（电力系统及其自动化专业论文）afci（故障电弧断路器）的研制.pdf

浙江大学硕士学位论文 6 0 0 0 。软件主要包括信号采集、信号处理、故障检测和脱扣控制等模块。信号 采集包括信号同步采样和a d 变换，信号处理包括f f t 变换和电流参数计算， 故障检测是软件最重要的部分，包括电弧发现、电弧特征识别和漏电流检测。 文章的总结部分首先针对某具体的低压配电系统故障电弧波形的仿真，采 用本项目的电弧特征检测算法分析了仿真波形，证明了该策略的可行性。然后 总结了项目下一步可以改善的问题和措施，最后对未来a f c i 的发展趋势进行 了展望。 关键词：电弧故障保护，断路器，嵌入式系统，漏电流，数字信号处理 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a f c i ( a r cf a u l tc i r c u i ti n t e r r u p t e r ) i sad e v i c ei n t e n d e dt op r o t e c tt h ec i r c u i t a g a i n s tt h ea r cf a u l tt h a tm a yc a u s ef i r e w h e nt h e r ei sa na r cf a u l t t h es c a l eo ff a u l t c u r r e n ti sl o w e rt h a nt h ei n i t i a l i z a t i o no fm o s to ft h ep r o t e c t i o nd e v i c e sm s t a l l c di n t h el o w e r s h e n c ea f c it e c h n i q u ei sa ne f f e c t i v em e a n st od e t e c tt h ea r cf a u l t s u c c e s s f u l l ya n di n t e r r u p tt h ec i r c u i ti nt i m e b a s e do nt h e e x i s t i n gt e c h n o l o g yb a c k g r o u n d ，o u r r e s e a r c hi n c l u d e s e s t a b l i s h i n gt h ep l a t f o r mo fa r c i n ge x p e r i m e n t , d e s i g n i n gt h eh a r d w a r es y s t e mo f a f c ia n dw r i t i n gt h es o f t w a r es y s t e m o u rw o r kf o c u s e so nd e v e l o p i n gt h ea f c i f o rs i n g l e - p h a s e - a n d - l o w - v o l t a g e2 2 0 v a cd i s t r i b m i o ns y s t e m s ，w h i c hc a na c h i e v e t h ea u t o m a t i cd e t e c t i o no fa r cf a u l ta n dl e a k a g ec u r r e n tf a u l tt o p r o t e c tt h e c o n d u c t o r sa n dt h ee q u i p m e n t sa n de n s u r eh u m a n ss a f e t y t h i sp a p e rp r o v i d e st h ed e v e l o p m e n tb a c k g r o 吼d ，t h el a t e l ys t u d yw o r ka n dt h e f o r e g r o u n do f t h ea f c it e c h n o l o g y , t h e ni l l u s t r a t e st h ec h a r a c t e r i s t i c so fa r c ，h o w i ti g n i t e s ，a n dw h a tl o s si tm a yc a u s e ，s h o w st h eb a s i cs t r u c t u r eo fa f c ia n dt h e p r i m a r yp r i n c i p l e sw i t ht h a ta f c id e t e c ta r cf a u l t s e c o n d l ya l lt h er e s e a r c hw o r k so nt h i sp r o j e c ta l ei n t r o d u c e d ，i n c l u d i n gt h e p