【摘要】随着现代技术的发展及现代化程度的日益提高，通讯、电气设备的应用越来越广泛，由于电气事故所造成的损失也更大，而故障电弧是引发电气火灾最主要的原因之一，传统的断路器只能保护短路、过流和剩余电流，而无法对低于额定电流的故障电弧进行检测，电弧故障断路器是基于电压电流波形变化研制开发出的可检测故障电弧的技术。本文介绍了故障电弧及其危害和几类目前使用的电弧检测方法，以开关电源为例，分析了利用线路电压和电流相位差检测低压故障电弧的方法，对运用给电子技术检测低压故障电弧方法进行了探讨。
　　【关键词】电子技术故障电弧低压检测AFCI
　　电弧是一种电流穿透绝缘体介质的发光发热放电的自然想象，其温度高、能量大、导电性强、质量轻，可用于制作弧光灯、电弧炉等强光源、强热源的产品为人类服务，线路上的电弧有“好弧”和“坏弧”之分，正常操作如插拔电气产生的弧即是“好弧”，而随机产生不受人类控制的弧为“坏弧”，也即是故障电弧，这类电弧极易引起火灾，甚至会引起爆炸，造成严重的电气事故，通讯行业中小功率开关电源起火的直接原因亦多是故障电弧，因此寻找有效的故障电弧检测方法和手段，以在故障电弧造成危害前及时切断短路，对降低电气事故、火灾的发生率，减少损失有着十分重要的意义。
　　一、故障电弧及其危害
　　故障电弧根据电流的强度的不同可分为高水平电弧和低水平电弧，根据产生位置的不同有发生于单一带电导体中的串联电弧和发生于带电导体间的并联电弧，也有认为故障电弧除串联电弧和并联电弧外，还有火线与地线并联的接地电弧。
　　电弧故障产生的主要原因有连接处松动或接触不良、空气潮湿引起的电压击穿、线束断裂，及绝缘老化等，由于电弧温度高，线路中出现故障电弧时弧中心的温度可高达4000℃以上，并伴有金属熔化物喷出，因此极易引起周围可燃物的燃烧，引起火灾。
　　在低压供电系统中，故障电弧通常较难产生，而当绝缘层老化破损、电源连接错误或是电气连接不紧密时即可引起火花放电或气体放电，由于低水平故障电弧电流小，传统的断路器难以检测到，高水平故障电弧虽然电流大，但持续时间短，传统的断路器难以在故障电弧发生的短时间内将其检测出来，因此往往无法防止此类故障，导致由故障电弧引起的事故频频发生，对故障电弧进行有效检测的要求也更为迫切。
　　近年来，随着人们对故障电弧的重视，对故障电弧检测的研究也越来越多，在检测故障电弧时，需先检测出电弧，再采用一定的方法判断电弧是否为故障电弧，目前国内外检测电弧的方法大致有基于电弧模型的检测方法、基于电弧物理现象的检测方法和基于电弧电流电压波形的检测方法三大类。（1）基于电弧模型的检测方法建立电弧模型，通过检测参数来对电弧进行检测，低压供电系统中电弧检测可用的数学模型为空气开关电弧模型，此类较早的电弧模型为Cassie模型和Mayr模型，随着研究的深入及现代科学的发展，逐渐出现了开关电弧的辐射数学模型、链式电弧数学模型、二维MHD模型、三维MHD模型等多种用于电弧检测的数学模型；（2）基于电弧物理现象的检测方法是根据电弧产生时伴随的弧光、噪声等物理现象对电弧进行检测，利用此种方法的检测装备目前已有成套的系统，如以弧光和过流作为判据的Moeller公司低压开关柜故障电弧保护系统、Vaasa公司VAMP系统、以弧光频谱和电弧短路电流来检测电弧的ABB公司ARC Guard System等。（3）线路中故障电弧产生时，电网中的电压和电流波形都会出现明显的变化，基于电流电压波形的电弧检测方法即是以此作为基础来检测故障电弧的。故障电弧断路器（Arc Fault Circuit Interrupters，AFCI）技术是基于此种检测方法而开发研制，是目前较为先进的电路保护技术。
　　三、开关电源低压故障电弧检测
　　开关电源是利用现代电力电子技术，通过控制开关管开通和关断时间比率来维持输出电压稳定的电源，具有体较小、重量轻、效率高、供电质量好等多个优点，在通讯、计算机、航空、家电等多个领域内都有着广泛的应用，其中高频小型化的开关电源及技术已成为现代通信供电系统的主流，而由于小型化简约化的设计，开关电源中元件布线的密集度都很高，通常也没有保险丝，加之开关电源的输入阻抗采用的是低阻抗，发生短路故障时故障电流无法限制，从而极易发生故障电弧，导致起火。本文即以开关电源为例对基于电流电压波形的低压故障电弧检测方法进行分析。
　　1、开关电源组成及线路伏安相位特性。开关电源一般由AC-DC（交流—直流）变换电路、开关电路、开关控制电路和DC-DC（直流—直流）变换电路组成，AC-DC变换电路通常是由二极管整流桥和铝电解电容器构成，在开关电源稳定工作时，连续工频半周期的线路电压和电路工频成分的相位差基本保持不变，而低压故障电弧则不具有此种特性，开关电源稳定工作时其电容器端电压、电流的波形。
　　2、开关电源低压故障电弧检测。开关电源的故障电弧属于低压故障电弧，在进行实验时，以UL1699《电弧故障断电器》标准中的相关规定，制作电弧发生器，电弧发生器静止电极为直径8mm的碳—石墨棒，可移动电极为直径3mm的铜棒，将电弧发生器、负载、开关和精密电流互感器串联接入220V的供电系统中，利用电弧数据采集平台，进行开关电源串联故障电弧实验，由实验得出的开关电源低压故障电弧电流波形图分析得知，线路电压和电流波形有剧烈抖动和变化，使不同工频半周期的线路电压和电流工频分量相位差发生非单调的变化。而在开关电源稳定工作时的实验中，结果表明线路电源的绝对值满足周期性，且一个电流绝对值周期对应半个工频周期，也即是在开关电源稳定工作时，线路电压和电流的相位差基本保持不变，这与上文的理论分析一致。由此，当连续多个工频半周期的线路电压和电流相位差发生非单调变化时即可判断发生了故障电弧。
　　3、低压故障电弧检测算法。在进行低压故障电弧计算时，采用快速傅氏变换（Fast Fourier Transformation，FFT）算法，综合电弧电流快速傅氏变换系数异常及电弧电磁辐射特性，按照UL1699标准的相关规定，故障电弧断路器在0.5秒内检测到8个半周期时，故障电弧断电器执行脱扣工作，切断供电路线。
　　电弧在包括通讯在内的多个领域内均有着一定的威胁，由故障电弧引起的电气火灾所造成的损失十分大，目前随着研究的深入，电弧故障电路器在检测故障电弧上已取得一定的成就，但当前的故障电弧检测主要还是在电弧发生后再检测，因而在电弧发生前既可通过一定的方法检测出来并提出预警将是故障电弧检测研究的新课题和发展方向。
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