劉易

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京），北京 100083）

故障電弧探測(cè)及保護(hù)裝置的研究與開發(fā)

劉易

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京），北京 100083）

故障電弧是電氣火災(zāi)發(fā)生的主要誘因之一，而傳統(tǒng)保護(hù)開關(guān)卻無(wú)法識(shí)別故障電弧的發(fā)生。故障電弧探測(cè)及保護(hù)裝置能夠及時(shí)檢測(cè)出線路中出現(xiàn)的故障電弧，從而消除線路中絕大部分由此而引發(fā)的火災(zāi)。對(duì)故障電弧的特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，根據(jù)這些特性，確定了故障電弧探測(cè)器的檢測(cè)方法，并進(jìn)行了硬件和軟件的設(shè)計(jì)。此外，對(duì)研制的故障電弧探測(cè)器進(jìn)行了測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，故障電弧檢測(cè)的準(zhǔn)確率達(dá)到99%，主要性能指標(biāo)滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 31143—2014的要求。

故障電??；火災(zāi)；伏安特性；可燃物

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，各類電氣設(shè)備已被普遍應(yīng)用到人們生活的方方面面。房屋或其他場(chǎng)所的設(shè)備和電氣線路，比如插座、各種設(shè)備的電源線以及家用電器內(nèi)部的線路等，因?yàn)殚L(zhǎng)期的過(guò)負(fù)荷工作或存在接觸不良等情況，使得電線的絕緣層破損或出現(xiàn)老化現(xiàn)象，這些情況都有可能產(chǎn)生故障電弧，而故障電弧會(huì)引起電氣火災(zāi)。各種相關(guān)研究表明，故障電弧電流大小在2～10 A的范圍內(nèi)就可以產(chǎn)生2 000～4 000℃的局部高溫，足可以使任何可燃物燃燒。故障電弧探測(cè)器，能夠在早期檢測(cè)出線路中絕大部分的電氣火災(zāi)隱患。

1 故障電弧的特性與檢測(cè)方法

1.1 故障電弧特性的實(shí)驗(yàn)分析

故障電弧電學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)分析：將80 Ω/400 W的變阻器作為負(fù)載，由AC220 V/50 Hz的交流電源對(duì)故障電弧模擬發(fā)生器及負(fù)載供電。當(dāng)試驗(yàn)線路正常工作時(shí)，利用示波器記錄此時(shí)電弧發(fā)生裝置兩端的電壓電流波形。

由電弧發(fā)生裝置兩端的電壓電流波形可以看出：①電壓和電流波形具有高頻噪聲。②產(chǎn)生故障電弧時(shí)電壓、電流幅值均降低。③電流變化的斜率比不發(fā)生故障電弧時(shí)大。④故障電弧的起弧特性。在電流波形過(guò)零點(diǎn)前一小段時(shí)間內(nèi)熄滅，在過(guò)零點(diǎn)后一小段時(shí)間內(nèi)再次燃弧，所以，在過(guò)零點(diǎn)附近就出現(xiàn)了一段近似平坦的波形，將其稱為肩平部分。⑤故障電弧的產(chǎn)生具有隨機(jī)性。

1.2 檢測(cè)算法

針對(duì)高次諧波設(shè)計(jì)了帶通濾波器；針對(duì)電流有效值減小進(jìn)行了AD采樣，并與閾值比較；針對(duì)電流斜率增大，設(shè)定了閾值并比較；針對(duì)平肩特性，通過(guò)檢測(cè)采樣電流信號(hào)一個(gè)周期平肩點(diǎn)的個(gè)數(shù)，超過(guò)所設(shè)定的閾值時(shí)判斷為故障電?。会槍?duì)隨機(jī)性，采用了三周期算法。

2 故障電弧探測(cè)及保護(hù)裝置的硬件設(shè)計(jì)

2.1 方案設(shè)計(jì)

故障電弧探測(cè)器的硬件設(shè)計(jì)為：整個(gè)系統(tǒng)是個(gè)非常典型的嵌入式系統(tǒng)，以TI公司的DSP芯片TMS320F28035為控制核心，其速度快、成本低，完全能滿足系統(tǒng)要求。具體的工作原理如下。

