■ 中國礦業(yè)大學 郭立東 程紅 陳小娟

1 引言

隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展和人民生活的提高，用電量也在不斷增加。用電安全，包括人身安全和防止漏電或電弧故障引起的火災，日益受到人們重視。

目前，剩余電流保護斷路器已廣泛采用，但它在一些場合起不到故障電弧保護作用，因而美國研制了一種電弧故障斷路器(AFCI)，用于家用AFCI己在市場上出售，用于航空、汽車和工業(yè)領域的也在開發(fā)中。

電弧是兩個電極之間跨越某種絕緣介質(zhì)的持續(xù)放電現(xiàn)象，經(jīng)常伴隨電極的局部揮發(fā)。電弧存在的區(qū)域會產(chǎn)生很高的電離氣壓，導致電弧被局限的任何地方都會釋放出高熱氣體和電極物質(zhì)粒子。線路上的電弧可分為“好弧”和“壞弧”兩種?！昂没　笔侵鸽姍C旋轉(zhuǎn)(如電鉆、吸塵器等)產(chǎn)生的弧。另外當人們開關電器，插拔電器時產(chǎn)生的弧也屬于“好弧”。“壞弧”是故障電弧。在低壓供配電線路中，有串聯(lián)、線對線、線對地3類電弧故障。電弧的電流和電壓波形一般不是簡單的正弦波性。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，并聯(lián)電弧的性質(zhì)更具一般性，而串聯(lián)電弧的性質(zhì)受到負載類型的影響，特性較為復雜。經(jīng)過對大量電弧波形的研究，發(fā)現(xiàn)所有電弧都具有一些共同的特性，如高頻噪聲、電壓降、電流低、上升速率高、有“平肩部”等。

本文主要設計針對住宅的智能電弧故障斷路器，包括硬件電路設計、軟件簡介、實驗分析等方面的說明，為實現(xiàn)智能電弧故障斷路器的實際應用提供參考。

2 電弧斷路器的硬件設計

本文設計研制的電弧斷路器的硬件總框圖如圖1所示，控制芯片選擇的是AVR公司的ATmegal6，這是一塊典型的8位AVR單片機。

圖2是信號采集模塊的原理圖，電流互感器的電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，再經(jīng)過高通濾波器，將低頻率的信號去掉。經(jīng)過上述的幾個模塊的作用，電流信號就可以有一定選擇的傳過來了。但是，電流互感器的輸出電流較小，加上電阻的作用，過來的信號相對單片機的工作電壓還是比較小。故在后面設計一個放大電路。單片機要求的有效電壓是0-5V，而信號采集過的時候是一個零點上下都有的正弦波，要將波形整體移到零點以上，所以在信號進入單片機之前加一個整形電路。根據(jù)單片機的要求，電路用5V電源將電流波形拉上去。D6是一個二極管，起到對單片機的保護作用。而電容C14是一個濾波電容，它與R6構(gòu)成一個低通濾波器。這與前面的高通濾波器共同構(gòu)成一個帶通的濾波器。信號輸入單片機的A／D轉(zhuǎn)換端。

圖3是電壓比較器的電路原理圖，由于電弧的電流的特性都比較復雜，所以在軟件設計時，還要觀察其電壓波形的變化，用來判斷電流過零點的時刻，故我們又設計了一個電壓比較器的電路，并接到單片機的中斷管腳上。

3 軟件相關簡介

三周期法：微處理器通過用一種或多種算法處理儲存的電壓／脈沖數(shù)據(jù)而確定電弧事件的發(fā)生。圖4是其流程圖，此方法參考德州儀器公司的專利。

4 電弧斷路器的實驗分析

試驗平臺的電路結(jié)構(gòu)如圖5所示，包括供電電源，開關，負載，和數(shù)據(jù)采集設備。供電電源按照標準要求能夠提供220V交流的電壓。

電弧發(fā)生器是人工產(chǎn)生持續(xù)燃燒電弧的設備，是實驗中最重要的設備。將電弧發(fā)生器同各種負荷設備連接后，使電弧燃燒，就可以研究各種負荷狀態(tài)下的電弧特性。在有此實驗平臺的基礎上，我們共做了一組波形分析實驗，此實驗是：電爐子正常波形與電弧發(fā)生時的波形對比。如圖6，下面是具體的波形圖與分析。

