寧 慶， 張 峰， 張士文

(上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海200240)

0 引言

電弧是低壓電路中常見卻易忽視的現(xiàn)象。在低壓配電網(wǎng)及家庭電路中，由線路老化、絕緣擊穿、接頭不緊等因素均可引起故障電弧。隨著用電負(fù)荷的持續(xù)增加，電路載荷加劇，故障電弧已成為電氣火災(zāi)的主要原因。圍繞電弧的相關(guān)研究成為了熱點(diǎn)，理論層面的研究在上世紀(jì)90年代基本成熟［1-2］，但關(guān)于低壓故障電弧的相關(guān)檢測和抑制設(shè)備則是在Gregory［3-4］之后開始興起的，隨后美國推出了UL1699［5］《電弧故障斷路裝置安全標(biāo)準(zhǔn)》，并強(qiáng)制家庭臥室安裝電弧斷路設(shè)備(Arc Fault Circuit Interrupter，AFCI)。國內(nèi)的相關(guān)研究在近年也成為熱點(diǎn)。在低壓電弧的各類研究中，能夠產(chǎn)生預(yù)設(shè)類型和個數(shù)的電弧是前提。然而，國內(nèi)目前的實(shí)驗(yàn)中，廣泛采用的還是手動拉弧的設(shè)備，既不能精確控制電弧間隙，也不能產(chǎn)生預(yù)設(shè)個數(shù)電弧，這對電弧理論的實(shí)驗(yàn)研究不利，亦不利于AFCI產(chǎn)品的開發(fā)與檢測。本文介紹了一種基于LabVIEW軟件平臺的工頻低壓可控電弧發(fā)生裝置，使用高速數(shù)據(jù)采集卡對電弧信號進(jìn)行采集和分析處理、提供控制交互指令，能夠達(dá)到產(chǎn)生量化可控電弧的目的。

1 電特性分析與判別

1.1 交流電弧物理特性分析

正常情況下，氣體具有良好的電氣絕緣性，但當(dāng)兩極之間施加足夠大的電壓時，可引起電流通過氣體產(chǎn)生氣體放電現(xiàn)象。電弧就是氣體放電的一種形式。從所施加的電壓來看，可以分為直流電弧和交流電弧。圖1所示為電壓不斷增加時氣體放電的各個階段電流與電壓的關(guān)系曲線?？梢姎怏w放電會有多種不同形式，最終曲線段所代表的為電弧，其特點(diǎn)是電流密度大，陰極電壓降較小。在相當(dāng)?shù)偷碾妷航?，如幾十伏時電弧即可燃熾，而左側(cè)的輝光放電區(qū)則需要幾百伏。

圖1 氣體放電的靜伏安特性曲線

與直流電壓不同，交流電壓在每個半周期都有過零點(diǎn)的特性(見圖2)，因此，每個工頻周期中電弧都有熄滅和復(fù)燃的過程各2次，即每半個周期產(chǎn)生一個電弧。從圖形上看，此段時間內(nèi)電壓值產(chǎn)生跳變，而電流值非常接近于零，稱之為零休時間［6］。而這也將構(gòu)成后續(xù)電弧定量產(chǎn)生的依據(jù)。

圖2 交流電弧電流、電壓波形

1.2 判據(jù)提取

實(shí)際應(yīng)用中，產(chǎn)生電弧時的電壓波形與電流波形不僅與溫度、濕度、電流大小等有關(guān)，而且負(fù)載的不同對最后的波形也會產(chǎn)生很大影響。電壓波形的頻譜中，600 Hz以下具有較多能量分布，可見其波形變化十分劇烈。采集波形的采樣率應(yīng)保證足夠，這是后續(xù)研制中選取采樣設(shè)備的依據(jù)。

檢測和判別故障電弧的難度較大，近年來涉及到小波變換［7-8］與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法［9-10］的應(yīng)用。但從主動產(chǎn)生電弧的角度，可以免去從頻域上分析特征量，而選取較為簡單實(shí)用的判據(jù)［11］。這樣可以在線實(shí)時地判斷出電弧個數(shù)，控制后續(xù)的滅弧操作。從圖2可看出，交流工頻下，①電弧電流存在零休時間;②電弧電壓波形一定會存在正負(fù)半周，即過零點(diǎn)。

2 系統(tǒng)構(gòu)成與軟件算法

圍繞產(chǎn)生量化可控電弧的目的，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上形成以下幾點(diǎn)要求:①采集電弧通路上的電壓電流信號，通過數(shù)據(jù)采集卡傳入上位機(jī)，做后續(xù)分析;②在判斷出電弧發(fā)生的基礎(chǔ)上準(zhǔn)確記數(shù)，產(chǎn)生預(yù)設(shè)數(shù)目的電弧;③根據(jù)電弧產(chǎn)生與否，發(fā)出步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動信號，并合理控制電弧間隙。

2.1 數(shù)據(jù)采集與硬件設(shè)計(jì)