通過(guò)DSP28035對(duì)線路中的電壓電流進(jìn)行AD快速采樣，并判斷是否具有故障電弧的特征。如果滿足故障電弧的特征，即被認(rèn)定為故障電弧開始計(jì)數(shù)，當(dāng)在1 s內(nèi)累計(jì)出現(xiàn)了8個(gè)故障電弧信號(hào)時(shí)，則立即啟動(dòng)脫扣機(jī)構(gòu)觸發(fā)微型斷路器跳閘切斷電源，以防止電氣火災(zāi)的發(fā)生。

2.2 微控制器的選型

TMS320F28035是TI公司2009年推出的C2000系列的DSP控制芯片，具有以下特點(diǎn)：①3.3 V單電源供電，哈佛總線（Harvard）架構(gòu)；②多達(dá)45個(gè)復(fù)用通用輸入輸出（GPIO）引腳，3個(gè)32位CPU定時(shí)器；③片載存儲(chǔ)器：閃存、SRAM、OTP、引導(dǎo)ROM。

2.3 電源電路

將AC220 V/50 Hz的交流電源經(jīng)過(guò)變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換成+5 V、+3.3 V的供電電壓。其中，VCC為3.3 V，給DSP及其相關(guān)電路供電；5 V給部分模擬電路供電，這部分電路主要是一個(gè)帶通濾波器。

2.4 信號(hào)處理電路

雙路變壓器的二次側(cè)繞組（9～10）用于交流輸入電壓的檢測(cè)，先將交流電壓整流成脈動(dòng)的直流（電容C1只是濾掉高頻分量），經(jīng)電阻R2、R3分壓后，送給調(diào)理電路（U3A及其附屬電阻電容元件），最終變成0～3 V的電壓，送至DSP的AD端。

2.5 帶通濾波器電路

交流故障電弧的頻率范圍約為1.66～19.8 kHz，據(jù)此設(shè)計(jì)帶通濾波器，由低通濾波器和高通濾波器組成。高通濾波器允許輸入信號(hào)中高于截止頻率的高頻或直流分量通過(guò)，抑制低頻分量；低通濾波器允許輸入信號(hào)中低于截止頻率的低頻或直流分量通過(guò)，抑制高頻分量。

2.6 繼電器控制電路

采用NPN型三極管來(lái)驅(qū)動(dòng)繼電器。當(dāng)IO口輸出由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，三極管由飽和狀態(tài)變?yōu)榻刂?，這樣繼電器電感線圈中的電流沒(méi)有通路釋放能量。如果不加續(xù)流二極管D，則電感線圈兩端將會(huì)產(chǎn)生很大的反向電動(dòng)勢(shì)，極性為下正上負(fù)，這個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)加上5 V電源電壓足以擊穿三極管。

2.7 過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)電路

U3B及其附屬電路構(gòu)成一個(gè)比較器，目的在于輸入給DSP一個(gè)方波信號(hào)，從而檢測(cè)故障電弧電壓信號(hào)的過(guò)零點(diǎn)，所采用的運(yùn)放是MCP6002。如果采集到的電壓大于比較值，則運(yùn)放輸出低電平；如果采集到的電壓小于比較值，則運(yùn)放輸出高電平。

3 故障電弧探測(cè)及保護(hù)裝置的軟件設(shè)計(jì)

故障電弧探測(cè)及保護(hù)裝置的軟件設(shè)計(jì)以硬件為基礎(chǔ)，使用C語(yǔ)言編寫，所有子程序都使用模塊化編程，便于以后的軟件升級(jí)和調(diào)用。為了實(shí)現(xiàn)故障電弧檢測(cè)功能，軟件設(shè)計(jì)包括信號(hào)采集、信號(hào)處理、故障檢測(cè)和脫扣控制等部分。

故障電弧特征檢測(cè)子程序，程序代碼如下：

tca=Get_abs_value（vn0，vn2）+Get_abs_value（vn2，vn1）；

tca1=Get_abs_value（vn1，vn0）；

tca=Get_abs_value（tca，tca1）；

如果半周期存在電弧脈沖（cycle_pulse_num〉0），則執(zhí)行脈沖相位判斷函數(shù)Arc_PulsePhase_Judge（）。如果滿足條件，則電弧事件加1；進(jìn)行均方根值的TCA值判斷，如果maxvalue1＞25，則電弧事件加1；進(jìn)行平肩特征判斷，如果滿足條件，則電弧事件加1。電弧事件累加的具體程序代碼如下：