l a t f o r mo f a r c i n ge x p e r i m e n t h a r d w a r es y s t e ma n ds o f t w a r e n ep l a t f o r mo fa r c i n ge x p e r i m e n ti sc o m p o s e do ft h ea r cf a u l tg e n e r a t o ra n d t h ec u r r e n tm o n i t o r i n ga n ds a v i n gu n i t ，a n ds e v e r a ll o a d a p p l i a n c e s ，t h e n r e c o m m e n d st h ee x p e r i m e n t a lp r o c e s sa n dt h ei n s t r u c to ft h e e q u i p m e n t s n l e p u r p o s eo fa r c i n ge x p e r i m e n t si st og a i nc o n s i d e r a b l ea r c i n gc u r r e n td a t aa n d e s t a b l i s had a t a b a s ea st o1 0 0 kf o rt h ea r cf a u l tc h a r a c t e r i s t i c s t h eh a r d w a r eo ft h i sp r o j e c ti sa t y p i c a le m b e d d e ds y s t e m n ec p ue m p l o y e d i sam c uo f51s e r i e s as w i t c h i n gm o d ep o w e rs u p p l ym o d u l ep r o v i d e st h ep o w e r t ot h ed i g i t a lc o n t r o lc i r c u i t t h e nt h ep a p e ri l l u s t r a t e st h es i g n a li n p u tm o d u l e ，t h e s i g n a la m p l i f i c a t i o nm o d u l e ，a dc o n v e r s i o nc i r c u i ta n dt h et r i pi m p l e m e n td e v i c e - 3 浙江大学硕士学位论文 t h es o f t w a r ei s p r o g r a m m e dw i t hl a n g u a g e cu n d e rt h ew a v e6 0 0 0 c i r c u m s t a n c e ，w h i c ha p p l i e st h ecc o m p i l e ro fk e i lc t h ew h o l es e g m e n ti s c o n s t i t u t e db yt h ef o l l o w i n gp a r t s ：d a t as a m p l i n g ，t h ef u n c t i o no fa v e r a g ec u r r e n t c a l c u l a t i o n ，t h ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r m a t i o nf u n c t i o n , t h ea r cd e t c c f i o nf u n c t i o n ，t h e f u n c t i o no fa r cc h a r a c t e r i s t i cv e c t o rc a l c u l a t i o n ，o fw h i c ht h el a s tt h r e ep a r t sa r et h e m o s ti m p o r t a n t f i n a l l y ，i ti sc a r r i e dt h r o u g ht h a tt h em o d e l i n ga n dd e t e c t i o no fa r c i n gf a u l tf o r l o w e r - v o l t a g ep o w e rs y s t e m , w h i c hd e m o n s t r a t e st h a tt h ea l g o r i t h mo ft h e a r c c h a r a c t e r i s t i cv e c t o ri sf e a s i b l e t h e nt h ep a p e rs u m m a r i z e st h em e a s u r e st oi m p r o