可控電弧發(fā)生器的硬件平臺由電壓互感器、電流互感器、信號調(diào)理模塊、供電電源部分、數(shù)據(jù)采集卡、步進(jìn)電機(jī)、繼電器和上位機(jī)等功能模塊組成，如圖3所示。

圖3 硬件平臺架構(gòu)示意圖

由于電弧電壓與電流中有較多的高頻分量，對數(shù)據(jù)采集中的精度要求較高，因此本研發(fā)裝置采用了NI公司的高速數(shù)據(jù)采集卡 DAQ 6259，可以提供1.25 MS/s單通道采樣率，2路模擬輸出，48路數(shù)字 I/O。采樣率和輸入輸出通道數(shù)均符合要求，且系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠。

繼電器的選取主要考慮其動作響應(yīng)時間，以及最大可通過電流。我國工頻半個周波的時間為10 ms，因此應(yīng)選取同級響應(yīng)時間的繼電器，本裝置選擇Omron G8P-1A4P-DC12型繼電器，可以滿足要求。

根據(jù)UL1699標(biāo)準(zhǔn)對于電弧實(shí)驗(yàn)裝置的要求設(shè)計(jì)了工頻低壓故障電弧發(fā)生器，其中移動觸頭為碳棒，固定觸頭為銅棒。

移動觸頭由步進(jìn)電機(jī)帶動，為實(shí)現(xiàn)拉弧間隙的精確控制，裝置采用了57步雙極型電機(jī)。步距角1.8°，通過驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)，采用細(xì)分驅(qū)動技術(shù)(最高16細(xì)分)，可以達(dá)到 1.8°/16=0.112 5°每步的精度。由于絲桿的螺距為0.5 mm，從距離上看，每步精度0.156 μm，可滿足弧隙距精確控制的要求。

圖4 實(shí)驗(yàn)連線圖

精確產(chǎn)生預(yù)設(shè)個數(shù)的電弧是裝置研制的關(guān)鍵，除了在軟件上強(qiáng)調(diào)實(shí)時性，硬件上對指令的響應(yīng)須做到延時盡可能短。當(dāng)產(chǎn)生指定個數(shù)的電弧時，加在電極兩端的電壓應(yīng)在10 ms內(nèi)立即消失，如果發(fā)出指令使電機(jī)拉大間距熄弧，顯然無法滿足要求。如圖4所示，在電弧發(fā)生裝置中，與電極并聯(lián)上繼電器K2，確保從程序響應(yīng)到繼電器動作在10 ms左右，其中，圖4中的K1、K2為繼電器，由數(shù)據(jù)采集卡發(fā)出指令開合，再通過軟件的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了電弧個數(shù)的精確控制。

2.2 LabVIEW虛擬儀器技術(shù)

傳統(tǒng)測量儀器常由3大功能模塊組成，即信號采集與控制、信號分析與處理、結(jié)果顯示輸出。這些功能模塊高度硬件化，因此缺乏靈活性與適應(yīng)性。虛擬儀器技術(shù)是在通用計(jì)算機(jī)平臺上加裝軟件來仿真?zhèn)鹘y(tǒng)測量設(shè)備，通過模塊化的I/O硬件設(shè)備來實(shí)現(xiàn)測量控制量的輸入輸出，從而能夠?qū)崿F(xiàn)集成化、擴(kuò)展性強(qiáng)。

軟件是虛擬儀器技術(shù)中重要的部分。本文采用的是NI(美國國家儀器公司)開發(fā)的LabVIEW語言來實(shí)現(xiàn)軟件部分的編寫。LabVIEW是一種用圖形化界面代替文本代碼創(chuàng)建應(yīng)用程序的編程語言，集圖形化開發(fā)、調(diào)試、運(yùn)行于一體。

本文的程序主要完成對電弧信號的采集、判斷以及輸出電機(jī)驅(qū)動信號，因此所使用的模塊除了最基本的循環(huán)、判斷等功能，還涉及到mathscript節(jié)點(diǎn)對步進(jìn)電機(jī)的走步策略進(jìn)行控制，DAQ Assistant子VI對電弧信號的采集以及對儀器中各關(guān)鍵繼電器以及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動信號的控制。

2.3 基于圖形化編程的控制算法

上位機(jī)軟件采用LabVIEW語言編寫。程序本身應(yīng)具備良好的人機(jī)交互界面，并包含控制步進(jìn)電機(jī)、檢測電流電壓、判別電弧有無的基本功能。為后續(xù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)積累考慮，還應(yīng)具有波形數(shù)據(jù)記錄的功能。

LabVIEW為數(shù)據(jù)流驅(qū)動程序，并非常規(guī)面向過程語言以控制流進(jìn)行驅(qū)動［12］，可以保證多線程運(yùn)行，這樣可以最大限度地保證程序的實(shí)時性。如圖5所示，該程序流程圖為指定產(chǎn)生預(yù)設(shè)個數(shù)電弧的程序結(jié)構(gòu)，但在具體編程時，電機(jī)的控制程序與電流電壓的檢測判斷為獨(dú)立的子循環(huán)，確保不會因檢測數(shù)據(jù)的運(yùn)算而滯后對電機(jī)的控制。

