电流的特征。从图 5可以发现，发生电弧时，在 10 kHz到100 kHz的频率范围内，电流的谐波含量明显增多。T4 I 图片:image012.jpg图5电流能量频谱分布图正是由于发现了电弧电流的频域特征，说明了在频域进行电弧故障检测 的可能性。于是傅立叶分解916、小波分析

9、1718、神经网络19等算法被 引入到电弧检测中。JamesA.Momoh 等人将傅立叶分解引入了电弧检测中12，将采集到的电 流值和电压值综合考虑，得到能量的傅立叶分解，傅立叶分解的结果就可以作为 判断电弧故障的依据。但是，考虑到负载性质（如DC- DC将引入高频干扰）、电源质量等因素，为了防止产生误判断，又引入了ANN（Artificial Neural Network:人工神经网络）13，将傅立叶分解后的结果引 入神经网络中，进行训练，然后得到较为精确的结果。但是，传统的FFT变换要求系统线性以及稳定的信号，但是电弧故障信 号具有非线性以及随机性的特征，国内外学者又将小波分析引入了电弧故

10、障检测 中17，18。韩国学者针对韩国的154 kV的高压传输系统的高阻电弧故障，利用小波变换进 行 了研究17。作者 比较了 db4(Daubechies4) ， sym5(symlets5)， bior3.1(biorthogonal3.1) 以及 coif4 (coiflets4)这四种母波，最后选择 db4作为最终选择的母波。随后，作者用小波变换得出的结果来判断是否发生了高阻 电弧故障。为了使得高阻电弧故障和一些瞬态的非故障事件(比如线路开关、电容放电等)区分开来，作者对每个周期内的小波变化的结果设定了一个阀值，超过该阀值才认为检测到高阻电弧故障。4电弧检测的应用及其前景正是由于电弧故

11、障的高隐蔽性，以及其强大的破坏力，容易造成设备损坏，引起 火灾甚至爆炸，严重危害了大众的生命财产的安全。为了解决电弧故障问题，美国科研人员开发了AFCI(Arcing Fault CircuitInterrupter :电弧故障断路器)。2001年美国有关部门规定，新建的住宅中都 要安装这种装置。目前美国 GE公司、德州仪器公司和德国西门子公司生产这种 装置。图6为美国GE公司生产的AFCI。图片:image014.jpg 图6 GE公司的AFCI随着汽车电力系统电压的升高，电弧检测已经成为一项必不可少的安全保障，美 国TI公司已经成功研制了适用于42 V直流汽车电路系统的电弧故障断路器。 随

12、着多电飞机和全电飞机的研制，飞机上配电系统的作用越来越重要，而且电线 也随之增多。但是，电线增多也带来了问题。近几年，飞机电线的安全性得到越 来越多的关注，突出表现在 TWA 800和SWISSAIR 111的悲剧发生后20。这些 事故使得飞机制造商、军方等都对飞机电线安全问题提出了要求。其实，飞机电线安全问题不是一个新的问题，熔断器(TCB和电子断路器(ECB就是设计在 过流或者短路的情况下，起到防止电线过热，保护电线的作用。但是，除了过热 会损坏电线外，化学药品的泄漏、电线的老化甚至飞机维修过程中， 都有可能会 损坏电线。这些损坏都有可能引起电弧故障，而事实证明电弧故障是引起飞机故 障、部

13、件失灵甚至飞机起火的重要原因。但是电弧故障却不能由ECB等来保护。为了提高飞机电线的安全性，除了现有的热保护以外，线路上还需要增加电弧保 护。目前，波音787飞机上已经加入了电弧故障检测装置。在家电、汽车、航空航天领域中，电弧检测保护的重要性越来越突出。以航空航 天领域为例，许多新飞机和航天应用使用电子过载电流保护装置， 如远程动力控 制器（RPC或固态动力控制器（SSPC）,但是它们只起到ECB的作用，如果将其与 AFCI技术结合起来，航空航天领域的电力安全问题将得到显著的改善。5总结在家电、汽车、飞机等领域内，都一定程度地存在着电弧威胁。由于电弧的能量 大，对设备、人员的危害很大，但是目前的熔断器、断路器等保护装置只能对过 流、短路等情况进行检测和保护，不能起到对电弧检测和保护的作用。因此，电 弧检测和保护的需要很迫切，研究意义非常大，而且其应用的领域非常广泛。 国内对电弧检测和保护的研究相对起步较晚，无论是理论还是实际转换成的产 品，都落后于国外。目前，国内只有开关柜等领域的电弧保护取得了一些成果， 在家庭用电、航空航天领域的电弧保护还有待进一步地研究和提高。