v e t h ep r o j e e ta n dd e s c r i b e st h ep r o s p e c to f t h ea f c i k e yw o r d s ：a r ef a u l tp r o t e c t i o n ，c i r c u i ti n t e r r u p t e r s ，e m b e d e ds y s t e m ， l e a k a g ec u r r e n t ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g 4 - 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 电弧故障保护的发展背景“2 1 随着我国电力事业的发展，单机发电容量不断增大，单台供电变压器容量也 相应增高，低压配电装置额定容量也随之提高( 额定电流可达4 6 k a ) 。由于新型 低压器件及附件不断出现，低压配电装置结构形式多样化，特别是单台装置的装 机密度不断提高。从9 0 年代开始，设计单位和用户对供电的可靠性和连续性及安 全性要求越来越高，而制造商也积极采取新工艺、新器件，不断提高配电产品的质 量。但是仍不可能避免低压配电装置中以短路形式表现出的电弧故障，由此所造 成的设备损坏和经济损失相当严重。德国科隆精密机械行业工伤事故保险联合会 编制的关于l k v 以下低压配电设备事故统计报告显示：1 9 9 1 年共发生4 9 0 起电气 事故，其中有2 4 8 起是由于电弧引起的，1 9 9 2 年这一数字有所下降，1 9 9 3 年却有所 上升。该联合会统计，1 9 8 4 1 9 9 1 年期间，低压成套开关设备电气事故引起人身伤 亡与电弧故障有关的2 3 5 起，与电弧故障无关的2 0 5 起，由电弧故障造成人员伤亡 的占5 0 以上。该联合会最新研究表明，近几年造成人身伤亡电气事故的数量几 乎保持不变，造成人身伤亡的电弧故障数目，从小型配电箱到目前最大的低压开 关设备也几乎是恒定的。 住宅内电气线路和设备，如：电气布线、插座、家用电器内部的电线或电器 的电源线等，由于长时间的过负荷运行，或者存在不良的电气连接等情况，使电 线的绝缘层出现老化，绝缘效果降低，或者绝缘层发生破损，都可能发生故障电 弧。电弧火花引燃线路造成火灾的发生。据测，仅略大于0 5 a 的电流产生的电弧 温度即可高达2 0 0 0 。c 一3 0 0 04 c ，足以引燃任何可燃物，而且电弧的维持电压低至 2 0 v 时仍可使电弧连续稳定存在，难以熄灭。这种短路电弧常成为电气火灾的点 火源。美国n e c ( n a t i o n a le l e c t r i c a lc o d e ) 估计约有4 0 的住宅火灾是由“电弧故障” 引起的。美国火灾保护协会的统计资料显示：电气问题是引起火灾的第二大元凶。 1 9 9 3 1 9 9 7 年间，4 1 ，2 0 0 次住宅火灾是由电气方面的原因引起的，电气火灾每年 造成3 3 6 人死亡，1 4 4 6 人受伤，直接损失达6 4 4 亿美元。故障电弧是电气火灾的 重要诱因之一。 浙江大学硕士学位论文 美国消费品安全协会( c p s c ) 和美国国家消防协会的众多资料显示，由电 弧导致的危险事件包括了火灾以及由此引起的死亡。有资料显示故障电弧是引发 我国的建筑火灾的主要原因之一。故障电弧会在住宅或商业电气系统的任何地方 发生，它能引发火灾，造成重大财产损失和严重人员伤亡。1 。 同时，以断路器和熔断器为基础的常规短路保护机构，原则上只能在短路容 量很小电网时，才能满足设备功能保护。一般说来，常规短路机构不能对电弧故障 进行全面的防护。 1 ) 故障电弧短路电流值低于上游断路保护设定值。如图1 1 所示，变压器进线断 路器保护值为( 1 0 2 0 ) l ，以避免变压器合闸时，因冲击电流过大，上游断 路器误脱扣而分闸。当至变压器输出端母线处发生电弧故障短路时，其短路 电流值小于上游断路器d l 脱扣值，d l 不能及时分闸造成严重的人身和设备事 故。 2 0 ) i n 图1 1 常规短路保护方案 2 ) 时间选择性短路保护。图1 2 是由一套主开关设备和分配电设备组成的低压供 电原理图。d 1 d 3 断路器正定脱扣时间分别为7 0 、1 2 0 、1 5 0 m s ，当低压主 开关母线处出现电弧故障短路时，预期短路电流i 枷1 ；3 3 k a ，短路路径r x 在0 1 5 0 2 ，根据这些参数，电弧故障短路电流i 。= 4 6 a 。要达到设备功 能保护要求时，其电弧分断总时间约7 m s 。很显然，在如此高的故障电弧短路 情况下，d 3 要延时1 5 0 m s 之后才分闸，对配电设备造成严重的破坏。由此看 出，常规的时间性选择短路保护不适合作为电弧故障短路保护。 浙江大学硕士学位论文 图1 2 时间选择性短路保护 3 ) 电流选择性短路保护。图1 3 中上级变压器为2 台1 6 m v a 变压器并联，馈电回路 用隔离开关和熔断器l = 6 3 0 a 作为短路保护，通过两条1 8 5 m m 。电缆并联， 馈电输出。