虛擬儀器在低壓電弧故障斷路器研制中的應用分析

摘 要：虛擬儀器在低壓電弧故障斷路器的研制主要分為數據采集裝置和信號發生器兩部分，前者基于USB9203，后者基于USB9263。運用基于labview的虛擬平臺采集電弧故障信號，并經由信號轉換在發出，對于低壓電弧故障斷路器的檢測能起到良好的效果。

關鍵詞：虛擬儀器；電弧故障斷路器；數據；信號

中圖分類號：TM561 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 16-0000-02

隨著我國電力事業的快速發展，相關工業領域也呈現出迅猛的發展勢頭，其中家電類和電子類產品極大改善了人們的工作和生活水平。但是，由于電子產品的廣泛使用而引發的火災事故也呈現出增長的勢頭，給人們的生活和社會造成了不小的經濟損失。據有關數據統計，我國近幾年的電氣火災占火災總比例的25%左右，已經躍升為世界第一位。在電氣所引發的火災中，電弧故障是多發且最危險的。因為，低壓線路中所引發的各種故障中，電弧故障通常能形成較大的點火能量，從而引起火災，并且如果電流增大，還可能引起上萬度的高溫，這遠比常見可燃物的著火點高的多得多。電弧故障斷路器能夠有效監控電弧的工作狀態，及時對故障的發生做出快速的響應，從而提高電路的安全度。

傳統的斷路器裝置只能在短路容量相對較小的線路中保護設備的正常運轉。但是當電弧故障時，電流達到高值時，傳統的斷路器裝置有效值設計就不能防止電路的短路和漏電等情況，從而無法起到保護電路的作用。國外的學者在上世紀90年代就已注意到了傳統斷路器的弊端，并研制出世界上第一個電弧故障短路裝置。由于，國外對故障電弧的研究起步較早，所以對相關領域的研究已經比較深入，但我國對這方面的研究雖已引起一定的關注，但還相對比較欠缺。因而，為了能夠更好地掌握故障電弧的原理與特性，引進一個能夠采集到高精確度數據的設備顯得極為重要。

檢測電弧故障短路裝置是否高效、準確的運作，國外已經研發出了許多測試儀器，如sure test電路分析儀。該分析儀具有操作十分簡便，可以模擬真實的電弧故障。但是對sure test電路分析儀發出的信號進行分析，發現其信號過于單一，不能描述電弧故障的場景。我們可以利用軟件開發平臺建立一個數據庫，根據不同的電弧特征形成各種不同的波形圖。為了能夠研究適用于我國國情的電弧故障保護技術，本研究根據美國UL1699標準進行實驗；其次，通過虛擬儀器進行數據采集并進行分析，得到典型故障電流波形；最后，在虛擬儀器上將典型電弧故障發出，以檢測電弧故障短路裝置。

一、虛擬儀器和labview

虛擬儀器是計算機技術發展的產物，它是計算機通過軟件編程將實際的儀器進行虛擬化以實現實際儀器的功能。虛擬儀器在操作性、性價比、智能化等方面都大大超過傳統儀器。人們可以通過人機交互界面進行測試，虛擬儀器的核心技術就是labview一種軟件開發平臺，虛擬儀器與外部電路的聯接是通過板卡完成的。虛擬儀器的工作原理見圖1：

圖1 虛擬儀器工作原理

Labview采用G語言，使用各種圖形、圖標等編程，它由兩部分組成：一是程序面板，是面向工程師開發各種虛擬儀器的；二是前面板，是用戶進行操作的。工程師根據客戶的實際需求而開發虛擬儀器，使用戶能夠在一個非常簡便、美觀的平臺上進行操作，而用戶不需要知道儀器是如何運作的，只要通過前面板上的功能鍵進行操作就可以方便的使用。