圖6電爐子正常情況下的波形圖6中，①(過零點的正弦波)是實際的電流波形；②(不過零點的正弦波)是電流互感器傳過來的信號波形經(jīng)過了放大、整流等處理之后的波形，此波形是從R7與R6的連接點顯示出來的；③(方波)則是電壓比較器最終進入單片機時的波形(之后的波形位署與此圖一致，分別用①、②、③波形代替)。示波器下方的2、3、4分別給出了對應的波形的標度。顯然，2號藍色對應波形的標度是IV／格，可以看到，這個波形是在2．5V上下波動的，附合電路設計和單片機的要求。所以它可以做為輸入信號輸入單片機的A／D轉(zhuǎn)換管腳。再A／D轉(zhuǎn)換后，單片機將跟據(jù)軟件對其進行分析處理。3號紅色對應的波形的標度也是1V／格，電壓在0-4V之間，也附合單片機的要求?？梢宰鰹橥叫盘柺褂?。4號綠色則是通過電爐子的電流波形，其標度是2V／格，由圖可以看出，它處于正常用的工作狀態(tài)。在上個實驗的基礎上，將電弧發(fā)生器的接觸棒向外轉(zhuǎn)動，讓它形成電弧，觀察示波器中的波形，如圖7。很明顯，綠色的實際電流波形的零點附近形成了一個平臺。同時，從電流互感器的傳過來的電流信號與實際的電流一樣也形成了一個平臺。這個平臺是電弧電流波形的特征，可以據(jù)此來判斷電弧是否發(fā)生。

總結(jié)，電弧波形的普遍特性有：①電弧電流的幅值比正常電流的幅值略?。虎谀承┌胫懿ㄔ谶^零點附近存在一段電流為零的區(qū)間，即“平肩部”。整個實驗平臺設備齊全之后，將軟件程序傳到單片機內(nèi)，看一下各種算法的成功率如何。這里我們實際測試一種常用的軟件算法：經(jīng)過帶通濾波器技術(shù)與應用的三周期法。下面是我們做的幾組不同的三種負載的100次實驗，三種不同負載情況的，這種算法作用情況的統(tǒng)計結(jié)果見表l。

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對結(jié)果的分析：

三周期法(以后簡稱算法一)，我們在做實驗的過程中發(fā)現(xiàn)，算法一的動作靈敏度不是很高，當然可以通過軟件程序調(diào)解其閥值來改變其靈敏度，我們這里實驗的是在一個特定的閥值下進行的。在此閥值下，算法一的動作一般要在電弧發(fā)生之后的2s鐘左右才開始動作，而這種慢動作正好有效地防止了誤動作?？梢悦黠@從表中看出，算法一在這幾種負載下，都沒有發(fā)生誤動作的情況。從不同的負載的角度來看，電爐子負載時，94次是正確動作，6次沒有動作，正確動作率有94%；電熨斗負載時，是93次正確動作，7次沒有動作，正確動作率也是93%；而當電爐子和電熨斗復合負載時，卻只有76次正確動作，24次都沒有動作，正確動作率僅有76%。由此可以看出，算法一對于單個負載的發(fā)生電弧的情況的判斷是很準確的，而對于多負載，復合負載的情況，算法一就不是十分的準確了。最后從負載的不同縱向看，發(fā)現(xiàn)電爐子的負載情況下算法一可以解決，電熨斗負載的情況下算法一也可以解決，復合負載的情況下算法一可以解決，但是正常動作率確不是很高。由此可以看出，小電流單個負載發(fā)生電弧的情況比較容易解決，而當大電流和多負載時則需要進一步的實驗和研究。實際生活應用中還會有容性和感性負載，這些復雜的負載的電弧判斷更需要進一步的研究。

5 結(jié)論

(1)本文主要完成了4項任務：①對電弧的定義、分類以及特性進行了詳細的介紹；②完成了電弧斷路器的基本硬件電路的設計，其中包括單片機附屬電路、信號采集電路以及電壓比較器電路等；③搭建了電弧斷路器的實驗平臺，分別對電弧發(fā)生器和電弧斷路器的電路板進行了詳細的描述。并介紹了其使用方法；④依據(jù)實驗平臺方案，采用電爐子、電熨斗、臺燈等負載進行了電弧故障斷路器的實驗，包括故障電弧電流的數(shù)據(jù)采集、處理、算法驗證，實驗結(jié)果驗證了硬件電路設計的正確性，并初步證明了電弧判斷相關的軟件算法的可行性。

(2)改進措施與下一步工作展望。電弧檢測算法需要完善，用來區(qū)分負荷種類，然后再進行電弧特征識別。還可以將第三章中提到的第二種算法完善，進行相關實驗，并根據(jù)實驗結(jié)果進行調(diào)試。在兩種算法都有一定的成功率時，嘗試做一些兩種算法取“與”、“或”的關系得到最佳的正確動作率。由于電弧波形的復雜性，現(xiàn)存的算法或多或少都存在不同程度的缺陷?？梢酝ㄟ^對實驗數(shù)據(jù)的分析想出新的算法，更好地解決電弧判斷的問題。

[1]陳德桂．低壓電弧故障斷路器一種新型低壓保護電器[J]．西安交通大學學報，2007(1)．

[2]George D．Gregory,Gary Scott，“The Arc—Fault Circuit Interrupter：An Emerging Product”，IEEE，Tansactions on Industry APPlications，September／October l998．PP．928-933．

[3]趙淑敏．AFCI(故障電弧斷路器)的研制[碩士學位論文1．浙江大學，2007．

[4][CN 1746688A]德州儀器公司．檢測電弧故障的設備和方法．中國200510103736．2006．3．15．