电弧短路位置位于分配电设备的主母线上。表1 1 给出3 种馈电电 缆长度情况下，预期金属短路电流，。即) ，熔断器断开时间乙及在电弧故障情 况下，故障电弧短路电流，。及熔断器断开时间屯。之间关系。当电缆长度为 1 0 0 m f i l 寸，椰) = 2 7 3 k a ，t o = 3 m s 。允许的故障电弧总断开时间为2 0 m s 。但 是在具体的路径参数r x = 0 8 5 情况下，熔断器的熔断时间= 3 4 m s 。很 显然熔断器短路保护不能完全胜任设备功能保护任务。 图1 3 电流选择性短路保护 浙江大学硕士学位论文 表1 1 不同电缆长度情况下熔断器的熔断时间k 。 电缆长度，m 5 01 0 0l 卯 ( 3 l k a 4 1 22 7 32 0 2 t a m s 1 o3 06 0 r x o 6 3o 8 5o 9 7 ，甩b k a 2 0 61 2 89 1 t a l b m s 8 0 3 4 o7 3 o 上述三种常规短路保护不能对电弧故障进行全面保护的具体含义是：当发生 电弧短路故障时，由于故障上游断路器或保护机构的反应时间太慢，不能及时分 闸，达不到设备功能保护要求。 1 9 7 1 年美国国家电气法叫a t i o n a le l e c t r i c a lc o d e 简称n e c ) 要求工作电压超过 1 5 0 v , 一定额定电流等级以上的用户供电引入线全部安装接地故障保护。但是此 举并没有解决早期建筑和低于规定额定电流等级的系统所面临的危险，而且也不 能防止特定区域发生的电弧故障。 a f c i ( a r cf a u l tc i r c u i ti n t e r r u p t e r ) 技术是一项最新的电路保护技术，能 够提供故障电弧保护，其主要作用是为了在发生故障电弧时及时分断电路，发 生电弧故障时，负荷电流一般会很小，低于目前电力系统特别是低压配电领域 广泛安装的过电流保护的设定值，电弧故障不在保护得范围内。这个问题很早 就引起了学术界的关注，普遍认为，在电力线路安装电弧故障断路器是及时发 现电弧并切断电路，减小损失最有效的方法。 1 2 电弧故障保护的发展现状和前景 国外对于电弧的危害认识较早，对故障电弧检测的理论研究最早开始于上 世纪2 0 年代，相关的文献对故障电弧的特性、数学模型进行了深入的研究。 随着住宅由电弧引起的火灾造成的人员财产损失日益严重，为了较少家用 电气设备故障电弧引发的不安全因素，美国的全国电气条例( n e c ) 关于故障 电弧保护出台了一系列的强制性规定。2 0 0 2 全国电气条例( n e c ) 要求所有在 浙江大学硕士学位论文 卧室内安装的支路，都要安装法令列出的故障电弧断路器，以保护整条支路。 2 0 0 2 全国电气条例还要求单相，电源线加插头连接的室内空气调节器需要有工 厂安装的l c d i 和a f c i 保护装置。自2 0 0 4 年8 月1 日以后，在美国市场销售 的家用空调要求必须带具有a f c i 功能的电源插头。根据现有对美国国家火灾 防止委员会一全国电气条例的主要执法部门的提议，我们预计在今后几年内对 于a f c i 技术的应用会飞速增长。现有住宅应用需求会增加，新的应用，如a f c i 扩展电源线和安装在插头上的保护模块会出现。 随着国内对低压电气安全和电弧故障保护的重视程度逐渐提高，国家势必 也出台一些安装电弧保护设备的强制法规，a f c i 技术的应用前景巨大。 目前检测电弧的方法是检测电弧发出的强烈弧光，红外热能，电磁波，强 气压以及异常的电压电流特征，来识别电弧的存在。在国外得到广泛应用的a f c i 主要有以下两种： 1 ) 电子式a f c i 利用电弧故障情况下，电网电压和故障电流与正常电网电压和电流不同的 特性，进行电弧故障检测。电子式a f c i 的结构框图如图1 4 所示： 勺勺勺im 肌l 图1 4 电子式a f c i 原理图 首先，将电网电压或电流输入、变换放大、滤波。滤波器对信号的谐波进行 处理后输至脉冲成型器，将电压的突降信息变成脉冲，该脉冲经单稳态触发器后 形成恒定幅值、宽度不变的脉冲，输至积分器进行积分，至比较器，当积分器输出 幅值超过比较器的设定值，启动时序电路，在经延时后，发出脱扣信号，故障电弧 的上游断路器分闸。 浙江人学硕士学位论文 2 ) 弧光式a f c i ：原理如图1 5 所示： 图1 5 弧光式a f c i 系统原理图 它利用低压配电装置内设置的闪光探测器a 1 检测电弧故障所产生的特定 弧光的频谱输至电弧监控器f l l ，由t l 互感器检测的电弧短路电流经过f 2 1 电 流检测单元输至f 1 l 电弧监控器，f 1 1 将电弧故障弧光信号和短路电流信号进行 数据处理、判断，发出脱扣信号，使故障电弧的上游断路器分闸。生产此类产品 的公司和产品主要有美国a b b ，芬兰v a m p ，金钟一莫勒公司的a r c o n 系统 等。该类故障电弧保护系统在中国已有成品供应。 弧光式a f c i 主要应用于电力系统高中压配电柜的电弧防护，但是其价格 高昂，体积较大，且不适合安装在低压线路上，无法对住宅出口线路提供保护， 而电子式a f c i 产品的成本较低，体积较小，可以采用嵌入式系统实现硬件电 路和软件算法，集成在普通插座和断路器中。