如圖所示，板卡與電腦相連，外部電路的波形采集必須通過板卡才能傳輸至電腦，同樣，電腦發生波形也需通過板卡才能影響外部電路，板卡起到了一個橋梁的作用。如外部電路的信號是以模擬信號的方式進行傳輸，板卡采集到信號后，進行轉換使之成為數字信號并傳送給虛擬儀器進行分析、處理等操作。板卡由數據采集板和數據發生板兩個模塊構成。數據采集板以USB9203模塊為例，該模塊具有8個輸入通道且都受到過壓保護，能夠對信號進行掃描、采樣等操作。USB9203的采樣率可以達到200KHz，單級電流范圍可控制在0～20mA，雙極的電流范圍在可控制在-20mA～+20mA，可以實現多通道采樣。數據發生板以USB9263模塊為例，該模塊總共擁有4個輸出通道且每個通道都有一個數模轉換器，輸出電壓的范圍是-10V～+10V，電流驅動為-1mA～+1mA。

傳統實驗用來采集數據的是一種新型的電能質量測量裝置，該裝置操作繁復且采樣率低，這就要求實驗進行中操作與數據采集的配合度要非常之高，否則很容易出現麻煩。而與之相比，虛擬儀器具有采樣率高、操作簡便、精度高等優點。虛擬儀器將吻合度很高的數據樣本采集并存儲于電腦里，這樣可以為研究提供更多、更好的樣本。

二、labview在電路系統中的應用

隨著labview技術的發展，它所實現的功能也日益強大，虛擬儀器也得到了更為廣泛的應用。虛擬儀器廣泛應用于電力系統領域中的系統測量、控制等方面，如新型電子設備的研發和調適等。采用虛擬儀器可以實現傳統儀器所不易實現的復雜操作，有效縮短研發周期和降低開發成本。目前，國內學者關于labview在各行業的電路系統中的應用研究有張曉春、汪祥兵等基于labview的微機保護裝置培訓系統的開發，該系統的實現有著極佳的擴展性與性價比；有鄒正華、劉永強等設計的基于DPS和labview的分布式電能質量檢測裝置，其利用labview平臺實現了各種管理軟件功能，能夠對一個變電站的電壓狀態實施全方位的監控；有榮雅君、劉琳等設計的基于labview的四邊形阻抗繼電器，經過測試，該設計具有界面友好、實時監控、穩定性高、性價比高等優點；有莊宗輝、薛毓強的labview在柴油發電機組并聯運行控制系統中的應用研究等。

三、數據采集和電弧故障短路裝置檢測

（一）數據采集

本研究的供電電壓為220V，50Hz。電弧發生裝置參照UL1699標準由固定和移動電極共同組成。電極棒的兩端分別是銅棒和石墨棒。當電路完全閉合時，可以通過移動石墨棒來產生電弧。由于本研究采用的電壓220V條件下所產生的電弧故障電流是安培級，但是數據采集卡卻只能采集20mA的電流，這就需要進行電流信號的轉換，然后再進行還原處理。具體流程如下：首先進行界面設置（采樣率、通道、存儲位置等），啟動DAQmx，驅動USB9203。其次，開啟電弧實驗，信號調整并采集數據，然后對數據進行分析處理，最后將數據進行存儲。由于虛擬儀器基于計算機技術，操作極其便利且能夠存儲海量的數據信息，因此，我們會采集故障波形和正常波形進行對比分析，并將數據保存。

（二）電弧故障短路裝置檢測

研究過程中采集到的數據量非常大，而波形是用于檢測電弧故障斷路器，需要對存儲下來的大量波形數據進行處理，提取出那些電弧特征與正常波形特征明顯不同的數據進行分類，并將采集到的數據轉換成USB9263標準的數據。為了便于比對，要將正常的電流數據整理成和故障電流一樣的長度。使用USB9263可以作為比較理想的電壓源，但是它只能發出-10V～+10V的電壓波形，容易受到外界信號的干擾，無法直接用電弧故障短路裝置進行檢測。因此，需要引入一個功率放大器對信號進行放大。整個流程如下：界面設置→啟動DAQmx，驅動USB9263→模擬電壓信號輸出→信號調理→電弧故障短路裝置。電弧故障短路裝置存在著一定的誤判率，要檢測出這些誤判率需要有大量電弧正常與故障條件下的數據。為了能夠檢測出電弧故障短路裝置的正確率，以檢驗其是否能夠在極短時間內做出正確判斷，基于labview的波形發生裝置必須能夠模擬電弧故障。傳統實驗都是先在電弧故障發生之前采集數據進行分析，在引入電弧故障短路裝置后還要對其進行檢測以測量其性能。但是，電弧發生器本身的不確定性因素，使得這樣的實驗操作既復雜又不安全。因此，引入labview就可以有效彌補這類不足。其一是可以從已有的數據中提取電弧數據，從而減少大量的先期采集工作，這樣可以減少工作量及提高安全性。其二，可以將整個實驗劃分為電弧發生和檢測兩個獨立組成部分。

