張西瑞，劉艷麗

（遼寧工程技術(shù)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，葫蘆島 125105）

電弧是電力系統(tǒng)中的一種氣體放電現(xiàn)象，若不能將故障電弧及時(shí)切除，極易引發(fā)火災(zāi)等危險(xiǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，70%以上的機(jī)械故障是以振動(dòng)形式表現(xiàn)出來(lái)的[1]。而在電氣設(shè)備中，因振動(dòng)而產(chǎn)生的如連接點(diǎn)松動(dòng)等類型的機(jī)械故障則會(huì)導(dǎo)致電弧的產(chǎn)生。動(dòng)力電氣設(shè)備的正常機(jī)械振動(dòng)或因故障產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)會(huì)引起松動(dòng)的接觸點(diǎn)處于頻繁通斷狀態(tài)，當(dāng)接觸點(diǎn)由通轉(zhuǎn)換到斷時(shí)，感應(yīng)電勢(shì)產(chǎn)生的電場(chǎng)將使觸點(diǎn)間的空氣擊穿，產(chǎn)生串聯(lián)型故障電弧。

目前，串聯(lián)型故障電弧的研究工作主要集中于故障診斷及特征分析兩方面。文獻(xiàn)[2]通過(guò)計(jì)算故障電弧相鄰電流周波間的差異值，提取了畸變信號(hào)來(lái)判斷電力線路中是否存在故障電弧；文獻(xiàn)[3]研究了以碳材料作電極時(shí)電源電壓和電極開(kāi)距對(duì)交流電弧伏安特性的影響，發(fā)現(xiàn)電源電壓減小或開(kāi)距增大會(huì)使燃弧尖峰、熄弧尖峰增大，電流過(guò)零時(shí)間增長(zhǎng)；文獻(xiàn)[4]分析了不同功率阻性負(fù)載條件下電弧電流的時(shí)域特征和頻域特征，發(fā)現(xiàn)其時(shí)域特征受線路負(fù)載的影響更大；文獻(xiàn)[5]測(cè)試了空氣中不同材料產(chǎn)生的電弧伏安特性曲線，確定了低于最小起弧電流的電弧不穩(wěn)定燃燒現(xiàn)象；文獻(xiàn)[6]研究發(fā)現(xiàn)阻性負(fù)載時(shí)電弧突變電壓峰值和電流零休時(shí)間隨弧隙間距的增大而近似于線性增加；文獻(xiàn)[7-9]對(duì)弧隙間距、生弧方式、觸頭材料等因素影響下故障電弧的特性進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[2-9]在串聯(lián)型故障電弧實(shí)驗(yàn)中，普遍采用動(dòng)、靜電極良好接觸設(shè)備，然后依靠步進(jìn)電機(jī)等移動(dòng)動(dòng)電極，使動(dòng)、靜電極之間產(chǎn)生故障電弧，這種方式很難實(shí)現(xiàn)不同通斷頻率下串聯(lián)型故障電弧的實(shí)驗(yàn)?zāi)M。

本文基于自制的振動(dòng)平臺(tái)，開(kāi)展多種振動(dòng)頻率條件下的串聯(lián)型故障電弧實(shí)驗(yàn)，模擬因?yàn)閯?dòng)力電氣設(shè)備的正常機(jī)械振動(dòng)或因設(shè)備故障產(chǎn)生的振動(dòng)引起串聯(lián)型故障電弧的現(xiàn)象，并進(jìn)一步分析不同實(shí)驗(yàn)條件下串聯(lián)型故障電弧的電流特性及電壓特性。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為研究不同振動(dòng)頻率時(shí)故障電弧的特征，本文研制了串聯(lián)型故障電弧振動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)主電路如圖1 所示，主要包括電源、故障電弧振動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、負(fù)載、控制電路以及數(shù)據(jù)采集與上位機(jī)系統(tǒng)。設(shè)備電源為交流220 V，實(shí)驗(yàn)負(fù)載為FZ-RL72K6-36V 110V220V-RJ 型單相阻感一體可調(diào)負(fù)載柜，可滿足對(duì)不同電源電壓、回路電流、負(fù)載功率因數(shù)條件下串聯(lián)型故障電弧實(shí)驗(yàn)要求。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主電路Fig.1 Main circuit structure of experimental system

