摘要：随着电力设备的快速发展和广泛应用，电器装置的故障电弧也随之增多。电弧故障是指电气设备中出现的电弧现象，可以导致电气设备损坏、火灾、甚至人员伤亡。对于电弧故障的研究具有重要意义。首先，了解电弧故障的发生机理可以帮助工程师设计出更安全可靠的电气设备；其次，研究电弧故障的特性和行为可以帮助人们更好地理解电弧现象，为电力系统的运行和维护提供重要参考；最后，针对电弧故障进行研究，可以促进电气设备的安全技术和故障处理方法的进一步改进。

关键词：电弧特性；电气设备；应用

引言

现代工业发展使居民用电量显著增加，电力故障时常发生，其中电弧故障是最为常见的一种。这一类故障通常出现在老化、破损的电路中，一旦产生击穿点，将引发电路碳化，短时间内造成大面积损坏，很有可能引起火灾等事故，对居民安全造成严重威胁。因此准确识别电弧故障高频信号，切断产生电弧故障的电路，具有很强的安全实用价值。

1电电弧增材制造的工艺

1.1埋弧增材制造

埋弧增材制造是指利用电弧在焊剂层下燃烧，熔化焊丝和焊剂进行高速熔敷的增材制造方法。埋弧热源固有的工艺特点保证了增材打印过程质量稳定、生产效率高、无弧光辐射等优点。１９４７年，ＴｈｅＢａｂｃｏｃｋ＆ＷｉｌｃｏｘＣｏ公司的Ｃａｒｐｅｎｔｅｒ等采用埋弧堆焊技术制造了不锈钢蒸馏塔，这是埋弧焊技术，也是电弧增材制造技术应用于大型金属构件制造的首个实例。２０世纪６０年代后期，为了寻找重工业领域大型压力容器和涡轮机的制造技术，德国Ｔｈｙｓｓｅｎ公司利用埋弧多层多道工艺制造了大型轴类零件。他们用４台埋弧焊焊机和１０ＭｎＭｏＮｉ５－５焊丝同时堆焊，６天时间制造出７９ｔ重的汽轮机主轴，每台焊机堆积效率达到２０ｋｇ／ｈ。埋弧增材制造产品的厚度不受限制，并同时具有良好的强度、蠕变和耐腐蚀性能。选用相同的成形材料，电弧成形件的静态力学性能优于锻造件。但是随着切尔诺贝利核事故发生，未见后续研究进展。这些研究同现在的智能化埋弧增材制造过程还是有区别的，但是说明埋弧增材制造工艺在大尺寸、厚壁金属零部件增材制造上有着先天的技术优势。近年来随着电弧增材制造技术的发展，埋弧增材打印技术研究再次进入人们的视线。天津大学程方杰团队采用埋弧热源成功打印了低碳钢单壁墙和多层多道次厚壁试验块，提出埋弧增材制造过程中的热循环提供了其独特的原位内在热处理，埋弧打印稳定区域得到的稳定、细小等轴铁素体组织具有良好的低温冲击韧性，垂直和平行打印方向的拉伸、冲击和硬度试验结果证明性能无各向异性。

1.2熔化极气体保护增材制造

熔化极气体保护增材制造是利用焊丝与工件间产生的电弧作为热源的增材制造方法。根据保护气体的类型，熔化极气体保护增材制造包含惰性气体保护（Ｍｅｌｔｉｎｔｅｒｔｇａｓａｒｃａｄｄｉｔｉｖｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，ＭＩＧ－ＡＭ）和活性气体保护（Ｍｅｌｔａｃｔｉｖｅｇａｓａｒｃａｄｄｉｔｉｖｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，ＭＡＧ－ＡＭ）两种工艺。在电弧增材制造领域应用最广泛的冷金属过渡工艺（Ｃｏｌｄｍｅｔａｌｔｒａｎｓｆｅｒ，ＣＭＴ）是福尼斯基于ＭＡＧ工艺开发的一种新型工艺方法。根据焊丝端头熔滴过渡形态，ＧＭＡ－ＡＭ增材打印过程中主要有喷射过渡、短路过渡和脉冲３种电弧，其中短路过渡和脉冲电弧相对热输入小、熔滴过渡飞溅小、成形精度高，适用于全位置和连续的增材打印。ＧＭＡ－ＡＭ增材制造设备多是焊机与工业机器人、数控机床等运动系统组合搭建的集成装置，可配备微轧设备、激光清洗设备提高打印质量，配备车、铣床等减材设备提高打印精度。增材打印零部件的尺寸仅受限于运行系统的能力。德国的Ｇｅｆｅｒｔｅｃ公司推出了３ＤＭＰ系统设备，其中最新的ＡＲＣ６０５型采用Ｐｅｉｓｅｌｅｒ研发的ＺＡＳ３２０两轴可倾式回转工作台（配备集成冷却通道）和西门子的机床控制系统，五轴运动系统满足了电弧打印的精确定位，利用ＭＩＧ工艺可以实现几乎所有金属材料的打印。利用该设备打印的车轮轴承盖，生产周期为２个月，相对于传统的铸造工艺缩短了近３／４。荷兰ＭＸ３Ｄ推出的商用设备Ｍ１是ＡＢＢ工业机器人和ＦｒｏｎｉｕｓＧＭＡＷ／ＣＭＴ电源集成，自行开发的ＭｅｔａｌＸＬ软件可以兼容市面上大多数机器人。荷兰ＭＸ３Ｄ已经成功实现了４２ｍ金属桥，１０ｍ金属长椅等震撼性产品的打印。澳大利亚ＡＭＬ３Ｄ推出了ＡｒｃｅｍｙＷＡＭ３Ｄ打印系统，同样集成了机器人系统。国内国家增材制造创新中心自主研发了电弧熔丝增减材一体化机床，制造出１０ｍ高强铝合金连接环。

