整流器直流滤波电容对交流电弧影响实验研究

陈 凯，王金全，严 鋆，亢梦捷

(解放军理工大学，南京 210007)

整流器直流滤波电容对交流电弧影响实验研究

陈 凯，王金全，严 鋆，亢梦捷

(解放军理工大学，南京 210007)

依据相关标准搭建串联故障电弧实验平台，针对整流器直流侧是否带滤波电容分别进行测试，并对采集的信号进行小波去噪处理进行后期分析。实验结果表明，无滤波电容的整流器负载故障电弧波形类似于线性负载，同时持续燃弧期间温度是不断积累的,并从能量平衡角度分析了电弧持续燃弧期间伏安特性曲线；有滤波电容存在时，电容的瞬间充电电流很大，出现剧烈燃弧现象，提出并证明了此阶段的电弧模型可等效为电容充电模型的结论。所得的结果可运用于含整流型负载系统故障电弧等效电路建模和暂态响应分析。

整流器负载；串联电弧；滤波电容；伏安特性

0 引言

随着社会的发展，人们的用电需求日益增加，负载类型也越来越多，用电安全尤其是电弧故障引起的电气事故也不断受人们关注。除了开关电器在触头的开断过程中产生电弧外[1]，线路的绝缘老化、击穿、接地故障等问题同样会导致电弧故障[2]，且后者产生的电弧更难自熄。

电弧事故主要由于持续燃弧导致的线路的燃烧进而导致破坏范围的进一步扩大。线性负载发生串联电弧故障时，其故障电流小于正常情况下的线路电流，电弧故障导致温度过高引起线路燃烧有一段时间过程，这就给能给故障电弧检测一定的反应时间。但是当今设备的类型日渐增多，以含整流型器件为代表的一类负载如空调、冰箱、节能灯等含各类变频器的电力变换装置也越来越常见，这类负载在其整流环节后都到带有电容的滤波或储能环节[3]，由于直流侧电容充电电流较大，就可能对交流侧的电弧产生影响,导致其故障波形与常规线性负载的故障波形不同。

国内外学者对于电弧机理研究很多，SUHALA K C[4]通过电容放电的形式研究了不同类型的材料在空气中的V-I曲线，得出了当电流小于电弧的最小起弧电流时会导致电弧不稳定燃烧的结论；任万滨等人[5]通过研究碳电极触点材料的交流电弧伏安特性，将阻性负载下交流电弧零休期间等效为横值电容，并用来解释电弧的负电阻性质；向川等人[6]研究了燃弧参数对小间隙真空电弧特性的影响，得出了改变纵向磁场是实现电弧调控的主要手段的结论。本文根据相关标准搭建了故障电弧实验平台，利用测温仪测量电弧持续燃弧过程中温度的变化，发现线性负载电弧燃烧过程是热积累的过程而不是瞬间产生高温；进一步对整流器负载直流侧稳压电容对交流电弧的影响进行实验，并根据测量的V-I曲线，提出了整流型负载交流侧发生串联电弧故障情况下的等效的电容充放电模型。

1 实验平台搭建

参照 UL1699—2011标准搭建含整流器负载的串联电弧实验平台如图1所示。实验平台包括电弧发生装置、工频电源、100 kW柴油发电机组、单相整流器负载(含直流侧滤波电容)、电阻器(50 Ω)、Tektronix MDO3054示波器、Fluke热成像仪等。本实验所选取的电弧发生装置电极材料为一根碳棒和一根铜棒，其中铜棒进行削尖处理，通过调节棒棒间隙达成空气击穿产生电弧，进行模拟实验，同时利用示波器采取电弧电流电压的动态波形。

图1 整流器负载串联电弧实验平台

2 实验结果分析

2.1 整流器直流侧不带电容滤波环节故障电弧信号分析

第一组实验整流器直流侧不加电容滤波环节，通过调节电弧发生装置使得电弧稳定燃烧，利用示波器采集电弧电流电压，同时用热成像仪器记录电弧从开始燃弧到稳定燃烧过程中温度的变化。根据实验过程中电弧燃烧产生的弧光明暗程度的变化和示波器采集的波形的稳定程度来判断电弧是否进入稳定燃烧状态。

这组实验持续燃弧阶段，电弧燃烧较为平稳，交流侧故障电弧波形与常规线性负载相同，图2为交流侧电弧稳定燃烧时采集的电弧两侧电压电流波形图。

图2 整流器(无滤波电容)交流侧故障电弧波形

从图2可以看出，故障电弧电流曲线与正常工作时标准正弦波相比，电流出现了提前过零现象，电流为0的状态持续一段时间，这段时间的长短与电弧燃烧期间的弧隙间粒子的电离程度与灭弧介质对于电弧的冷却强度有关。此段电弧出现了稳定燃弧现象，从图中可以看出在每个电流周期内，电弧电流出现两次过零现象，并且电流电弧从熄弧到重燃存在一定的时间而不是瞬间完成，也就是说电弧的过零现象存在一定的时间，这个现象称为交流电弧的“零休”现象[1]，线路中负载的类型也影响了“零休”的时间的长短。