故障電弧振動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖2 所示。振動(dòng)臺(tái)主要由銅鼻子、直流電機(jī)、偏心輪、振動(dòng)板、絕緣子、底座及其他附件組成。直流電機(jī)受指令控制，帶動(dòng)偏心輪產(chǎn)生一定頻率的振動(dòng)，并驅(qū)動(dòng)振動(dòng)板做指定頻率的振動(dòng)運(yùn)動(dòng)。振動(dòng)板的振動(dòng)帶動(dòng)絕緣子，絕緣子上固定銅鼻子，從而使連接在同一個(gè)接線柱上的2個(gè)銅鼻子之間產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)所需頻率的機(jī)械振動(dòng)。接線柱上松動(dòng)連接的銅鼻子在機(jī)械振動(dòng)的環(huán)境中不斷通斷，產(chǎn)生故障電弧。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中分別由電流互感器和電壓互感器采集線路中流過(guò)的電流和電極兩端的電壓，采樣頻率為100 kHz。

圖2 故障電弧振動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.2 Vibration experimental platform of arc fault

實(shí)驗(yàn)中振動(dòng)頻率的確定主要依據(jù)電機(jī)故障時(shí)可能產(chǎn)生的振動(dòng)情況而定。查閱相關(guān)文獻(xiàn)[10-11]，電機(jī)故障產(chǎn)生的振動(dòng)頻率主要有2f1、3/f12、fr、2fr、fr/2及少量的4f1、8f1諧波，其中f1為基頻，fr為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率。結(jié)合實(shí)驗(yàn)裝置條件，本文擬定的實(shí)驗(yàn)方案包含5 種頻率：40、48、60、80、100 Hz，實(shí)驗(yàn)方案如表1 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)方案Tab.1 Experimental scheme

2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果

在振動(dòng)臺(tái)的作用下，2 個(gè)松動(dòng)接觸的銅鼻子達(dá)到生弧條件時(shí)開(kāi)始產(chǎn)生電弧，在電弧還未穩(wěn)定燃燒時(shí)弧隙長(zhǎng)度隨機(jī)械振動(dòng)增加或減小，電弧隨之減弱至熄滅。此過(guò)程隨電極的振動(dòng)而重復(fù)，表現(xiàn)為接觸點(diǎn)出現(xiàn)電火花。因此，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的電弧不會(huì)穩(wěn)定燃燒，而是不穩(wěn)定的電火花現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖3 所示。

圖3 振動(dòng)條件下串聯(lián)型故障電弧實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象Fig.3 Experimental phenomenon of series arc fault under vibration condition

振動(dòng)板材料為鑄鐵，在5 種振動(dòng)頻率下振幅都較小，振動(dòng)頻率為48 Hz（共振頻率附近）時(shí)振幅最大，之后隨著振動(dòng)頻率的增加，振幅逐漸減小。實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的5 種頻率對(duì)應(yīng)的振動(dòng)板振幅依次為0.142、0.278、0.175、0.126、0.103 mm。

圖4 為電源電壓為220 V、電流為10 A、功率因數(shù)為1.0 時(shí)，不同振動(dòng)頻率時(shí)的故障電弧電流和電壓波形。由圖4 可見(jiàn)，振動(dòng)條件下的電流波形與正常運(yùn)行時(shí)非常相似，沒(méi)有明顯的故障特征出現(xiàn)；而隨著振動(dòng)頻率的增大，接觸電壓幅值較正常運(yùn)行時(shí)增長(zhǎng)較小，但波形卻越來(lái)越趨向于矩形波。