Acr_event++；

if（Acr_event〉=15）

Acr_event=15；

Acr_count_avl[Acr_event]=cmp1_count；

write_Acr_pt++；

if（write_Acr_pt〉=（Acr_count_avl+15））

{

int_val（）；

}

Maxcycle_count++；

當(dāng)滿足以下兩個(gè)條件中的任意一個(gè)時(shí)，則判定發(fā)生了故障電?。孩俅嬖诟哳l脈沖（State1）、滿足相位特征（State6）、滿足平肩特征（State2）；②存在高頻脈沖（State1）、滿足相位特征（State6）、滿足三周期特征（State4）。

4 故障電弧探測(cè)器的試驗(yàn)

將研制出來(lái)的故障電弧探測(cè)及保護(hù)裝置接入負(fù)載抑制性試驗(yàn)線路中，進(jìn)行測(cè)試，具體結(jié)果如下。

4.1 負(fù)載為純電阻

當(dāng)線路正常工作時(shí)，AFDD不發(fā)生誤動(dòng)作；當(dāng)發(fā)生電弧故障時(shí)，AFDD的斷開時(shí)間為0.208 4 s，滿足規(guī)定的AFDD分?jǐn)鄷r(shí)間極限值的要求，斷開時(shí)間如圖1所示。

圖1 負(fù)載為變阻器時(shí)AFDD的斷開時(shí)間

4.2 負(fù)載為熒光燈

當(dāng)線路正常工作時(shí)，AFDD不發(fā)生誤動(dòng)作；當(dāng)發(fā)生電弧故障時(shí)，AFDD的斷開時(shí)間為0.128 0 s，滿足規(guī)定的AFDD分?jǐn)鄷r(shí)間極限值的要求。

4.3 負(fù)載為鹵素?zé)?/h3>

當(dāng)試驗(yàn)線路正常工作時(shí)，AFDD不發(fā)生誤動(dòng)作；當(dāng)發(fā)生電弧故障時(shí)，AFDD的斷開時(shí)間為0.289 0 s，滿足規(guī)定的AFDD分?jǐn)鄷r(shí)間極限值的要求，斷開時(shí)間如圖2所示。

圖2 負(fù)載為鹵素?zé)魰r(shí)AFDD的斷開時(shí)間

4.4 負(fù)載為吸塵器

當(dāng)試驗(yàn)線路正常工作時(shí)，AFDD不發(fā)生誤動(dòng)作；當(dāng)發(fā)生電弧故障時(shí)，AFDD的斷開時(shí)間為0.122 6 s，滿足規(guī)定的AFDD分?jǐn)鄷r(shí)間極限值的要求，斷開時(shí)間如圖3所示。

經(jīng)過(guò)測(cè)試，研制出來(lái)的故障電弧探測(cè)及保護(hù)裝置滿足GB 31143—2014中的條款9.9.4.2，以及其他條款規(guī)定的要求，能夠準(zhǔn)確地識(shí)別出故障電弧，同時(shí)不發(fā)生誤動(dòng)作。

圖3 負(fù)載為真空吸塵器時(shí)AFDD的斷開時(shí)間

5 主要成果及結(jié)論

本項(xiàng)目根據(jù)故障電弧發(fā)生時(shí)表現(xiàn)出的多種特性研制了一款220 V/32A的故障電弧探測(cè)及保護(hù)裝置，并搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)真空吸塵器、電動(dòng)機(jī)、熒光燈、電鉆等抑制性負(fù)載進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本裝置準(zhǔn)確率達(dá)99%，無(wú)誤判，動(dòng)作時(shí)間符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，是一款高可靠性、高準(zhǔn)確率、低成本的故障電弧探測(cè)及保護(hù)置，能夠?yàn)楣收想娀√綔y(cè)及保護(hù)裝置的大面積推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，從而為降低因故障電弧而引起的電氣火災(zāi)的發(fā)生概率起到促進(jìn)作用。

［1］盧其威，王聰，程紅，等.電弧故障斷路器及故障電弧的辨別［J］.電氣應(yīng)用，2009（24）.

TM501

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.20.115

2095－6835（2017）20－0115－03

〔編輯：張思楠〕