蘆 波 于榮波

（北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，中國(guó) 北京100042）

0 概述

煤礦火災(zāi)事故分析證明，電纜芯線(xiàn)接頭被氧化或松脫造成接觸不良，致使連接處導(dǎo)電面積減小、接觸電阻增大，引起局部過(guò)載導(dǎo)致發(fā)熱著火點(diǎn)燃可燃物，是引起電氣火災(zāi)的原因之一，這種現(xiàn)象銅鋁接頭更易發(fā)生。目前煤礦井下普遍采用的用于對(duì)煤電鉆供電線(xiàn)路的故障進(jìn)行保護(hù)的煤電鉆綜合保護(hù)裝置采用了載頻檢測(cè)技術(shù)，其原理是載頻信號(hào)檢測(cè)網(wǎng)路阻抗，能有效的檢測(cè)并聯(lián)短路電弧電流引起的網(wǎng)路阻抗變化，并及時(shí)切斷電源，但對(duì)串聯(lián)電弧電流卻無(wú)法檢測(cè)。

人們發(fā)現(xiàn)造成電纜芯線(xiàn)連接處接觸不良的原因很多，但造成煤電鉆供電線(xiàn)路電纜芯線(xiàn)連接處接觸不良的原因主要是煤礦井下煤電鉆的工作場(chǎng)所一般處于風(fēng)道死角，處于高溫高濕環(huán)境，空氣中的CO2等酸性氣體濃度較高，導(dǎo)線(xiàn)與接線(xiàn)端子聯(lián)結(jié)處極易被氧化銹蝕而松脫，致使導(dǎo)電面積減小、接觸電阻變大，電弧參與導(dǎo)電，引起局部過(guò)載導(dǎo)致發(fā)熱著火點(diǎn)燃電纜或可燃性氣體。手持式煤電鉆乃移動(dòng)負(fù)載，為其供電的電纜經(jīng)常被卡在煤巖的夾縫中，被用力拉扯后芯線(xiàn)會(huì)出現(xiàn)斷絲現(xiàn)象，更有時(shí)被掉落的煤巖砸傷產(chǎn)生斷絲放電的電弧導(dǎo)電現(xiàn)象。由于起初的電弧性發(fā)熱電流很小且具有隨機(jī)性，不能靠現(xiàn)有過(guò)載保護(hù)電路檢測(cè)到并切斷電源。

目前采用低壓串聯(lián)故障電弧檢測(cè)技術(shù)的電弧故障斷路器AFCI(Arc Fault Circuit Interrupter)已在一些歐美發(fā)達(dá)國(guó)家使用，被用于航天器、家用電器等易產(chǎn)生故障電弧而引發(fā)火災(zāi)的用電場(chǎng)所。目前我國(guó)對(duì)故障電弧檢測(cè)還處于研究階段，故障電弧檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)還在制定中。

1 手持式電鉆負(fù)載線(xiàn)路故障電弧電流的特點(diǎn)

圖1

圖a)與圖b)對(duì)比，與正常工作電流相比無(wú)明顯變化，但交流過(guò)零區(qū)變化較大，波形出現(xiàn)了毛刺——高次諧波；交流過(guò)零區(qū)過(guò)后的電流變化率無(wú)明顯變化。

如何選擇正確的數(shù)學(xué)算法對(duì)采樣信號(hào)中是否存在故障信號(hào)進(jìn)行判斷，根據(jù)不同性質(zhì)的負(fù)載可以有不同的方法。

2 現(xiàn)有電流采樣故障電弧檢測(cè)方法

1）建立電弧模型，并通過(guò)檢測(cè)相應(yīng)的參量來(lái)檢測(cè)電弧，可區(qū)分正常電弧與故障電弧。由于這種方法受不同負(fù)載影響等條件限制，檢測(cè)參數(shù)過(guò)多，電路復(fù)雜，所以該方法僅停留在仿真階段。

2）檢測(cè)電弧發(fā)生時(shí)，電流、電壓波形突變時(shí)的特征。

①小波變換：一種窗口大小固定，形狀可變、頻率和時(shí)間可變的時(shí)頻局部化分析方法。此種方法可以反映電流信號(hào)突變的時(shí)刻和大小，綜合分析后判定故障電弧的產(chǎn)生，但此法不能區(qū)分干擾信號(hào)。

②周期差別算法：可區(qū)分故障電弧和重復(fù)或連續(xù)變化的干擾信號(hào)。即

周期電流差別信號(hào)：Di=｜In-1+In+1-2In｜ （1）

式中，In-1表示于第一周期所測(cè)量的線(xiàn)電流數(shù)值；In表示于第二周期所測(cè)量的線(xiàn)電流數(shù)值；In+1表示第三周期所測(cè)量的線(xiàn)電流數(shù)值。通過(guò)式（1）計(jì)算得到周期電流差別信號(hào)值Di，確定Di是否超過(guò)所設(shè)定的閾值。其中的閾值是經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)測(cè)試所得到，不同負(fù)載應(yīng)設(shè)定不同閾值，以達(dá)到準(zhǔn)確精密的檢測(cè)和降低誤判率。當(dāng)Di超過(guò)此閾值達(dá)到規(guī)定次數(shù)的情況下就認(rèn)為檢測(cè)到電弧故障，裝置起動(dòng)保護(hù)動(dòng)作將電路斷開(kāi)。

對(duì)于電鉆負(fù)載，其波形與正常工作電流相比無(wú)明顯變化,只是交流過(guò)零區(qū)變大,還需要在每個(gè)電壓半周期內(nèi)所發(fā)生的由于電弧導(dǎo)致的高次諧波變化的差別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，才能做出精準(zhǔn)判斷，減少保護(hù)誤動(dòng)作情況。