随着北美一些强制性的法令出台， 德州仪器等公司所推出的电子式a f c i 产品在民用建筑电气、汽车电气、飞机 电气等领域得到了应用。 但是在我国低压配电领域故障电弧防护技术的研究尚属空白，国内没有建 立起故障电弧的数据库，a f c i 的市场化生产还处于起步阶段。国内的一些厂家 生产的a f c i 成品，主要是面向北美出口的空调插头。国内外市场上针对低压 配电系统的a f c i 产品，都是针对1 2 0 v ，6 0 h z 的负荷设备开发的。因此，适 合于国内2 2 0 v a c ，5 0 h z 配电系统的a f c i 产品是一项崭新的技术。 1 3 本文主要研究内容 结合该课题，本论文主要完成以下工作： 1 ) 介绍了故障电弧断路器技术的发展现状和发展方向，提出了本课题的 浙江大学硕士学位论文 任务和意义； 2 ) 详细介绍了电弧的特性和电弧检测的基本原理； 3 ) 搭建了电弧试验平台，通过大量的电弧实验建立电弧数据库； 4 ) 针对国内低压2 2 0 v 交流单相配电系统，设计了系统的硬件电路，编写 c 语言软件； 5 ) 对系统的软硬件的设计思想和关键技术做了详细的介绍； 结合一个具体的配电系统进行了仿真，验证电弧检测算法； 7 ) 最后总结了项目的改进措施和a f c i 的发展趋势。 浙江大学硕士学位论文 第二章故障电弧检测 2 1 电弧的基本概念 电弧是两个电极之间跨越某种绝缘介质的持续放电现象，经常伴随着电极 的局部挥发“1 。典型的电弧是在阴、阳两极之间的空气间隔中形成的。电弧中 心温度一般为5 0 0 0 至1 5 0 0 0 摄氏度。电弧存在的区域会产生很高的电离气压， 导致电弧被局限的任何地方都会释放出高热气体和电极物质粒子“1 。 电力系统在正常工作时比如电机旋转和插拔开关也会有电弧发生，称为“好 弧”( g o o da r e ) 。这些电弧是瞬时性的，不会持续存在，也并不影响线路和 设备的正常工作，也不会引起火灾。所以发生“好弧”的情况下，通常认为线 路和设备是安全的，断路器如果认为发生了故障而断开电路，称为断路器误跳 闸( u n w a n t e d t r i p ) 。误跳闸影响设备正常运行，是需要避免的。 线路因为绝缘老化或者短路等原因而引起的预想外的线路电弧为故障电 弧，也称为“坏弧”( b a da r c ) ，分为以下三种类型； 1 、串联电弧 图2 1 串联电弧 图2 2 并联电弧 串联电弧如图2 1 所示，电弧仅在一条导线中燃烧。磨损的导线被外力拉 j j 浙江大学硕士学位论文 开或者插座和铰链触点连接发生松动所发生的故障电弧都属于串联电弧。串联 电弧故障电流由于受负载限制，不会超过导线的负荷。 2 、并联电弧 图2 2 所示的并联电弧是一种短路情况，当图钉刺穿电线绝缘层或金属板 切断其下面的电缆时发生的电弧都属于并联电弧。 某些文献还提到了第三种类型火线与地线并联的电弧，该类型在具有 地线的配电系统中有可能存在，其拓扑图与上面的并联电弧是相同的，都不与 负荷串联。鉴于该类型故障电弧的性质可以完全包含于并联电弧中，因此本文 采用串一并联的分类方法。 电弧电流a 图2 3 空气中电弧的温度 在空气中电弧的温度是非常高的，小电流的电弧温度能够达到大概6 0 0 0 k ， 而电流值越大，温度也越高，图2 3 清楚显示了两者的关系。虽然这些温度已 经远远达到了易燃物的燃烧点，但是并不意味着遇到电弧易燃物一定会燃烧。 电弧持续燃烧需要脆弱的能量平衡，所以当有固体物质阻拦了路径时，小电流 的电弧很容易熄灭。因此需要在一定的条件下，电弧才能持续燃烧，并引起火 灾。 浙江大学硕士学位论文 2 2 电弧的产生和燃烧”司 故障电弧的产生原因有很多，最主要的有以下三种： l 、绝缘碳化( 电弧路径) 即使在交流1 2 0 v 线路中，如果存在碳化传导路径，也可能引起持续电弧。 也称为“焦介电弧”。事实证明形成碳化路径的方法有很多种，在a f c i 测试 标准里使用的最简单的方法就是将两个电极放在电缆绝缘层上，对电极通以高 电压，就可以直接在电缆表面形成电弧。美国故障电弧断路器安全标准u l l 6 9 9 碳化路径有关章节采用的记为上述方法。另外一种方法结合了绝缘表面的潮湿 和污染物效应。该方法也叫做“潮湿路径”，飞机上采用芳香族聚酰亚胺绝缘 外皮的线路经常碰到“潮湿路径”引起的问题。潮湿和污染物的综合作用导致 绝缘表面有漏电流流通，逐渐形成碳化路径。 典型的碳化路径故障电弧过程是重复性、不规律的，但是通常按以下步骤 产生： 1 ) 初始电流形成一个碳化层。 2 ) 持续电流增加，直至电弧开始燃烧。 3 ) 电弧燃烧使金属熔化并释放出熔化物。 4 ) 一旦金属熔化物释放出，电流会下降。 5 ) 以碳化物质为介质持续流过电流，直到电流幅值再一次大幅度增加 2 、外界引起的空气电离 虽然空气的固有介电强度非常高( 通常为3 m v m ) ，但是空气如果被电离， 存较低能量下就会分解。两种电离空气的方法是燃烧和预电弧。如果配电母线 发生严重的电弧故障，会喷出大量的电离气体。