1、串联故障电弧电流时频域特性的仿真与实验研究康乐1，田云博2，杨騉3，孔国威1，魏杰1（1.北京双杰电气股份有限公司，北京100085；2.长安大学能源与电气工程学院，西安710018；3.国网江苏省电力有限公司电力科学研究院，南京211103）摘要：为了分析和研究低压交流串联故障电弧电流的特性，文中首先搭建了故障电弧模拟实验平台，广泛研究不同负载情况下的电弧电流波形。然后，基于Mayr电弧模型，选取适当参数对故障电弧进行仿真分析。在此基础上，对比分析电弧电流信号仿真结果和实验结果的时频域特性，验证了仿真模型的正确性和可行性。频域特性的分析结合傅里叶变换和小波变换进行，还利用带通滤波器检测了小波
2、分析的准确性。最后，总结出故障电弧电流信号的时频域特点，以此提出了一种低压交流串联故障电弧的检测方法，并对其进行了仿真验证。研究成果对低压供配电系统中串联故障电弧的检测工作具有积极意义。关键词：故障电弧；Mayr模型；小波分析；故障电弧检测Simulation and Experimental Research on Timefrequency Domain Characteristics of SeriesArcfault CurrentKANG Le1，TIAN Yunbo2，YANG Kun3，KONG Guowei1，WEI Jie1（1.Beijing SOJO Electric C
3、o.，Ltd.，Beijing 100085，China；2.School of Energy and Electrical Engineering，Chang an University，Xi an 710018，China；3.State Grid Jiangsu Electric Power Co.，Ltd.，Research Institute，Nanjing 211103，China）Abstract:In order to analyze and study the characteristics of lowvoltage AC series arcfault current，t
4、he arcfaultsimulation experiment platform is set up firstly in this paper and the arc current waveform under different load is comprehensively studied.Then，based on Mayr arc model，the arcfault is simulated and analyzed by selecting appropriate parameters.On this basis，both correctness and feasibilit
5、y of the simulation model are verified by comparing andanalyzing the timefrequency domain characteristic of simulation and experimental result of arc current signal.Theanalysis of frequency domain characteristics is carried out in combination with FFT and DWT.Moreover，the correctness of wavelet anal
6、ysis is detected through the band pass filter.Finally，the timefrequency domain characteristics ofthe arcfault current signal are summarized and，on this basis，a kind of lowvoltage AC series arcfault detectionmethod is proposed and simulation verification is performed.The research results have positiv
7、e significance on thedetection of series arcfault in lowvoltage power supply and distribution systems.Key words:arcfault；Mayr model；wavelet analysis；arcfault detection0引言在低压供配电系统中，故障电弧是一种常见的危害。线路老化、绝缘损坏、空气击穿、接地故障等均有可能引发故障电弧，影响系统的正常运行，甚至引发火灾。每年，都会由此引发巨大的人身伤害和财产损失1。其中，由导线断裂、绝缘老化或连接松动等原因引发的串联故障电弧，具有燃烧温
8、度高、产生速度快、电流特征不明显、不易被探测等特点2。由于串联故障电弧电流与低压供配电系统负第59卷第2期：010401122023年2月16日High Voltage ApparatusVol.59，No.2：01040112Feb.16，2023DOI:10.13296/j.10011609.hva.2023.02.014_收稿日期：20220902；修回日期：20221111基金项目：新能源电力系统国家重点实验室开放课题(LAPS20014)；中央高校基本科研业务费专项资金(300102320102)。Project Supported by the State Key Laborato