③諧波分量相對(duì)變化系數(shù)算法

圖2

圖2為手電鉆的故障電弧電流與正常電流諧波分量相對(duì)變化系數(shù)。從圖中可以看到諧波相對(duì)畸變程度最為明顯的前4次諧波分別是2、4、6、8次諧波。

設(shè)定同一負(fù)載下正常電流的k次諧波分量為p'k，電弧電流的k次諧波分量p''k，有公式（2）dk=p''k/p'k（2）其中，k=1,2,3,…,m，p'k為正常電流平均諧波分量，p''k為電弧電流平均諧波分量。

這里dk為k次電弧電流諧波分量相對(duì)于k次正常電流諧波分量的值，可以稱(chēng)之為諧波分量相對(duì)變化系數(shù)。dk能很好的表示出當(dāng)電路中發(fā)生故障電弧時(shí)，負(fù)載電流的各次諧波的畸變程度。畸變程度越大，說(shuō)明故障電弧對(duì)線(xiàn)路的影響越大，可以作為識(shí)別故障電弧的依據(jù)，但此種方法難于排除重復(fù)變化的干擾信號(hào)。

3 高次諧波周期差別算法

高次諧波周期差別信號(hào)：Hi=｜dk-1+dk+1-2dk｜ （3）

式中，dk-1表示于第一周期的線(xiàn)電流諧波分量相對(duì)變化系數(shù)值；dk表示于第二一周期的線(xiàn)電流諧波分量相對(duì)變化系數(shù)值；dk+1表示第三周期的線(xiàn)電流諧波分量相對(duì)變化系數(shù)值。

通過(guò)式（3）計(jì)算得到諧波電流變化周期差別信號(hào)值Hi，確定Hi是否超過(guò)所設(shè)定的閾值。其中的閾值是經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)測(cè)試所得到。當(dāng)di超過(guò)此閾值達(dá)到規(guī)定次數(shù)的情況下就認(rèn)為檢測(cè)到電弧故障，裝置起動(dòng)保護(hù)動(dòng)作將電路斷開(kāi)。

由于電弧的混沌性質(zhì)，發(fā)生電弧故障時(shí)一般每個(gè)線(xiàn)電壓半周期產(chǎn)生可變幅值和頻率的毛刺——高次諧波信號(hào)。而重復(fù)或連續(xù)變化的干擾信號(hào)每電壓半周期內(nèi)發(fā)生的高頻信號(hào)幅值和頻率基本一致且發(fā)生的時(shí)刻基本相同，具有周期性的特點(diǎn)，但故障電弧則具有非常大的隨機(jī)性，這一特點(diǎn)就可以通過(guò)諧波變化周期差別算法檢測(cè)出干擾信號(hào)還是電弧故障信號(hào)。具體可在采樣信號(hào)送入單片機(jī)之前，加入高通濾波環(huán)節(jié)。

與其他檢測(cè)方法的相比，高次諧波周期差別算法檢測(cè)故障電弧的方法用于煤電鉆綜合保護(hù)裝置，其優(yōu)點(diǎn)在于：

1）可消除作為半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件的（如固態(tài)繼電器中的雙向可控硅）在交流正負(fù)半周過(guò)零時(shí)產(chǎn)生的截止區(qū)與故障電弧交流過(guò)零區(qū)特點(diǎn)相似對(duì)故障電弧判定產(chǎn)生的影響；

2）可消除煤電鉆綜合保護(hù)中短路保護(hù)的載頻信號(hào)對(duì)故障電弧檢測(cè)產(chǎn)生的影響；

3）可消除連續(xù)的干擾信號(hào)對(duì)故障電弧檢測(cè)產(chǎn)生的影響。

4 美國(guó)UL1699標(biāo)準(zhǔn)

美國(guó)UL1699標(biāo)準(zhǔn)是規(guī)范AFCI的，發(fā)布于上世紀(jì)90年代，用以識(shí)別由110v線(xiàn)路過(guò)電流產(chǎn)生的電弧而造成的家庭火災(zāi)。傳統(tǒng)的斷路器可以對(duì)過(guò)電流提供保護(hù)，然而研究發(fā)現(xiàn)在沒(méi)有過(guò)電流發(fā)生的情況下，由小電流引起的故障電弧也有足夠的能量引發(fā)打火從而引起火災(zāi)。

根據(jù)UL1699標(biāo)準(zhǔn)，在A(yíng)C線(xiàn)路上，當(dāng)AFCI在0.5s內(nèi)檢測(cè)到8個(gè)半周期的故障電弧，斷路器執(zhí)行脫扣動(dòng)作，切斷供電線(xiàn)路，脫扣時(shí)間應(yīng)小于0.2s。

5 結(jié)語(yǔ)

在國(guó)內(nèi)針對(duì)故障電弧的判定標(biāo)準(zhǔn)未出臺(tái)之際，可參照美國(guó)UL1699標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)127v煤電鉆綜合保護(hù)裝置增加串聯(lián)故障電弧保護(hù)功能。具體可將電流采樣信號(hào)經(jīng)高通濾波，放大后送入單片機(jī)，應(yīng)用高次諧波周期差別算法進(jìn)行判斷，若在0.5s內(nèi)檢測(cè)到8個(gè)半周期的電流相信號(hào)值高于所設(shè)定得閥值，單片機(jī)輸出端發(fā)出斷電指令，執(zhí)行機(jī)構(gòu)在0.2s內(nèi)動(dòng)作，切斷主電路。

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