2程序设置

电能的利用伴随着过载、短路、接地泄漏、电弧故障的风险，以及破坏基础设施和间接影响安全的可能。保护装置（如熔断器、微量元素控制板和刚性辐射防护装置）被广泛应用，以改善电力装置的安全性。保险丝和多氯联苯可以防止过载和短路，从而减少火灾的风险。剩余电流装置可以检测由绝缘缺陷或误接触带电部件而造成的电流泄漏，从而增加安全性。本文切割长度为１５ｃｍ的绳索，在露出单根电线的每一端剥去外部绝缘层２ｃｍ，每根电线的绝缘层剥离长度为１ｃｍ。在距离绳索样品一端约５ｃｍ处，打开外部绝缘片，弯曲绳索，露出内部单根电线。最近的电线被完全切断，其他电线完好无损。绳子向后弯直，在扁平电线上，外部薄片和其中一个内部导体可以通过一次切割直接完成。将绳索样品放置并固定在支撑板上，试样的放置必须确保切口位于顶部，切口本身距离板边缘５ｍｍ，用放置在试样下方的线性致动器的臂拧紧试样的无支撑端。板的边缘与绳索和臂之间的机械连接距离为５０ｍｍ，当致动器向下移动时，样品在仪器上的定位必须能够分离绳索的切割导体，并在致动器向上移动时使切割导体重新接触［４-５］。电线端部的位置由１００Ｈｚ的频率控制，每步行程为０.０２５４ｍｍ，完整测试设置的示意图如图１所示。电流互感器用于转换电流信号，电流信号由数字信号处理器（ＤｉｇｉｔａｌＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｏｒ，ＤＳＰ）转换为数字信号。电弧电压测量为切口两端电位之间的差值，然后由ＤＳＰ调节电弧电压信号。基于电弧产生强大宽带高频噪声的原理，可以通过将高频噪声与线路解耦，并用频谱分析仪进行滤波来收集有关电弧的额外信息。选择２２ＭＨｚ中心频率和３００ｋＨｚ带宽是为了避免测量中的干扰。频谱分析仪的视频输出提供与高频噪声功率成比例的电压，单位为ｄＢｍＷ。信号处理器测量该电平，并认为当噪声功率超过－７５ｄＢｍＷ（３００ｋＨｚ）或１Ｈｚ时存在电弧。

3电弧加工质量的影响因素

3.1加工参数

加工参数对电弧加工过程的影响显著。其中，电参数主要有电压、频率、占空比等；非电参数主要有冲液压力、电极转速、进给速度等。新疆大学周建平课题组通过大量实验研究了加工参数对电弧加工质量的影响，发现重铸层厚度随着电源频率和占空比的变化而变化，高占空比和高频脉冲频率使表面产生大量裂纹；占空比越大，工件表面粗糙度越大，占空比过小则可能会因蚀除量不足而造成短暂短路，进而影响加工质量，适当脉冲频率和占空比组合可获得较好的表面粗糙度；当电弧持续时间维持在0.5ms时，加工质量较好，电弧放电稳定性高；增大电压可提高加工效率，但带来较差的加工表面质量；使用短脉宽、低能量加工，在工件表面形成的蚀坑较小，能得到较好的表面粗糙度。董玉春通过实验同样得出加工电压越大，单位时间材料去除率越大、表面质量越差的结论。电极转速、冲液压力、进给速度和放电介质等费电参数会影响等离子通道的稳定性及加工过程的排屑效果。适合的参数能保持较高的放电通道能量，并且使放电过程保持稳定。较大的主轴转速能避免等离子通道在同一点持续加工而造成工件过度蚀除，可获得较高的表面质量，然而过大的转速可能导致等离子通道不能稳定保持，影响加工效果，故适中的主轴转速可以在提高表面质量的同时，保证加工稳定进行。冲液压力与电极转速对电弧加工质量的影响类似。压力过小时，无法实现良好的排屑效果，导致表面质量变差。朱颖谋等通过实验发现，工件表面微裂纹和孔洞数量随着冲液压力的增加而减少，工件表面质量相应地提高。而冲液压力过大，会使等离子通道扭曲拉断，可能引起不稳定的蚀除加工和排屑，同样导致表面质量变差。