圖5 產(chǎn)生預(yù)設(shè)個數(shù)電弧的程序流程圖

圖6 為電弧識別判斷循環(huán)，將前一步保存下的電壓電流信息進(jìn)行分析，基于電壓過零點(diǎn)且跳變的特性和電流信息綜合判斷有無電弧產(chǎn)生。

圖6 電弧判斷循環(huán)

圖7 為步進(jìn)電機(jī)控制循環(huán)，程序從電弧識別循環(huán)中獲取電弧有無的判斷，并結(jié)合電機(jī)電弧兩極的位置信息，給出電機(jī)驅(qū)動信號，使電弧間隙滿足要求。另有主界面設(shè)計(jì)及功能選擇程序(鑒于篇幅，略去)。

圖7 步進(jìn)電機(jī)控制循環(huán)

3 可控發(fā)生裝置實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

本裝置的研制目的是提供量化可控故障電弧，其中包括預(yù)設(shè)個數(shù)電弧與預(yù)設(shè)弧隙距電弧，也可以為驗(yàn)證AFCI產(chǎn)品提供試驗(yàn)平臺。

針對本可控發(fā)生裝置的驗(yàn)證性試驗(yàn)采用230 V工頻電源，500 W電阻性負(fù)載。

3.1 產(chǎn)生預(yù)設(shè)個數(shù)電弧的實(shí)驗(yàn)

調(diào)節(jié)電弧發(fā)生器功能，使之工作在產(chǎn)生設(shè)定個數(shù)電弧的模式下，可以精確產(chǎn)生電弧。以通常試驗(yàn)常用的電弧個數(shù)為目標(biāo)，試驗(yàn)產(chǎn)生10、20個電弧的情況，結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖8 產(chǎn)生10個電弧

圖9 產(chǎn)生20個電弧

3.2 產(chǎn)生預(yù)設(shè)弧隙距電弧的實(shí)驗(yàn)

調(diào)節(jié)電弧發(fā)生器，使之工作在預(yù)設(shè)弧隙距的模式下，可以通過試驗(yàn)初步研究和熟悉電弧的強(qiáng)度與弧隙距的關(guān)系［13］，結(jié)果如圖10～12所示。

圖10 0.04 mm弧隙距波形

圖11 0.06 mm弧隙距波形

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在0.02～0.10 mm的弧隙區(qū)間內(nèi)，均可有效產(chǎn)生電弧，而當(dāng)距離拉大到0.12 mm時，電弧熄滅。從圖中可以看出，當(dāng)弧隙大于0.04 mm時，出現(xiàn)明顯的零休時間，且隨著弧隙的增加，零休時間更長，當(dāng)弧隙到達(dá)0.1 mm時，達(dá)到最大平均零休時間3.4 mm，電弧達(dá)到最大強(qiáng)度。

圖12 0.10 mm弧隙距波形

3.3 與AFCI產(chǎn)品配合的實(shí)驗(yàn)

本裝置采用如圖4所示的電路，可以按照UL1699標(biāo)準(zhǔn)對AFCI產(chǎn)品進(jìn)行不同的試驗(yàn)。此時，應(yīng)將電弧的預(yù)設(shè)個數(shù)設(shè)置為略大于標(biāo)準(zhǔn)中AFCI應(yīng)動作的電弧數(shù)，以檢驗(yàn)AFCI產(chǎn)品的動作特性。圖13是AFCI在該工作模式下的實(shí)驗(yàn)波形圖，其中三通道線為AFCI內(nèi)部控制主機(jī)發(fā)出的斷路信號，高電平觸發(fā)。一通道線為電流信號，從中可看到，在本試驗(yàn)裝置產(chǎn)生9個電弧后，AFCI執(zhí)行開路動作。因此，可以采用本試驗(yàn)裝置檢測AFCI產(chǎn)品的性能。

圖13 接AFCI進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的波形

4 結(jié)語

針對低壓故障電弧的研究現(xiàn)狀和需求，本文提出了實(shí)現(xiàn)量化可控交流故障電弧的方法，并研發(fā)了基于LabVIEW的故障電弧發(fā)生裝置，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)生預(yù)設(shè)個數(shù)的電弧及預(yù)設(shè)燃弧距離下產(chǎn)生電弧等基本目標(biāo)。在與AFCI配合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時驗(yàn)證了本裝置的可靠性與實(shí)用性。該裝置的研制為進(jìn)一步進(jìn)行電弧理論的實(shí)驗(yàn)研究，以及開發(fā)故障電弧抑制裝置等提供了良好條件，具有明確的應(yīng)用價值和廣闊的應(yīng)用前景。

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