电弧故障的分类与特性

电弧故障的分类与特性

低压供配电线路中的电弧一般可分为两种，一种是正常电气操作过程中产生的电弧，通常称之为正常工作电弧，比如电机在旋转过程中所产生的电弧就是所谓的正常工作电弧，还有电器设备的正常开关操作、电器电源插头的插拔过程时产生的电弧等都属于正常工作电弧，这些正常工作电弧是伴随着电气工作过程中的，而且是不可避免的，正常工作电弧的产生是瞬时性的，它不会持续的存在，也不会影响低压供配电系统和线路中的其它用电设备的正常工作，更不会以此引起电气火灾危及用电安全[17]。所以通常线路中在发生正常工作电弧的情况下，一般都认为此时的低压供配电系统和线路上的用电设备是安全的；另外一种电弧是在电气设备异常操作过程中产生的电弧，或是低压供配电线路发生故障情况下的电弧，这样的电弧称为电弧故障，低压供配电系统中的电弧故障一般是由于电气设备触头松动、线路绝缘老化、绝缘水平下降并击穿以及接地故障等问题引起的电弧。应该指出，电弧的这种区分方法不是根据电弧的任何物理参数的不同，而是针对电弧的产生结果能否导致电力安全及事故的发生这一问题来具体的划分，所以，对电弧类别的归属进行判断就存在较大的困难，这也就是在电弧故障识别及检测技术领域所要解决的技术难题。

1-3-1 电弧故障的分类

对电弧故障如果按其产生的位置来分类，可以具体的将其分为串联模式电弧故障和并联模式电弧故障，其示意图与电路等效图如图1-3所示。

串联电弧故障的产生原因主要有两个方面，一方面是由于振动等原因引起的电极之间接触不良、连接松弛或接触处断裂，进而形成了间歇性的电弧，即点接触式串联电弧故障。当两个电极接触处出现间歇性的电弧时，电弧的间歇性燃烧会使导体的热量集聚，如果不能够及时散热便会导致导体过热，进而引燃导体外层绝缘材料，引发电气火灾；另一方面是由于配电线路年久失修而导致线路被腐蚀氧化、电缆绝缘被碳化，或是连接端子锈蚀等问题，在绝缘体上形成了碳化通道，由此形成的电弧燃炽即为碳化路径式串联电弧故障[18-21]。当低压配电线路中存在绝缘介质的腐蚀与碳化问题时，处于损坏断口处两端的起始电压幅值很低，据测量仅有几百毫伏，但是随着电线绝缘介质被逐渐的氧化和腐蚀，损坏断口处两端的电压便会逐步的升高，当电压幅值升高到几伏时，气体间隙便能够维持电弧稳定的燃炽，电弧产生足够的能量进而引燃导体外层绝缘材料，最终导致电气火灾的发生。串联电弧故障受到阻抗负载限制，电弧电流一般略低于正常负载电流[22-25]。串联电弧电流由于受到负载性质的影响，其波形变化多样且没有规律，所以针对串联电弧故障的检测十分困难。

按发生位置，故障电弧的类型基本上可分为两类如图1-3：A类和B类。A类为串型电弧，B类为并型电弧。

(A) 串型电弧 (B) 并型电弧

图1-3故障电弧的类型

Fig. 1-3 types of fault arc

并联电弧故障是一种短路电弧故障，归纳其产生原因也有两个方面，一方面是由于外力因素使火线与零线之间的绝缘破损、开裂，进而造成火线和零线之间的电弧故障，即点接触式并联电弧故障[27-28]；另一方面是由于电线长期捆扎在一起，由于导线腐蚀老化，而导致火线和零线之间的绝缘层出现了碳化，形成了碳化通道，进而导致两导线之间形成了电弧，即碳化路径式并联电弧故障[26-30]。并联电弧故障的电流波形同样受到负载影响，但电流幅值要明显大于负载电流，并联电弧故障产生的能量也要大于串弧故障，很容易在故障点形成导电通道，使金属导体过热并引燃可燃物，甚至能够使金属电极发生融化[31-33]。但由于并弧故障电流幅值明显大于正常线路的负载电流，传统的过流保护装置在一定程度上即可以起到一定的保护作用。

串、并联电弧故障的电流幅值存在很大差异[34]，串、并联电弧故障电流幅值与支路正常电流幅值范围如图1-4所示。并联电弧故障类似于短路

过程，电流幅值一般能达到75～500A ，且由供电电源决定，现有的过流和短路保护装置完全能够起到保护作用。串联电弧故障电流受到线路负载的影响，电流幅值较小，一般在5～30A 以内，而线路负载正常运行电流范围也是在30A 以内，因此，现有的过流和短路保护装置无法起到保护作用。串联故障电弧在低压配电系统中经常发生并且危害性极大，所以本文以串联故障电弧为研究对象，对其进行数据采集和检测判断。

0.2A

图1-4 串、并联电弧故障电流幅值与支路正常电流幅值范围 Fig. 1-4 amplitude of fault current in series and parallel arc

and amplitude range of branch normal current

某些文献除了以上的几种电弧故障类型，还定义了另外一种电弧故障类型，该种电弧故障发生在火线与地线之间，是一种并联电弧故障[35-37]。这种电弧故障仅发生于存在地线的低压配电系统中，其等效电路图与前文所提到的并联电弧故障的等效电路图是相同的，因此，此种类型的电弧故障具有与并联电弧故障相同的电气特性，所以在本文的研究过程中，仅仅采用串、并联的分类方法。

1-3-2 故障电弧的特性分析

经过对线性电路串联电弧故障电压和电流实测波形的分析发现，在由阻感负载组成的线性电路中，所有的电弧故障都具有一些共同的电气特性，电弧电压和电流时序曲线如图 1-5所示，图为电阻负载电路中单相串联电弧故障的电压和电流波形曲线，从图中可以看出，串联电弧故障电流波形在电流零点时刻的附近变为平坦的波形，这是由电弧的熄灭和复燃过程所引起的，电弧的电压波形在电弧燃炽和熄灭区域以外的范围近似为矩形波

[38-40]。线性电路中电弧故障的产生对线路中的电流有较大的影响，从以下几个方面具体分析。

I /A U /V t/s

-1.00.51.0-0.5

0.0

图1-5 交流串联电弧故障电压、电流波形

Fig. 1-5 waveforms of AC series arc fault voltage and current

（1）“零休”现象

线性负载电路处于燃弧过程时，线路电流波形存在稳定的“零休”时