这些电离气体会飞出一定距离， 如果遇到另外一个线路，很容易引起空气分解导致该线路发生电弧。而燃烧会 使空气的介电强度降低至0 11 m v m 。 火烧所引起的燃弧是火灾现场所遇到最普遍的电弧危险，燃烧会使绝缘碳 化，或空气电离，或者二者兼而有之。 3 、短路 短路分为两种形式：a 金属性短路，短路点是具有足够厚度的金属；b 电 弧性短路，最初的金属短路点没有持续存在，电流流经电弧。前者热量不局限 浙江大学硕士学位论文 于故障点，而是普遍分布于整个线路上。后者是由导体暂时性接触引发的，触 点周围的物质逐渐融化，磁场力趋向拉开接触的导线，液体桥也断开。导线分 开时，会伴随有弧光。发生电弧性短路后，较大直径的导体表面会有凹槽出现， 较小直径的导线可能完全切断。 发生金属性短路后，在任何燃烧发生前就会触发断路器断开电路。事实上， 金属性短路很难造成支路线路的火灾的。而一般的安装了2 0 a 及以下断路器或 保险丝的支线路，电弧性短路通常也很难引起火灾。但是在一些人为设计的实 验中，有短路引起的某些形式的并联电弧造成火灾的危险性极高。用对角切割 器切断电源线时，毛毯和纸张非常容易被喷发出来的铜线熔滴引燃发生火灾。 在这种情况下，短路电路感应的电磁力迫使导线分开，金属性短路存在很短时 间后转化为电弧性短路。用电锯切割通电的电线能够引燃附近热惰性较低的易 燃物。u l l 6 9 9 标准包括一项“铡刀”测试，要求在引燃目标放置一块棉布。该 测试模仿电锯故障的发生。 2 3 电弧的基本性质 电弧的电流和电压波形一般不是简单的正弦波性。经研究发现，并联电弧 的性质更具一般性，而串联电弧的性质受到负载类型的影响，特性较为复杂。 下面首先讨论故障电弧的普遍性质。 2 3 1 电弧的普遍特性 经过对大量电弧波形的研究，发现所有电弧都具有一些共同的特性“1 ： 1 1 电压和电流的波形包含有高频噪声。 2 1 沿电弧有电压降。 3 1 除有设备进行补偿的情况，由于沿电弧有电压降，对同一条线路的同一 点上电弧电流低于非电弧电流。 们电弧电流的上升速率一般高于正常电流。 5 1 电弧电流的每一个半周波都在正常电流的过零点前熄灭，在过零点后复 燃，在每半个周波形成一段几乎是平的零电流区域。把它命名为“平肩 部”。 浙江大学硕士学位论文 6 1 电压波形接近于矩形。 7 ) 电弧通常是散布于正常电流之间零星闪波。 图2 4 一般电弧的特性 从图2 4 中的电流电压波形，还可以看到其他一些电弧普遍特性，下面几 个章节将会详细介绍故障电弧的特性。 2 3 2 并联电弧的普遍特性 图2 57 5 安培并联电弧电流曲线 图2 5 表示的是用金属刀片切断n m b 型电缆产生的平行电弧，引起电弧 连接的断路故障，断开点的短路电流为7 5 a 。从图中可以得到电弧电流的特点 包括： 1 ) 电流幅值小于理想状况 浙江大学硕士学位论文 2 1 高频闪络 3 ) 电流曲线有“平肩部”的存在 4 ) 上升的幅度在某些部分比理想状况陡峭 我们可以注意到：没有两个半周波的波形是相同的；在波形某些局部，可 以看到更为明显的电弧的特征。既然电弧是由切断电缆引起的，发生电弧之前 是没有正常电流来让检测装置找到电流的变化的。换句话说，检测装置必须在 没有正常电流做参照的条件下识别出电弧电流的特性。这种情况下的特性确切， a f c i 可以识别电弧。 图2 6 是完全相同的电路和条件下进行第二次实验所记录的波形，它与图 2 5 的波形不同，也不存在高频闪络，但是其他的特点是相同的，这说明电弧的 概率特性和电弧保护的检测装置为了能够检测到电弧的产生并与正常负荷区分 开，需要同时得到多个特征证实电弧的存在。 图2 67 5 a 的并联电弧电流曲线二 2 3 3 串联电弧的普遍性质 发生串联电弧时，我们可以观察到电流变小，同时受负荷本身的影响出现 异常的波形。为了能够检测与负荷串联的电弧，研究电弧发生前后波形的变化 与研究电弧的性质同样重要。 检测电弧一正常电流的差异最容易的，但是发生故障电弧时前后两个半周波 也会变化，如果没有同正常电流相比较，会被认为检测到电弧。一些负荷具有 非常类似于故障电弧的特征。因此对于这些情况，需要检测若干个半周波直到 1 9 - 浙江大学硕士学位论文 确定存在电弧的概率比较大。以图2 7 - 2 1 0 为例，故障电弧同正常电弧时存在 相当大的差异的，但是肉眼一般很难发现，必须通过高精确度分析才能辨别。 1 ) 真空吸尘器 图2 7 真空吸尘器的电弧电流曲线 图2 7 表示的真空吸尘器的通用电机运转时电线发生串联电弧时的电流波 形。可以注意到以下特征： a 存在平肩部份 b 峰值有变化 c 电流增长速率有变化 虽然电弧发生前后波形非常相似，但是可以辨别出电弧的特征。 2 1 个人计算机 图2 8 个人计算机的电弧电流曲线 浙江大学硕士学位论文 图2 8 是个人计算机开启后的电弧电流曲线图。开关电源正常工作时具有 异常的波形，表现出很多故障电弧的特征。但是，通过某些特征能够区分真正 的电弧和与正常波形。 a 电流幅值变化很大 b 振幅不稳定 c 电流脉冲偶尔会发生缺失 d 增强的高频抖动 3 ) 调光器 图2 91 0 0 0 w 调光器电弧电流曲线 图2 9 表示的是1 0 0 0 瓦调光器，它的正常波形和故障电弧波形非常类似。 