四、案例分析

Labview的數據采集面板可以分為三個部分：物理通道設置；采樣設置；存儲設置。值得注意的是在設置物理通道時，要設置采集卡通道和采集卡的范圍，要能夠滿足多樣化的采集需求。采集卡是多通道設計，因此在采集時既要考慮采樣率又要考慮通道數。采集到的數據存儲于Excel之中，可以根據用戶的需要寫入指定文件之中。

在采樣率較高時，電弧故障會呈現高頻效應，因此要一般要采集高于20KHz的采樣率。在單位時間內如果存儲的數據量非常大，可能會導致采集數據的部分缺失，而且這種可能性隨著采樣率的增高而增大。為了解決這一狀況，可以采用隊列方式，即將采集的數據依次存放入一個隊列，再依次進行存儲。Labview的采集到的數據與傳統方式采集的數據比較，最大的優勢就是采樣率高且能夠更真實地反映實際情況。在采樣率高的情況下，電弧故障即使發生極小的變動都能被體現出來，而傳統采集數據的方式，由于采樣率低，這種極小的波形轉換就很難在波形圖中體現出來。基于labview的波形發生器能夠產生任意數據波形。對于發生波形先期得進行參數和選項卡設置，模塊參數設置需要對采樣模式進行設置。連續采樣是采樣模式的重要方式，這種采樣模式，可以顯示連續的波形圖。選項卡設置可以決定產生什么樣的波形圖。示波器還可以對實際波形圖與理論波形圖進行比較分析，從而判斷波形發生器是否有失真現象的存在（見圖2和圖3）。

圖2 波形發生器

圖3 波形輸出圖

五、結束語

將labview應用于低壓電弧故障斷路器的研制可以優化實驗進程。該設備不僅具有傳統裝置的特點，還有其獨到之處。基于該設備可以根據不同的情況將采集到的電弧故障數據進行整理、存儲，形成龐大的電弧故障數據庫。通過這樣的數據庫的建立，波形發生器還可以全面模擬各種電弧故障波形，從而更為全面地檢測低壓電弧故障斷路器工作的穩定性和準確性。

本文通過將虛擬儀器在低壓電弧故障斷路器研制的應用進行了分析，不難看出由于虛擬儀器的引入給研究帶來了更高的效率，不論是在數據采集還是在信號發生階段都大大提高了工作效率。但是由于各項實際條件的制約以及電弧發生所具有的不確定性特征，采集到的數據還不夠全面，只能模擬一些常見的電弧故障情況，為了能夠使研究更深入，更有說服力，我們還會繼續進行更多的實驗，獲得更多的數據，從而完善電弧故障波行數據庫。

參考文獻：

[1]張曉春，汪詳兵.基于labview的微機保護裝置培訓系統研究與實現[J].電力系統保護與控制，2009（17）.

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[3]榮雅君，劉琳等.基于labview的四邊形阻抗繼電器的設計[J].電力系統保護與控制，2008（17）.

[4]莊宗輝，薛毓強.Labview在柴油發電機組并聯運行控制系統中的應用[J].工業控制計算機，2006（05）.

[5]任長寧，楊棟.低壓配電線路中的電弧故障與防控[J].建筑電氣，2012（01）.

[6]賈寧，李宏文.一眾新型電弧故障斷路器的研究[J].低壓電器，2011（01）.

[作者簡介]楊學鳳（1978.06-），山東文登人，本科，講師，研究方向：虛擬儀器。