故障电弧检测技术现状及难点

1. 国内故障电弧检测研究现状

国内对故障电弧的危害认识较晚，对电弧的理论研究及保护装置研究也起步较晚。但近年来故障电弧对我国人民的生活和工业生产造成了严重的损失，这引起了很多学者的重视，很多高校和公司开始研究故障电弧的检测技术，特别是浙江大学，沈阳工业大学，西安交通大学，宁波习羽电子发展有限公司等。

西安交通大学申请的一份专利提出通过提取电流高频分量时频特征来判别电弧故障的方法。该方法首先利用自积分式罗氏线圈测量电路暂态高频电流，然后对其进行频谱分析，通过中断触发和计数器计数方法测量电流过零时间点与暂态高频电流信号出现时间点的时差，依此确定高频信号出现在被保护回路电流的相角位置。综合考虑高频电流的频谱特征和高频电流信号出现的相角位置及其规律来判断电弧故障是否发生。
浙江大学的专利中公开了一种故障电弧检测方法，主要是利用故障电弧波形中含有高频扰动的特征作为识别电弧的条件。从采样得到的电流信号中分离出高频部分，然后通过检测该高频部分的能量突变来识别出电弧。记录出现电弧次数，当计数次数达到设定值时即认为出现电弧故障。
浙江科技大学与浙江科润电力设备有限公司合作申请并公开了一种故障电弧的辨识检测方法。对线路中电压电流进行采样，通过检测采样电流高频信号的能量突变识别线路中是否存在电弧；若存在，进而根据故障电弧的模型参数以及该时刻的电流采样信号和电压采样信号识别这一时刻线路中是否存在故障电弧。对电流信号和故障电弧模型参数进行双重判断。
宁波习羽电子发展有限公司已针对国外的配电系统研发了两种系列的电弧故障断路器，分别为XY-120系列、 XY-240系列，并通过了美标。也研发了针对国内低压系统的电弧故障检测模块，如图1-2所示为宁波习羽电子发展有限公司研发的Arc-XY-16-111故障电弧探测装置。从该公司所申请的专利来看，该装置的硬件设计在信号采集和信号判断之间增加了滤波和整流的特殊处理。

西安交通大学的专利是通过罗氏线圈对线电流进行采样，该方法可以有效提取电流的高频成分，但具体实施方案时成本较高；浙江大学的专利是采用计数器对发生电流突变次数计数，并以此作为故障电弧的判别依据，一旦受到负载改变或启动等干扰时容易误动作；习羽公司已作出了成品，由于专利保护，性能未知。但其在采集信号时加入的滤波和整流处理值得思考和学习。
以上几项专利都是根据电流电压信号进行判别的，国内还有很有学者对电弧的物理特性进行了大量分析研究，例如根据电弧故障时产生的温度、压力、弧光、超声波、红外线、臭氧等进行检测，也有人根据电弧图像边缘进行检测。根据物理特性进行检测的研究由于受检测设备安装位置的限制，所以主要用于开关柜内的故障电弧检测，不适用于较长距离的整个线路的故障电弧检测。

2. 故障电弧检测技术难点

目前，国内很多学者从不同方面出发对故障电弧进行检测，然而故障电弧实时诊断依然存在很多问题，因此故障电弧断路器的具体实现还有一些困难，其技术难点在于：

在通过分析线路上的电流信号来判断是否有故障电弧发生时，故障电弧检测产品不宜设置在额定电流过大的线路上。如果将故障电弧检测产品设置在额定电流过大的线路上会造成两方面影响： 1.由于线路上同时工作的用电负载数量过多，且负载性质各不相同，这会造成多种形状的电流信号互相叠加，增加了检测产品误动作的几率。 2.当线路工作电流过大时，在某一工作电流较小的支路上发生故障电弧，此时由于故障电弧电流幅度较小，其信号特征会被幅度大的干路工作电流所淹没，造成检测产品的拒动作。
能够用于诊断故障电弧的参数是有限的，国内尚没有建立起一个完整的故障电弧数据库，且故障电弧电阻呈现很大的非线性，所以电弧电流变化多种多样，即使同一个负载，同样的环境，产生的电弧电流也变化很大，很难对电弧电流的普遍性进行准确提取和研究。并且随着电器行业的发展，配电线路中的负载会越来越多样化，复杂化，使检测更为困难。
在对开关柜内的故障电弧进行检测时，常常利用弧光，弧声，温度等多个物理量，然而多个传感器不但增加了成本，而且各传感器性能有差异，很难保证采样的同步，且难以选择适合的参数作为阈值，因而误差率高。
一般电气配电线路较长，住宅，商场等的配电一般在穿线管内部走线，可能产生故障电弧的位置是随机的，且隐秘性强，很难确定故障点，但其所要求的软硬件条件有限，算法不能太复杂，因而故障电弧探测装置的实现有难度。