摘要：本文以低压配电线路串联电弧为研究对象，分成阻性、感性、非线性三种负载性质，利用参照UL1699标准自制的电弧发生器进行电弧试验，获取三种负载性质的故障电弧波形，并对其电弧电压和电弧电流的故障特征进行较为全面的理论分析和试验研究。结合Simulink仿真技术验证了Cassie-Mayr电弧模型的可行性，为电弧故障开关保护装置设计进一步提供了仿真试验依据。

    0 引言
    低压配电线路常因接线松动、设备电源线或其内部线路长时间过载运行与绝缘老化等情况，而导致故障电弧的发生，且伴随有电极的局部高温溅射。为此，研究配电线路发生故障电弧时电流、电压信号的故障特征，可为电弧故障开关保护装置设计提供理论指导，对保障用电的安全可靠性具有理论研究意义。为了获取更多负载下的电弧特性，本文结合Simulink仿真技术对串联电弧加以建模，对电弧模型仿真数据与实测电弧电压和电弧电流信号加以对比分析，提供一种适用于故障电弧分析的仿真模型。

    1 故障电弧分类
    根据故障发生位置可将电弧分成以下几类：
    （1）相间电弧如图1（a）所示。发生相间故障电弧，线路大电流触发断路器的过电流保护阑值可检测出来。

    （1）接地电弧如图1（b）所示。对地发生故障电弧，线路将出现电流不平衡，目前的断路器漏电保护与过电流保护可诊断出来。
    （3）串联电弧如图1（c）所示。当线路发生串联电弧，电路中相当于串联电弧阻抗，线路电流可能会出现比额定电流值小的情况，目前的断路器漏电保护及过流保护均无法准确检测该类故障电弧。本文致力于研究该串联电弧在不同负载情况下的特征，以提供相关电弧的检测理论指导。

    2 故障电弧的特征分析
    2.1电弧试验电路
    按照UL1699标准要求，设计电弧发生器如图2所示。该电弧发生器由1根可移动电极（铜棒）和1根固定电极（碳棒）组成，碳棒直径为6. 4mm，铜棒触点要削尖且a在（17.8±7. 6） mm范围内，通过接人不同性质负载并控制一定气息来产生电弧波形。

    2.2阻性负载的电弧特性
    以烧水壶为例研究阻性负载下的电弧特性，额定电流和电压波形如图3（a）所示，电弧电流和电弧电压波形如图3（b）所示。

    由图3可知，阻性负载下的电弧电流ih、电弧电压uh的波形均呈现周期性。电弧电流ih过零期间，在介质的冷却作用下，电弧电阻几乎为无穷大，而夹在电弧两端的电压实际上等于电源电压瞬时值。此时电弧两端的电压从零开始上升，电弧电压逐渐形成燃弧尖峰。由ih = uh /Rh可知，过零期间的电流非常小（几乎为零，即零休电流）。在阻性负载下，故障电弧的电流峰值与额定电流的峰值一样大。由此可知，阻性负载下的电压燃弧尖峰和电流零休时刻可作为电弧故障的特征判据。
    2.3感性负载的电弧特性
    以冰箱为例研究感性负载下的电弧特性，额定电流和电压波形如图4（a）所示，电弧电流和电弧电压波形如图4（b）所示。

    由图4可知，感性负载下的电弧电流ih、电弧电压uh的波形随机性较强。电弧电流幅值比额定电流大，而且上升坡度相对额定电流大很多。电弧电压除了具有燃弧尖峰外，还出现半波缺失等现象。由此可知，感性负载下的电压燃弧尖峰、半波缺失、电流幅值较大可作为电弧故障的特征判据。
    2.4非线性负载的电弧特性
    以微波炉为例研究非线性负载下的电弧特性，额定电流和电压波形如图5（a）所示，电弧电流和电弧电压波形如图5（b）所示。

    由图5可知，非线性负载下的电弧电流波形呈现非正弦。电弧电流的峰值比额定电流大，并呈现严重不规则的畸变，谐波分量大大增加。电弧电压在电流过零后出现燃弧尖峰，过零前出现熄弧尖峰，并且无法形成周期性的波形。由此可知，非线性负载下将电流出现大量谐波、电压的非周期性等作为电弧故障的特征判据。

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