基于LabVIEW的故障電弧發生裝置研制

寧 慶， 張 峰， 張士文

(上海交通大學電子信息與電氣工程學院，上海200240)

0 引言

電弧是低壓電路中常見卻易忽視的現象。在低壓配電網及家庭電路中，由線路老化、絕緣擊穿、接頭不緊等因素均可引起故障電弧。隨著用電負荷的持續增加，電路載荷加劇，故障電弧已成為電氣火災的主要原因。圍繞電弧的相關研究成為了熱點，理論層面的研究在上世紀90年代基本成熟［1-2］，但關于低壓故障電弧的相關檢測和抑制設備則是在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準》，并強制家庭臥室安裝電弧斷路設備(Arc Fault Circuit Interrupter，AFCI)。國內的相關研究在近年也成為熱點。在低壓電弧的各類研究中，能夠產生預設類型和個數的電弧是前提。然而，國內目前的實驗中，廣泛采用的還是手動拉弧的設備，既不能精確控制電弧間隙，也不能產生預設個數電弧，這對電弧理論的實驗研究不利，亦不利于AFCI產品的開發與檢測。本文介紹了一種基于LabVIEW軟件平臺的工頻低壓可控電弧發生裝置，使用高速數據采集卡對電弧信號進行采集和分析處理、提供控制交互指令，能夠達到產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，但當兩極之間施加足夠大的電壓時，可引起電流通過氣體產生氣體放電現象。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系曲線。可見氣體放電會有多種不同形式，最終曲線段所代表的為電弧，其特點是電流密度大，陰極電壓降較小。在相當低的電壓降，如幾十伏時電弧即可燃熾，而左側的輝光放電區則需要幾百伏。

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的特性(見圖2)，因此，每個工頻周期中電弧都有熄滅和復燃的過程各2次，即每半個周期產生一個電弧。從圖形上看，此段時間內電壓值產生跳變，而電流值非常接近于零，稱之為零休時間［6］。而這也將構成后續電弧定量產生的依據。

圖2 交流電弧電流、電壓波形

1.2 判據提取

實際應用中，產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，而且負載的不同對最后的波形也會產生很大影響。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保證足夠，這是后續研制中選取采樣設備的依據。

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］與人工神經網絡等方法［9-10］的應用。但從主動產生電弧的角度，可以免去從頻域上分析特征量，而選取較為簡單實用的判據［11］。這樣可以在線實時地判斷出電弧個數，控制后續的滅弧操作。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半周，即過零點。

2 系統構成與軟件算法

圍繞產生量化可控電弧的目的，在系統設計上形成以下幾點要求:①采集電弧通路上的電壓電流信號，通過數據采集卡傳入上位機，做后續分析;②在判斷出電弧發生的基礎上準確記數，產生預設數目的電弧;③根據電弧產生與否，發出步進電機驅動信號，并合理控制電弧間隙。

2.1 數據采集與硬件設計

可控電弧發生器的硬件平臺由電壓互感器、電流互感器、信號調理模塊、供電電源部分、數據采集卡、步進電機、繼電器和上位機等功能模塊組成，如圖3所示。

圖3 硬件平臺架構示意圖

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

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

根據UL1699標準對于電弧實驗裝置的要求設計了工頻低壓故障電弧發生器，其中移動觸頭為碳棒，固定觸頭為銅棒。

移動觸頭由步進電機帶動，為實現拉弧間隙的精確控制，裝置采用了57步雙極型電機。步距角1.8°，通過驅動電路的設計，采用細分驅動技術(最高16細分)，可以達到 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 實驗連線圖

精確產生預設個數的電弧是裝置研制的關鍵，除了在軟件上強調實時性，硬件上對指令的響應須做到延時盡可能短。當產生指定個數的電弧時，加在電極兩端的電壓應在10 ms內立即消失，如果發出指令使電機拉大間距熄弧，顯然無法滿足要求。如圖4所示，在電弧發生裝置中，與電極并聯上繼電器K2，確保從程序響應到繼電器動作在10 ms左右，其中，圖4中的K1、K2為繼電器，由數據采集卡發出指令開合，再通過軟件的優化，實現了電弧個數的精確控制。

2.2 LabVIEW虛擬儀器技術

傳統測量儀器常由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性。虛擬儀器技術是在通用計算機平臺上加裝軟件來仿真傳統測量設備，通過模塊化的I/O硬件設備來實現測量控制量的輸入輸出，從而能夠實現集成化、擴展性強。

