调光灯故障电弧检测的研究

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1、调光灯故障电弧检测的研究李文中(福州来光通用照明有限公司，福建福州350001)摘要：低压电弧是引起电气火灾的重要原因，传统的线路保护设备不能检测出线路中的电弧，美国已使用的电弧故障断路器是目前认可的能够用来检测线路电弧的设备。本文以此为背景，通过实验测量了不同负载下的电弧数据，以调光灯为例，运用傅里叶变换比较了调光灯电流数据正常情形和电弧故障情形的频率特性，并在此基础上通过小波变换分析两者的差异。结合两者的分析结果提出了一种电弧检测的方法，为检测其他负载的电弧电流提供参考。关键词：调光灯故障电弧傅立叶变换小波分析引言鉴于目前电气火灾的严重性，电气防火技术面临着新的挑

2、战。电气火灾的一个重要原因是因为线路绝缘层老化、损坏，或者线路连接端松动等原因导致线路中产生电弧释放大量热引燃可燃物的结果。美国电气法规(NEC)规定的新建住宅必须安装的低压电弧故障断路器是目前被认可的能够检测线路中电弧而切断电源的唯一产品。较其他的产品的区别是，在其他线路保护设备的基础上增添了故障电弧识别的功能。是否有效的检测出线路存在的电弧是研究的关键，目前检测方法用的最多的是根据线路发生电弧时产生的弧光和释放的热量。随着研究的升入，越来越多的人认为根据发生电弧时线路的电压和电流特性是检测电弧是一种很好的方式。国内关于电弧研究的技术还处于起步阶段，相关的技术标准、

3、电弧数据都还未建立‘11‘3m1。1电弧的一般特性电弧能引起火灾，是因为产生电弧时能瞬间释放出大量的热量，温度可达上千度。电弧故障断路器能否正确识别出线路中产生故障电弧是它工作的重要依据，故障电弧能在极短时间产生高温因此需要快速判断，且与正常情形的相似度高等因素导致检测线路中的故障电弧存在较大的困难。电弧可分为串联电弧和并联电弧，文献[5]、[6]最早描述了电弧的几个重要特点：a．电压和电流中均包含大量的高频噪声信号；b．由于是通过绝缘介质放电，电弧两端是存在电压降的，且电压的波形类似于矩形；c．电弧存在电压降，因此对同一电路来讲，非电弧电流通常大于电弧电流，线路存在

4、补偿的情况除外；d．非电弧电流的上升率通常小于电弧电流；e．每过半个周期，电弧电流先于非电弧电流的零点前熄灭，后于非电弧电流的零点后重燃，在这个区域建立一段幅值接近零且变换不明显的区域，被定义为“平肩部”；f．电弧通常也是零星的、短脉冲间穿插着部分正常的电流。2调光灯串联电弧实验调光灯正常工作的电流波形与线路中电弧故障的波形最大相似点都有“平肩部”，波沿陡直，对于判别线路中是否存在故障电弧有一定的干扰。本文进行了调光灯的两种不同功率的实验：a．功率为60W的调光灯；b．功率为300W的调光灯。根据现行使用的电弧故障断路器标准ULl699的介绍⋯[2][4][8

5、，搭建

6、电弧发生的实验平台。图1为实验的测量电路。测景电阻图1实验测量电路图实验前两电极闭合，接通电源后，通过调节电弧发生器，使两电极缓慢拉开，直至产生能持续一段时间的电弧止。记录实验波形。如下给出各自的实验波形。以下实验波形图中上面均为正常的波形，下面均为电弧的波形。图2和图3中，各个波形中都存在明显的平肩部，但同一实验波形中的平肩部变化的大小不明显，图2上半波的上升沿和下半波的下降沿都是陡直的，发生电弧时存在明显的毛刺。图3中正常情形波沿呈阶梯状，且波峰为尖端状，发生电弧时波形明显跟正常情形不一样。3实验数据分析3．1傅里叶变换傅里叶变换是经典的信号分析方法，其原理表明：

7、任何连续测量的时序信号，都可以表示为不同频率的正弦波信号的无限叠加。其离散傅里叶变换的表达式为：N一1x(k)=DET[x(n)】=∑x(n)e啦“““noU·l】3·图2功率60XX调光灯图3功率300瞩调光灯0≤k≤N一1(1)其快速算法的表达式为：fx(k)=x·(k)+w：x2(k’(2)【X(k+N／2)=X1(k)一wNkx2(k)其中，0≤k≤N／2一l现从频域角度分析采集到的波形数据，在MATLAB中作快速傅立叶变换‘1】[4][8。。并计算总谐波畸变率及各次谐波的含有率。0．504盆0．3测02艇0．10j“-一^一，LJL互15《趔馨o．5圄200

8、4006008001000频率(№)(1)正常情形}A^匿2∞4006(10鲫1000频率(Hz)(2)故障电弧情形图4功率60w的频谱图上图中，正常情形奇次谐波幅值明显，电弧情形偶次谐波幅值明显，基波幅值正常情形大于电弧情形。0．50旬．500．020．040．∞0．10．2毛0u-O．2刁o0．50．0．50．50_0．50．20．0．20．20-0．20．20．0．20．200．020．040．∞0．100．020．040．∞0．1(1)正常情形00．020．040．060．080．100．020．040．060．080。100．020．040