我们可以看到，二者之间的电流幅度确定不同，电弧电流持续时间不时变化， 含有高频分量。检测调光器负载的故障电弧需要较长的时间。 4 ) 压缩机 图2 1 0 压缩机的电弧电流曲线 图2 1 0 表示的是压缩机电弧曲线，正常一故障电弧电流波形具有更加类似 浙江大学硕士学位论文 的性质，高频抖动和幅值变化都不是明确的区别依据。故障电弧能够作为检测 特征的有： a 幅值的变化 b 增加速率变化 c 平肩部的存在 2 4 a f t i 的基本结构 基于以上所描述的电弧的性质，故障电路保护的原理如下：对线路的电流 和电压信号进行不间断的监测，通过信号的分析，辨别电弧的特征。检测电路 需要得到一系列的信号特性或者信号的变化证据证明电弧可能存在。当证据充 足时，就可以判断电弧存在并输出信号使a f c i 断路器开断m 。 电弧故障检 互感器 图2 1 l 典型a f c i 的检测配置 典型的a f c i 的配置如图2 1 l 所示，一般由信号输入模块，信号处理模块， 脱扣执行模块等部分构成。信号输入一般采用电流电压互感器，经过放大、滤 波后，采样信号进入检测跳闸电路，经过信号处理，判断，当证明发生了电弧 时，跳闸模块向串联在线路中的a f c i 常闭触点发送脱扣信号，使触电断开保 护电路。 2 5 电弧信号的检测 电弧具有概率特性，并不是持续不变的，许多负载的特性与串联电弧相似， 浙江大学硕士学位论文 因此，电弧保护的检测装置为了能够检测到电弧的产生并与正常负荷区分开， 需要同时得到多个证据证明电弧存在的概率很高而正常负荷的概率很低，这个 非常重要。需要计算的电参量通常包括频率、电流有效值、电流平均值、以及 谐波分量。 电流有效值i 的定义为： ，= 据肛 ( 2 - 1 ) 将连续的时间信号砸) 离散化，在每一周期内取点采样，则： ，= 后墓t 2 训 电流的平均值的定义为： 。- 亭e 础 ( 2 - 3 ) 离散后为： 7 = 专篓t 。：一。， 在测量电参量时，需要对交流电信号进行同步采样，这需要实时测量和跟 踪系统频率。本项目采用的是以硬件电路为主的硬件测量方法。通过同步采样 电路将电压信号转换为同频率的方波信号，由方波信号的上升沿和下降沿触发 c p u 的定时器中断，c p u 通过测量相邻两个中断间的时间间隔来求取电压信号 的周期，以此得到系统的频率。具体的电路设计将在第四章相关部分介绍。 谐波分量的计算通常采用的数字信号处理方法是傅里叶变换方法( f o u r i e r t r a n s f o r m a t i o n ) ，它架起了时间域和频率域之间的桥梁。采样信号通过傅里叶 变换，可以从频域角度分析信号特性。 2 5 1 离散傅立叶变换d f t 州帕 对于一个周期为t l ( f l = 1 厂r 1 ) 的连续非正弦波形x ( f ) ，当满足狄里赫利条 件时( 电力系统中大多数波形均满足) ，可分解成傅里叶三角级数 浙江大学硕士学位论文 x ( t ) = c o 十【s i n ( 蛔f + 纯) 】 - l ( 2 - 5 ) 或者写成石( r ) = a 0 1 2 + e ( 口 c o s h q t + b hs i n h a v ) ( 2 - 6 ) ，l 式中 q = 2 厅彳，z 为工频频率；a h ，b 。是傅立叶级数的余弦项和正弦项系数；c 。为厅次谐波幅值 易得h 次谐波的幅值和相位角： c 、= 、lc l + b 嚣她 o ) ( 2 - 7 ) 妒 = t g - a 争h + 1 8 0 , ，( 玩 f 。v ，1 02 1 一。，二。，。f - 5 1n 采样周期 图3 1 5 ( a ) 空压机电流有效值分布曲线 图3 1 5 ( b ) 空压机电流峰值分布曲线 电流 浙江大学硕士学位论文 | 乜 流 图3 1 5 ( e ) 空压机电流平均值分布曲线 ( 趋势线l 5 分别为：正常电流，故障电流，启动过程电流第1 、2 、3 组) 图3 1 5 为空压机正常电流、故障电弧和启动电流参量的分布曲线，趋势线 1 - 5 分别为正常电流，故障电流，启动过程电流第l 、2 、3 组。a 、b 、c 分别为 有效值、峰值和平均值，不仅可以证明上述结论，还可以看出电弧电流的有效 值小于正常电流，各个参量前后周期变化很大，分布曲线呈不规则波浪状，而 正常电流的参量分布近似为一条直线。启动电流有效值和峰值平稳递减至正常 值，过渡时间为7 至8 个周期。 ii ，电弧；，正常i 一一o i 一一一一一一p 一一一一一一一一一一一- 一一一一 x l _ j i j l 一一一l 一一一一j 一一一一一一l 一一一一 、j | ； ， 以一 ： ， l 一 一一一一一一+ 一一一一一一一一一一一一一。一r “一。1 一一一一一f 一一一一一一 汀、 - 斗、二一 一 二二 一 土 一 一 谐波分量次数 图3 1 6 空压机正常和电弧电流的谐波特征向量 空压机正常电流和电弧电流的谐波特征向量如图3 1 6 所示。 3 4 3 计算机 计算机的正常电流波形如图3 1 7 所示。空压机正常电流畸变程度非常严重， ， o 浙江大学硕士学位论文 各个周期的波形和幅度恒定。