2.2电极参数对表面质量的影响

（1）电极材料。电极材料及其形状和加工极性对电弧加工表面质量的影响同样显著。其中，电极材料的影响主要体现在不同材料会引起电介质成分变化、产生不同的电弧等离子体直径。电极材料对加工速度、尺寸精度和表面质量有一定的影响，但是没有电参数的影响直观，如果参数不合适，再好的电极也无法加工出很好的表面。一般电弧加工所用的电极材料有石墨、紫铜、碳钢、铝等。铜材料的良好导电性也增强了极间电解作用，使工件表面更光整、加工表面质量更好，但是铜熔点很低，并不适用于电弧加工。相反，石墨电极具有熔点高、价格低廉等优点，最适合用于粗加工。在小尺寸加工时，石墨电极较难制备，可选择钨作为工具电极。周建平等提出采用W-Ag合金作为电极材料，发现该电极材料在相同实验条件下的材料去除率是石墨的2倍，而热影响层厚度仅为石墨电极的一半。（2）电弧复合加工。虽然电弧加工的加工效率很高，但是其表面质量不高，难以满足生产要求。因此，许多学者聚焦复合加工，通过融合发挥每个工艺的优势进行表面优化处理。电弧加工的复合措施一般有复合负极性、超低压、电火花、电解、超声振动以及复合传统加工等。陈小康采用常规30V的电弧粗铣削和5V的超低压电源减小电弧放电能量，并复合负极性加工，使表面粗糙度从86.31μm降至3.16μm，效率比电火花成形加工高8.9倍。许璠等采用电火花与电弧复合加工方法加工涡轮静子，热影响区厚度仅为5μm，证实该复合工艺的合理性和有效性。张儒等采用电弧与电化学复合加工，利用加工中极间电化学的作用，溶解加工表面的重铸层和微裂纹，提高了加工质量。何国健等采用正极性粗加工、负极性半精加工及机械铣削进复合加工，加工出表面粗糙度为Ra1.2μm的复杂结构三元叶轮，证明了电弧加工航空精密部件的潜力。顾琳等设计了独特中空圆形电极，使研磨棒在电极底部伸出，形成电弧与磨削复合工艺，加工γ-TiAl工件的最低表面粗糙度为Ra0.632μm

3电弧在电气设备中的应用

由于沉积速率高，材料利用率高，对金属材质不敏感，制造成本低，制造过程不受设备容器限制，丝材电弧增材制造被认为是解决金属制造领域大型、厚壁、复杂金属结构件的创新技术方案。电弧增材制造以连续“线”作为基本成形单元，因此特别适用于大型框架、加强筋及壁板结构的快速成形。另外，配合相应的运动单元，电弧增材制造在打印旋转体结构、筒体结构和厚壁结构上也有技术优势。但是针对一些复杂曲面结构，电弧增材制造工艺、工装和运动机构的配合还存在技术难点。电弧增材制造技术的发展受产品市场应用的前景推动。航空航天领域对于大型（相对于激光选区熔化）承力钛合金结构件的需求，推动了多家ＰＡＷ商用设备的研发。由于铝合金的高反射性不适用于激光增材制造，电弧增材制造已经成为航空航天制造大型铝合金构件的重要工艺选择。针对在军工、核电和油气领域的应用前景，镍基合金、不锈钢、高强钢电弧增材制造产品也是目前的研究热点。随着加工效率和质量控制水平的提高，丝材电弧增材制造提供复杂和大型金属零件的能力越来越得到工业认可，许多传统的焊接电源和机床供应商等大型公司投入到全产业链的研发中。美国通用２０２３年４．５亿美元的设备投资计划中，计划将远超１６００万美元直接用于增材制造设备中。林肯电气独有的焊接设备自动化经验和焊接材料开发技术，使其在电弧增材制造的研究中有先天优势，其为驱动五轴ＣＮＣ加工开发的ＳｃｕｌｐｔＰｒｉｎｔ软件适应了其基于ＧＭＡ的电弧打印技术，设备打印能力可以通过扩充机器人＋抬升基座进行扩展。

结语

该文针对高频信号进行识别，计算小波极大值，得到故障点数据，通过信号阈值降噪和信号分析消除其他无关信号的干扰，提高故障信号识别的准确度。结果表明该文提出的电弧故障高频信号识别方法精度较高，对日常生活有实际意义。

参考文献：

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