圖4 實(shí)驗(yàn)電流和電壓波形Fig.4 Experimental waveforms of current and voltage

3 不同振動(dòng)頻率下串聯(lián)型故障電弧電流和電壓特征

3.1 電流特征分析

僅從實(shí)驗(yàn)波形來(lái)看，電弧電流和正常狀態(tài)的電流的特征難以區(qū)分，本文通過(guò)統(tǒng)計(jì)方法對(duì)實(shí)驗(yàn)電流的有效值進(jìn)行了分析，結(jié)果如表2 所示?？芍涸诓煌駝?dòng)頻率下，回路電流均較正常運(yùn)行時(shí)有所減小，這是因?yàn)榻佑|點(diǎn)接觸電阻較正常運(yùn)行時(shí)增加，因此回路電流減小；在其他實(shí)驗(yàn)條件相同時(shí)，48 Hz振動(dòng)頻率下回路電流有效值最小，這是因?yàn)榇苏駝?dòng)頻率時(shí)振動(dòng)臺(tái)發(fā)生共振，振幅最大，銅鼻子在分合時(shí)氣隙絕緣強(qiáng)度大于弧隙電壓擊穿強(qiáng)度，導(dǎo)致電弧在熄滅后不易重新燃弧，弧隙電阻增加，回路電流有效值變小。在60～100 Hz 時(shí)，隨振動(dòng)頻率的增加，振幅減小，氣隙更容易從絕緣狀態(tài)到被弧隙電壓擊穿，引起故障電弧，有利于故障電弧的重燃，因此電流有效值隨振動(dòng)頻率的增加而增大。相同振動(dòng)頻率下，電源電壓越小，松動(dòng)接觸的銅鼻子之間的氣體絕緣越不容易被擊穿，因此，回路電流越小。

零休現(xiàn)象是串聯(lián)型故障電弧電流信號(hào)的典型特征，但從實(shí)驗(yàn)波形可以發(fā)現(xiàn)，故障電弧電流信號(hào)振動(dòng)條件下與正常狀態(tài)時(shí)非常接近，圖5 為不同實(shí)驗(yàn)條件下電流信號(hào)的零休時(shí)間。圖5 中數(shù)據(jù)顯示：實(shí)驗(yàn)中電弧電流的零休時(shí)間都只有0.6 ms 左右，相對(duì)于整個(gè)電流周期非常短，因此，故障電弧電流波形與正常狀態(tài)的電流波形非常相似；振動(dòng)頻率增大時(shí)，振幅減小，相同電路條件下，弧隙更容易被擊穿，因此，零休時(shí)間隨振動(dòng)頻率的增加而縮短；頻率為48 Hz 時(shí)，銅鼻子分離的間距最大，電弧不易于重燃，零休時(shí)間也就較長(zhǎng)；相同振動(dòng)頻率時(shí)，電源電壓越大，接觸點(diǎn)分壓相對(duì)越多，弧隙更容易擊穿，電弧更易重燃；而負(fù)載功率因數(shù)減小，負(fù)載感性部分在電路斷開(kāi)時(shí)起到電源的作用，電流過(guò)零時(shí)可以繼續(xù)為電路續(xù)流，故障電弧不易熄滅，功率因數(shù)越小，其續(xù)流作用越強(qiáng)，因此零休時(shí)間變短；在電流過(guò)零熄滅期間，弧隙仍有少量電流可以流過(guò)，其他條件相同，線路電流越大，弧隙中的剩余電流越多，電弧越容易重燃，因此，零休時(shí)間隨電流的增大而縮短。

圖5 不同條件下的電流零休時(shí)間Fig.5 Current zero off time under different conditions

3.2 電壓特征分析

圖6 是對(duì)電源電壓為220 V、電流10 A、功率因數(shù)1.0 的實(shí)驗(yàn)組在不同振動(dòng)頻率的接觸電壓信號(hào)進(jìn)行小波去噪處理后的波形。小波變換對(duì)白噪聲濾波和對(duì)奇異特征有突出的辨識(shí)能力，經(jīng)小波變換可濾除大部分的諧波噪聲，且保留了故障信號(hào)的奇異特征。