电弧电流波形如图3 1 8 所示，电弧开始燃烧以后， 与正常的电流相比，具有以下这些特征： 1 ) 有高倍尖峰，电流峰值变化剧烈； 2 ) 更多的电流变化率为零“平肩部”； 3 ) 某些周波的波形是不完整的，只有正半周或负半周。 媛 脚 1 0 8 e 4 2 蟋。 脚- 2 _ 6 - 8 1 0 图3 1 7 计算机正常电流波形 ：j v m ”f r 奸m i r 脚 针i _ _ _ _ 卜譬：p ：硅l _-_ i_i _ 0 4 o s 0 6 o 7 0 , 8 时间，s 图3 1 8 计算机的电弧电流波形 5 2 - 浙江大学硕士学位论文 煺 脚 图 3 1 9 计算机的启动电流波形 计算机启动电流波形如图3 1 9 所示。开机瞬间电流幅值约为正常负荷电流 的1 5 倍，暂态过程结束后减小至平稳值，然后分阶段逐渐增加。与故障电弧 电流相比，启动电流具有以下特征： 1 ) 电流幅值逐渐分阶段变化，前后周期插值较小，不会剧烈波动； 2 ) 波形完整； 3 ) 没有尖峰。 采样周期 图3 2 0 ( a ) 计算机电流和电弧有效值的分布曲线 2 8 6 4 2 l 8 6 4 2 o l l l l 0 o 0 o 电流a 浙江大学硕士学位论文 电 流 图3 2 0 ( b ) 计算机电流峰值的分布曲线 u 口 0 4 0 3 1 0 2 lh 0 1 0入，、| 0 m 入n _ j】 l + 系列1 0 1 i 、j 、一 帮x 一甄二 罚一五7 不i 易 2 j + 系列2 - 0 2 v vy l + 系列3 一o 3 - 0 4 l j 0 5 l ne 采样周期 图3 2 0 ( e ) 计算机平均值的分布曲线 ( 趋势线1 3 分别为：正常电流，故障电流，启动电流) 图3 2 0 分别为计算机正常电流、故障电弧和启动电流参量的分布曲线，趋 势线卜3 分别为正常电流，故障电流，启动过程电流。a 、b 、c 分别为有效值、 峰值和平均值，可以看出电弧电流的有效值和峰值大于正常电流，各个参量波 动剧烈，而正常电流的参量分布近似为一条直线。启动电流有效值和峰值暂态 浙江大学硕士学位论文 过程结束后平稳变化至正常值，过渡时间为7 至8 个周期。正常电流和启动电 流的平均值接近零。 谐波分量次数 图3 2 1 计算机正常和电弧电流的谐波特征向量 图3 2 l 为计算机正常和电弧电流的谐波特征向量。 经过以上分析，我们可以看出，各个负荷设备的电弧故障电流的特性和正 常电流的特性存在差别，并且可以与启动电流相区别。以上数据分析结果可以 为检测电弧提供依据，应用于a f c i 的软件编写当中。 浙江大学硕士学位论文 4 1 概述 第四章a f o l 的硬件设计 图4 1a f c i 硬件总体框图 本项目设计研制的故障电弧断路器的硬件总体框图如图4 1 所示。整个系 统是个非常典型的嵌入式系统。实现的功能除故障电弧保护功能，还兼顾了漏 电流保护。就整体而言，输入量有线电流互感器和零序电流互感器经一定比例 采样得到的电流幅值，电压互感器和同步信号电路转换的线路电压方波脉冲， 复位按键和测试按键，输出量有脱扣开关和状态指示。m c u 采用w i n b o n d 公 司的8 位控制：卷片7 8 e 5 1 6 ，这是一块典型的m c s 5 1 芯片，非常适合用于工业 控制。作为此嵌入式系统的c p u ，7 8 e 5 1 6 需要处理中断响应、数据处理，并发 出脱扣控制信号等功能。 本系统将负载线电流和零序电流作为处理对象，当线电流信号经处理后的 特征向量符合预设定的故障电弧电流的特征量之一时，系统即认定发生了故障 电弧；当零序电流超过了设定的电流幅值门限时，系统会认为发生了漏电流， 这两种情况系统都会发出脱扣信号，断开电路。 4 2 单片机系统 单片机即微控制器( m c u ) 自1 9 7 6 年由i n t e l 公司推出m c s - 4 8 开始，经过 二十多年的发展，凭借其集成度高、功能强、可靠性高、体积小、功耗低、使 用方便、价格低廉等一系列优点渗入到人们工作和生活的各个角落i 引。 图4 2 单片机最小系统 本系统使用的7 8 e 5 1 6 是m c s 5 1 系列芯片。图4 2 为该单片机实际使用的 最小系统，包括芯片、外接晶振、复位设计、电源。 浙江大学硕士学位论文 4 。3 供电电源模块 嵌入式系统的电源通常的两种方案：一种是搭建电路进行变压整流滤波稳 压，另外一种是使用集成化的开关电源模块。由于前者必须用变压器进行变压， 体积过大，需要稳压和滤波电路，而开关电源模块的体积较小，稳定性较高， 并且可实现系统设计的模块化。 考虑到本系统的单片机对电源的要求较高，但是整个电路的功率较小，本 系统的直流电源采用深圳安时捷电子有限公司所生产的a n s j 高频电源模块 a c d ch a w 3 2 2 0 d 0 5 ，士5 v 双路输出，每路输出电流3 0 0 m a ，宽范围输入，具有 自恢复，过流、过热和短路保护能力，输入与输出高隔离，体积小，输出稳定。 图4 3a n s j 高频电源模块 图4 4 电源模块电路原理图 该电源模块的典型性能指标：