軟件是虛擬儀器技術中重要的部分。本文采用的是NI(美國國家儀器公司)開發的LabVIEW語言來實現軟件部分的編寫。LabVIEW是一種用圖形化界面代替文本代碼創建應用程序的編程語言，集圖形化開發、調試、運行于一體。

本文的程序主要完成對電弧信號的采集、判斷以及輸出電機驅動信號，因此所使用的模塊除了最基本的循環、判斷等功能，還涉及到mathscript節點對步進電機的走步策略進行控制，DAQ Assistant子VI對電弧信號的采集以及對儀器中各關鍵繼電器以及步進電機驅動信號的控制。

2.3 基于圖形化編程的控制算法

上位機軟件采用LabVIEW語言編寫。程序本身應具備良好的人機交互界面，并包含控制步進電機、檢測電流電壓、判別電弧有無的基本功能。為后續試驗數據積累考慮，還應具有波形數據記錄的功能。

LabVIEW為數據流驅動程序，并非常規面向過程語言以控制流進行驅動［12］，可以保證多線程運行，這樣可以最大限度地保證程序的實時性。如圖5所示，該程序流程圖為指定產生預設個數電弧的程序結構，但在具體編程時，電機的控制程序與電流電壓的檢測判斷為獨立的子循環，確保不會因檢測數據的運算而滯后對電機的控制。

圖5 產生預設個數電弧的程序流程圖

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

圖6 電弧判斷循環

圖7 為步進電機控制循環，程序從電弧識別循環中獲取電弧有無的判斷，并結合電機電弧兩極的位置信息，給出電機驅動信號，使電弧間隙滿足要求。另有主界面設計及功能選擇程序(鑒于篇幅，略去)。

圖7 步進電機控制循環

3 可控發生裝置實驗與結果分析

本裝置的研制目的是提供量化可控故障電弧，其中包括預設個數電弧與預設弧隙距電弧，也可以為驗證AFCI產品提供試驗平臺。

針對本可控發生裝置的驗證性試驗采用230 V工頻電源，500 W電阻性負載。

3.1 產生預設個數電弧的實驗

調節電弧發生器功能，使之工作在產生設定個數電弧的模式下，可以精確產生電弧。以通常試驗常用的電弧個數為目標，試驗產生10、20個電弧的情況，結果如圖8和圖9所示。

圖8 產生10個電弧

圖9 產生20個電弧

3.2 產生預設弧隙距電弧的實驗

調節電弧發生器，使之工作在預設弧隙距的模式下，可以通過試驗初步研究和熟悉電弧的強度與弧隙距的關系［13］，結果如圖10～12所示。

圖10 0.04 mm弧隙距波形

圖11 0.06 mm弧隙距波形

實驗結果表明，在0.02～0.10 mm的弧隙區間內，均可有效產生電弧，而當距離拉大到0.12 mm時，電弧熄滅。從圖中可以看出，當弧隙大于0.04 mm時，出現明顯的零休時間，且隨著弧隙的增加，零休時間更長，當弧隙到達0.1 mm時，達到最大平均零休時間3.4 mm，電弧達到最大強度。

圖12 0.10 mm弧隙距波形

3.3 與AFCI產品配合的實驗

本裝置采用如圖4所示的電路，可以按照UL1699標準對AFCI產品進行不同的試驗。此時，應將電弧的預設個數設置為略大于標準中AFCI應動作的電弧數，以檢驗AFCI產品的動作特性。圖13是AFCI在該工作模式下的實驗波形圖，其中三通道線為AFCI內部控制主機發出的斷路信號，高電平觸發。一通道線為電流信號，從中可看到，在本試驗裝置產生9個電弧后，AFCI執行開路動作。因此，可以采用本試驗裝置檢測AFCI產品的性能。

圖13 接AFCI進行實驗的波形

4 結語

針對低壓故障電弧的研究現狀和需求，本文提出了實現量化可控交流故障電弧的方法，并研發了基于LabVIEW的故障電弧發生裝置，實現了產生預設個數的電弧及預設燃弧距離下產生電弧等基本目標。在與AFCI配合進行實驗時驗證了本裝置的可靠性與實用性。該裝置的研制為進一步進行電弧理論的實驗研究，以及開發故障電弧抑制裝置等提供了良好條件，具有明確的應用價值和廣闊的應用前景。

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