观察电压波形发现，电压波形大致呈方波，当电流出现“零休”时，电压辐值发生突变，此时，电流处于“零休”点，根据uM=RMiM可知，电弧的电阻率在此刻迅速上升，其值非常大，电弧熄灭。

对采集的电压电流信号利用db6小波基进行小波去噪。图3为一个工频周波内实测的i-u曲线图。箭头给出了电流的变化方向，伏安特性根据此方向进行记录。

图3 一个工频周波内故障电弧i-u曲线图

从图3中可以看出，随着工频交流电极性的改变，电弧电流在正负半波内发生改变， 伏安特性近似在一、三象限内变化且关于坐标原点对称。其中第一象限内为交流电弧在正半波内伏安特性曲线，第三象限为负半波内的曲线。下面从能量平衡角度分析交流电弧的伏安特性曲线[1]。

(1)O′A段：线路中电流过零点之前，弧隙中粒子电离程度剧烈，电流过零之后，电弧熄灭，弧隙中存在一定的剩余电流，此时，弧隙中仅有剩余电流通过，电弧电阻值RM较高，根据弧隙电压公式uM=RMiM，其值随着电流升高而增加。

(2)AC段：弧隙的能量随着电压的升高而变大，使得弧隙中粒子的电离程度加剧，当弧隙电压大于电弧重燃电压时，弧隙被击穿，电弧重燃，此时A点对应的为燃弧尖峰电压uA。随着系统电流增大，电弧输入功率也增加。当电弧输入功率PM大于电弧发散功率PS时，dWQ/dt=PM-PS>0,此时，电弧能量WQ增加，温度升高，弧柱变粗，电弧电阻值RM降低，电压随着电流的增加而减小，在这一阶段，电弧呈现负电阻特性。

(3)CB段：当电弧电流iM达到最大点C时逐渐减小，从而电弧输入功率PM减小，弧隙中粒子的电离作用变弱，电弧电阻值RM增高。根据uM=RMiM，CB段电流iM减小，uM却增加，所以RM也增加且增加的速率大于电流iM减小的速率。由导数的定义，i-u曲线的斜率为电阻，所以，电弧燃弧电流达到极大值点后降低阶段(CB段)对应的电弧电阻值小于电流未达到C点上升阶段(AC)时对应的电弧电阻值。

(4)BO段：随着线路中电流的不断减小，弧隙中粒子的电离程度不断减弱，让减小到某一程度时，电弧不能维持燃烧而熄灭。此后弧隙中有剩余电流存在，弧隙电阻较大，弧隙电压随着电流的减小和电阻的增大而快速降低，直到0。

当电流处于负半周时，和正半周类似。

在持续燃弧阶段，利用热成像仪采集实验过程中的温度变化。根据采集的热成像仪图像可以得出：实验的环境温度为22℃，电弧开始燃弧的温度为322 K，持续燃弧约1 min，温度上升至371 K，持续燃弧2 min，温度上升至413 K，持续燃弧3 min，温度上升至469 K。由此可见，线路发生电弧故障时温度并不是开始时刻就很高，而是一个持续积累的过程，持续燃弧3 min，温度上升约300 K，因此，线路中电弧的存在尤其是电弧出现持续燃弧现象时，线路火灾危险会大大加剧，需对电弧故障进行及时检测与排查。

2.2 整流器直流侧不带电容滤波环节故障电弧信号分析

实验第二组整流器直流侧加入滤波电容，其数值为3 300 μF。实验开始前，对铜棒进行重新打磨削尖处理，利于击穿放电，然后开始进行实验。实验时移动摇杆将铜棒靠近碳棒，当棒-棒距离较近时，改为非常缓慢的速度移动摇杆，发生电弧的瞬间出现非常强烈的爆炸声与发光现象，很短时间内电弧熄灭。此时采集的交流侧与直流侧电流的图形如图4所示。

图4 故障电弧交、直流侧电流波形

如图4所示，分析这一阶段的物理过程：A时刻电弧开始剧烈燃烧，发出强烈的声响与光，产生大量的热，导致铜触头融化，同时棒棒间隙变大，低于间隙空气的击穿电压， B时刻电弧熄灭，之后，交流侧系统断开，直流侧电容通过电阻R放电，最终电流变为0。从A时刻到B时刻为系统对电容充电过程，这一过程时间非常快，约1/10个工频周波，而电流波形类似于方波，由于系统所用的电源为工频市电，能够提供的瞬间功率大，因此充电电流非常大，导致测量的电流辐值超过采集所用电流钳的量程，出现电流的“削顶”现象，为证实这一猜想，将工频市电改为柴油发电机组进行实验，由于柴油发电机组提供瞬间充电电流有限，能够采集这一过程中电流的变化情况。