圖6 不同振動(dòng)頻率的電壓波形Fig.6 Voltage waveforms at different vibration frequencies

從圖6 中可以看出：正常運(yùn)行時(shí)，電極材料本身具有一個(gè)較小的電阻，因此電壓信號(hào)為幅值接近于0 V 的正弦波；發(fā)生故障時(shí)，電壓增大為2～4 V左右，出現(xiàn)較多“毛刺”，其中一些“毛刺”的幅值會(huì)達(dá)到十幾V，甚至更大?；∠堕g距越大，接觸點(diǎn)的電阻就越大，在電路中分壓也就越多。因此，電弧電壓在振動(dòng)頻率為48 Hz 時(shí)的幅值最大，隨著振動(dòng)頻率的增加，電壓幅值有減小的趨勢(shì)。

振動(dòng)條件下電弧電壓的幅值雖有增大，但與空氣中穩(wěn)定燃燒的電弧電壓相比較小，且沒(méi)有出現(xiàn)燃弧尖峰和熄弧尖峰。穩(wěn)定燃燒的電弧，在電流過(guò)零熄滅時(shí)，弧隙間沒(méi)有能量輸入，弧隙熱量發(fā)散速度較快，弧隙電阻在較短的時(shí)間內(nèi)上升到一個(gè)很大的尖峰值，觸點(diǎn)間相當(dāng)于開(kāi)路狀態(tài)，觸點(diǎn)電壓近似為電源電壓，幅值瞬間增大，而在電弧重燃后弧隙電阻降低，接觸點(diǎn)在電路中的分壓較小，因而出現(xiàn)燃弧尖峰。在振動(dòng)條件下，銅鼻子分離的距離很小，且機(jī)械振動(dòng)阻礙了熱量的發(fā)散過(guò)程，電流過(guò)零期間仍會(huì)有微小的電流流過(guò)接觸間隙，弧隙電阻增大得較少，電路處于通路狀態(tài)，接觸點(diǎn)分壓較少，因此不會(huì)出現(xiàn)燃弧尖峰。同理，也不能出現(xiàn)熄弧尖峰。

3.3 電弧伏安特性

在電源電壓為220 V、電流為10 A、功率因數(shù)為1.0 時(shí)，正常運(yùn)行和5 種振動(dòng)頻率下的伏安特性曲線如圖7 所示。正常運(yùn)行狀態(tài)的伏安特性呈線性變化，振動(dòng)條件下故障電弧伏安特性曲線近似于“S”形。

圖7 不同振動(dòng)頻率時(shí)的伏安特性曲線Fig.7 Volt-ampere characteristic curves at different vibration frequencies

穩(wěn)定燃燒的電弧，其伏安特性曲線的BC 段呈下降趨勢(shì)，且CD 段隨電流的減小而逐漸上升，但振動(dòng)條件下，由于沒(méi)有燃弧尖峰和熄弧尖峰，BC 段是上升的趨勢(shì)，而CD 段則逐漸下降；隨著振動(dòng)頻率的增大，AB 段的斜率都逐漸減小，主要因?yàn)檎駝?dòng)頻率大時(shí)振幅較小，電流過(guò)零時(shí)的弧隙電阻較??；BC 段的斜率也逐漸減小，是因?yàn)檎駝?dòng)頻率較大時(shí)電流過(guò)零后2 個(gè)銅鼻子之間產(chǎn)生的電弧較多，弧隙電阻變小。因而振動(dòng)頻率的增大會(huì)導(dǎo)致松動(dòng)的接觸點(diǎn)間更易產(chǎn)生串聯(lián)型故障電弧，且增大了電弧的熄滅難度。

4 結(jié)論

（1）振動(dòng)條件下松動(dòng)的連接點(diǎn)產(chǎn)生的串聯(lián)型故障電弧是不穩(wěn)定的。

（2）隨著振動(dòng)頻率的增大，電流有效值增大，零休時(shí)間縮短，電壓峰峰值減小，且沒(méi)有燃弧尖峰和熄弧尖峰。

（3）振動(dòng)條件下，串聯(lián)型故障電弧的伏安特性曲線呈“S”型，隨著振動(dòng)頻率的增大，弧隙電阻減小。