9、ry of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources(LAPS20014)，the Fundamental Research Funds for the Central Universities(300102320102).载正常工作电流处于同一数量级，传统的保护装置无法判断故障电弧产生，不能将其开断3。因此，寻求一种安全可靠的串联故障电弧检测方法显得尤为重要。迄今为止，国内外的专家学者已经在故障电弧领域进行了大量的研究4-14。文15对不同的电流突变进行了频谱分析，并提出了一种基于电弧电磁辐射特性的直流电弧
10、检测方法；文16对密闭腔体内部空气故障电弧的辐射特性进行了测量，分析了不同测试条件对故障电弧辐射能、焦耳热等的影响；文17研究了电弧电流信号、电压信号和电磁辐射特性，为后续故障电弧检测方法的提出奠定了基础；文18建立了故障电弧的三维磁流体动力学仿真模型，计算了封闭空间内部故障电弧产生的温度分布和压力分布情况；文19在故障电弧弧声频谱特性研究的基础上，提出了基于小波包分解的早期弧声频带局部能量特征参数的快速提取方法。但由于串联故障电弧自身特性的复杂性及其检测的复杂性，仍然缺乏一种可靠、通用、易实现的串联故障电弧检测方法。一方面，单纯依靠电弧电流、电压信号的时域特性来检测串联故障电弧，使用范围窄且
11、判断准确率较低。另一方面，检测电弧的弧光20、温度等信号需要确切地知道故障电弧的发生地点，而故障电弧在电路中是随机发生的，通过弧光、温度信号检测故障电弧很难实现。此外，当前故障电弧检测研究大多基于专用的实验环境，造假高昂且操作复杂，寻求一种简单可靠的故障电弧仿真模型显得尤为重要。因此，文中主要针对低压交流串联故障电弧进行研究。结合仿真模型和实验平台，选取电流信号作为检测信号，结合傅里叶变换和小波变换对比分析其时频域特性。旨在提供一种简单可靠的故障电弧仿真模型，从而实现故障电弧检测算法的快速测试验证。同时，寻找出串联故障电弧电流信号的共同特征，从而为基于电流时频域特性的串联故障电弧检测电路的实现
12、提供数据支撑和理论依据。1故障电弧模拟实验为全面研究串联故障电弧电流特性，搭建不同类型的实验平台见图1、2。图1中的电路用来模拟串联故障电弧的产生。采用220 V、50 Hz的交流电源，串联纯阻性负载、感性负载或电吹风负载组成回路。电弧由电弧发生装置产生，该装置含有一个平台，其上固定有两个金属支架。其中一个金属支架的水平部分是固定的，而另一个支架的水平部分与可动导轨连接。电极固定在支架的水平部分，通过调节可动导轨，可以带动可动电极移动，从而实现两个电极的接触与分离。图1故障电弧模拟实验原理图Fig.1Schematic diagram of fault arcsimulation experi
13、ment图2开关电源工作实验原理图Fig.2Schematic diagram of switching power supply文中选用铜电极，在燃弧条件下和正常工作条件下，针对不同电流等级、不同负载特性分别进行实验。所有实验均在250 kHz采样频率下进行。且为了克服电弧的随机性，在相同实验条件下各重复3次，并对实验结果的平均性态进行研究。此外，为了排除电力电子类负载的干扰，确保可靠识别故障电弧，文中选取开关电源作为这类负载的代表，设计如图2所示的电路来检测其正常工作时的电流。利用220 V、50 Hz的电源直接给开关电源供电，使开关电源输出频率恒为50 Hz，取不同的输出功率进行实验。2
14、故障电弧模型仿真在对复杂电路系统中的故障电弧进行研究与分析时，搭建完整的实验平台往往存在成本高、周期长、实现难等问题。而建立适当的故障电弧模型，并将其应用于电路仿真系统中，可以很好地解决上述问题，达到高效、经济、便捷的效果，对故障研究与分析康 乐，田云博，杨 騉，等.串联故障电弧电流时频域特性的仿真与实验研究 1052023年2月第59卷第2期电弧检测算法的验证和电路保护装置的设计具有重要的意义。Mayr电弧模型是经典的电弧模型。模型认为电弧能量的耗散主要由传导和辐射引起，广泛应用于小电流电弧的模拟21。低压交流串联型故障电弧的电流量级小，且其散热方式以传导为主，因此文中选取Mayr电弧模型，
15、基于MATLAB平台，进行故障电弧模型仿真分析。Mayr电弧模型的方程式为221gdgdt=1(uiP-1)(1)式(1)中：g为电弧电导；u为电弧电压；i为电弧电流；为电弧时间常数；P为电弧散热功率。根据实验平台搭建故障电弧仿真的电路模型和故障电弧模型分别见图3、4。模型中，定值检测模块用于检测电弧电流的过零点，阶跃信号用于控制电路起弧的时间，微分方程编辑器(DEE)模块用于实现电弧模型的微分方程。图3故障电弧仿真电路示意图Fig.3Schematic diagram of fault arc simulation circuit图4故障电弧仿真模型示意图Fig.4Schematic dia
16、gram of fault arc simulation model在Mayr电弧模型的微分方程式(1)中，电弧时间常数和电弧散热功率P为未知参数，在仿真分析中可以近似取为常数。将电弧模拟实验中测得的电弧电压u和电弧电流i代入式(1)中，联立相邻时间序列的方程，组成二元一次方程组，通过解方程组即可得到参数和P。通过计算，设置仿真参数为：电弧时间常数=0.83 ms，散热功率P=165 W，电弧电导初始值g(0)=10 000 S。3仿真与实验结果的对比分析3.1主要分析算法为了更好地研究电弧电流的频域特性，文中将快速傅里叶变换和小波变换这两种方法结合起来对电弧电流的信号特性进行分析。其中，离散小波变换的定义为23Wf(j,k)=1aj0Rf(t)-(t-kaj0aj0)dt(2)当对信号进行一维离散小波变换时，对于采样频率为fs的原始信号，满足：第n层的低频信号对应的频段范围为0fs/2n+1(3)第n层的高频信号对应的频段范围为fs/2n+1fs/2n(4)所以，文中所进行的小波分解重构后的时域波形图所对应的频率范围见表1。此外，为了验证分析的正确性和可行性，文中还选用带通滤波器对实