以柴油发电机组为主电源重复上述实验，图5为采集的整流器交流侧与直流侧的故障电流波形。从该波形可以证实上文的猜想，充电时间长度与电源能够提供的瞬间电容充电最大功率有关。

图5 整流器交直、流侧故障电流波形

这段时间内，电容充满电吸收的总能量为：

(1)

式中Q为电容吸收的能量，C为电容参数，U为整流器直流侧电压最终稳定值。而在极短时间内电源放出的能量可以看做电容充电吸收的能量：

(2)

图6 系统等效电路图

式中，V为电源电压，t为充电时间，令两式相等，可以得到电容充电时间t为3.2 ms，这与t1-t2实测的时间数值基本一致。由此可见，此段时间内相当于电源对电容的瞬间充电过程，充电电流很大，超过正常工作时电流的3～4倍，若为工频市电，瞬间充电电流更大。分析数据可知，整流器直流侧电流与交流侧电流值相等，因此，此时电弧模型可等效为系统对电容的充电模型，且该电容值与直流侧稳压电容相等，该阶段的等效电路图如图6所示。

设电源电压为u=Umsin(ωt)，那么发生电弧故障时等效电路的系统全状态响应：

(3)

式中，τ=RC为时间常数，进而根据基尔霍夫电压定律可得电流的全状态响应为：

(4)仿真结果与实测的电流波形基本一致。电容值越高电流峰值越大，充电时间也越长，这与实测结果一致。因此，当整流器直流侧有滤波电容存在时，如果交流侧发生串联电弧故障，则系统可等效为电源对电容的充电模型，瞬间大电流是电源对电容充电的结果。

3 结论

(1)根据相关标准搭建了故障电弧实验平台，并对采集的信号进行分析，为后续电弧故障诊断提供基础。

(2)整流器直流侧无电容滤波环节时，交流侧故障电弧波形与常规线性负载类似，故障电流波形出现“零休”现象，其有效值小于正常工作时电流有效值。开始燃弧时，温度较低，在持续燃弧过程中，温度不断上升，因此需要及时进行检测并排除故障，否则可能因为温度过高而引起火灾。

(3)整流器直流侧有电容滤波环节时，电容充电瞬间会产生大电流，因此交流侧故障电流非常大，导致电弧的剧烈燃烧，产生瞬间高温，此时的电弧模型可等效为电容的充电模型，并合理地解释了电弧剧烈燃烧的原因，为后续故障电弧检测算法提供依据。

[1] 孙鹏，马少华．电器学[M]．北京：科学出版社，2012.

[2] KAWADY T A, TAALAB A M I, EL-GEZIRY M. Impact of load variations on arcing fault detection in LV distribution networks[C].10th IET International Conference on Developments in Power System Protection (DPSP), Manchester, UK, 2010: 37-42.

[3] 邱俊.浅谈供配电系统谐波问题 [J].微型机与应用，2010,29(16):80-86.

[4] SUHARA K C. V-I characteristics of short gap arc in air at C, Ag, Cu, Pd, and W electrodes-measurement and formulation ofr practical use[J]. IEICE Transactions on Electronics, 2005, 88(8): 1603-1615.

[5] 任万滨，金建炳,郭继峰，等.碳电极交流电弧伏安特性的实验研究[J]. 电工技术学报，2014,29(1):18-22.

[6] 向川，Yan Jiudun,董华军，等.燃弧参数对小间隙真空电弧特性的影响[J]. 高电压技术，2013,39(12)：3095-3099.

Experimental study on the effect of rectifier DC filter capacitor on AC arc

Chen Kai, Wang Jinquan, Yan Jun, Kang Mengjie

(PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007, China)

In this paper, based on the relevant standards, a serial fault arc experimental platform is set up. The DC side of the rectifier with voltage regulators were tested and the collected signals are processed by wavelet denoising. Experimental results show that the rectifier load-fail arc waveform with no filter capacitor is similar to a linear load, while the temperature during the continuous arcing is constantly accumulating and the volt-ampere characteristic curve of the arc during continuous arcing is analyzed from the energy balance point of view. When a filter capacitor is present, capacitance instantaneous charge current is very large, arcing phenomenon arises and the arc model at this stage are proved to be equivalent to the capacitor charging model. The results can be applied to the equivalent arc circuit modeling and transient response analysis of rectifier load system.

rectifier type load; series arc; filter capacitor; volt-ampere characteristics

TM501

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.16.028

陈凯，王金全，严鋆，等.整流器直流滤波电容对交流电弧影响实验研究[J].微型机与应用，2017,36(16)：99-101，105.

2017-01-30)

陈凯(1992-),男，硕士，主要研究方向：小电流接地系统保护。

王金全(1964-),男，博士，博士生导师，主要研究方向：新能源发电与智能微电网。

严鋆(1985-),男，博士，主要研究方向：新能源发电与智能微电网。