故障電弧探測及保護裝置的研究與開發

劉易

（中國礦業大學（北京），北京 100083）

故障電弧探測及保護裝置的研究與開發

劉易

（中國礦業大學（北京），北京 100083）

故障電弧是電氣火災發生的主要誘因之一，而傳統保護開關卻無法識別故障電弧的發生。故障電弧探測及保護裝置能夠及時檢測出線路中出現的故障電弧，從而消除線路中絕大部分由此而引發的火災。對故障電弧的特性進行了實驗分析，根據這些特性，確定了故障電弧探測器的檢測方法，并進行了硬件和軟件的設計。此外，對研制的故障電弧探測器進行了測試，實驗結果表明，故障電弧檢測的準確率達到99%，主要性能指標滿足國家標準GB 31143—2014的要求。

故障電弧；火災；伏安特性；可燃物

隨著我國經濟的飛速發展，各類電氣設備已被普遍應用到人們生活的方方面面。房屋或其他場所的設備和電氣線路，比如插座、各種設備的電源線以及家用電器內部的線路等，因為長期的過負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老化現象，這些情況都有可能產生故障電弧，而故障電弧會引起電氣火災。各種相關研究表明，故障電弧電流大小在2～10 A的范圍內就可以產生2 000～4 000℃的局部高溫，足可以使任何可燃物燃燒。故障電弧探測器，能夠在早期檢測出線路中絕大部分的電氣火災隱患。

1 故障電弧的特性與檢測方法

1.1 故障電弧特性的實驗分析

故障電弧電學特性的實驗分析：將80 Ω/400 W的變阻器作為負載，由AC220 V/50 Hz的交流電源對故障電弧模擬發生器及負載供電。當試驗線路正常工作時，利用示波器記錄此時電弧發生裝置兩端的電壓電流波形。

由電弧發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產生故障電弧時電壓、電流幅值均降低。③電流變化的斜率比不發生故障電弧時大。④故障電弧的起弧特性。在電流波形過零點前一小段時間內熄滅，在過零點后一小段時間內再次燃弧，所以，在過零點附近就出現了一段近似平坦的波形，將其稱為肩平部分。⑤故障電弧的產生具有隨機性。

1.2 檢測算法

針對高次諧波設計了帶通濾波器；針對電流有效值減小進行了AD采樣，并與閾值比較；針對電流斜率增大，設定了閾值并比較；針對平肩特性，通過檢測采樣電流信號一個周期平肩點的個數，超過所設定的閾值時判斷為故障電弧；針對隨機性，采用了三周期算法。

2 故障電弧探測及保護裝置的硬件設計

2.1 方案設計

故障電弧探測器的硬件設計為：整個系統是個非常典型的嵌入式系統，以TI公司的DSP芯片TMS320F28035為控制核心，其速度快、成本低，完全能滿足系統要求。具體的工作原理如下。

通過DSP28035對線路中的電壓電流進行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，即被認定為故障電弧開始計數，當在1 s內累計出現了8個故障電弧信號時，則立即啟動脫扣機構觸發微型斷路器跳閘切斷電源，以防止電氣火災的發生。

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：①3.3 V單電源供電，哈佛總線（Harvard）架構；②多達45個復用通用輸入輸出（GPIO）引腳，3個32位CPU定時器；③片載存儲器：閃存、SRAM、OTP、引導ROM。

2.3 電源電路

將AC220 V/50 Hz的交流電源經過變壓、整流、濾波、穩壓轉換成+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帶通濾波器。

2.4 信號處理電路

雙路變壓器的二次側繞組（9～10）用于交流輸入電壓的檢測，先將交流電壓整流成脈動的直流（電容C1只是濾掉高頻分量），經電阻R2、R3分壓后，送給調理電路（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，據此設計帶通濾波器，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中高于截止頻率的高頻或直流分量通過，抑制低頻分量；低通濾波器允許輸入信號中低于截止頻率的低頻或直流分量通過，抑制高頻分量。

2.6 繼電器控制電路

采用NPN型三極管來驅動繼電器。當IO口輸出由高電平變為低電平時，三極管由飽和狀態變為截止，這樣繼電器電感線圈中的電流沒有通路釋放能量。如果不加續流二極管D，則電感線圈兩端將會產生很大的反向電動勢，極性為下正上負，這個反向電動勢加上5 V電源電壓足以擊穿三極管。

2.7 過零點檢測電路

U3B及其附屬電路構成一個比較器，目的在于輸入給DSP一個方波信號，從而檢測故障電弧電壓信號的過零點，所采用的運放是MCP6002。如果采集到的電壓大于比較值，則運放輸出低電平；如果采集到的電壓小于比較值，則運放輸出高電平。

3 故障電弧探測及保護裝置的軟件設計

故障電弧探測及保護裝置的軟件設計以硬件為基礎，使用C語言編寫，所有子程序都使用模塊化編程，便于以后的軟件升級和調用。為了實現故障電弧檢測功能，軟件設計包括信號采集、信號處理、故障檢測和脫扣控制等部分。

故障電弧特征檢測子程序，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），則執行脈沖相位判斷函數Arc_PulsePhase_Judge（）。如果滿足條件，則電弧事件加1；進行均方根值的TCA值判斷，如果maxvalue1＞25，則電弧事件加1；進行平肩特征判斷，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++；

當滿足以下兩個條件中的任意一個時，則判定發生了故障電弧：①存在高頻脈沖（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 故障電弧探測器的試驗

將研制出來的故障電弧探測及保護裝置接入負載抑制性試驗線路中，進行測試，具體結果如下。

4.1 負載為純電阻

當線路正常工作時，AFDD不發生誤動作；當發生電弧故障時，AFDD的斷開時間為0.208 4 s，滿足規定的AFDD分斷時間極限值的要求，斷開時間如圖1所示。

圖1 負載為變阻器時AFDD的斷開時間

4.2 負載為熒光燈

當線路正常工作時，AFDD不發生誤動作；當發生電弧故障時，AFDD的斷開時間為0.128 0 s，滿足規定的AFDD分斷時間極限值的要求。

4.3 負載為鹵素燈

當試驗線路正常工作時，AFDD不發生誤動作；當發生電弧故障時，AFDD的斷開時間為0.289 0 s，滿足規定的AFDD分斷時間極限值的要求，斷開時間如圖2所示。

圖2 負載為鹵素燈時AFDD的斷開時間

4.4 負載為吸塵器

當試驗線路正常工作時，AFDD不發生誤動作；當發生電弧故障時，AFDD的斷開時間為0.122 6 s，滿足規定的AFDD分斷時間極限值的要求，斷開時間如圖3所示。

經過測試，研制出來的故障電弧探測及保護裝置滿足GB 31143—2014中的條款9.9.4.2，以及其他條款規定的要求，能夠準確地識別出故障電弧，同時不發生誤動作。

圖3 負載為真空吸塵器時AFDD的斷開時間

5 主要成果及結論

本項目根據故障電弧發生時表現出的多種特性研制了一款220 V/32A的故障電弧探測及保護裝置，并搭建了實驗平臺，對真空吸塵器、電動機、熒光燈、電鉆等抑制性負載進行實驗。實驗結果表明，本裝置準確率達99%，無誤判，動作時間符合國家標準要求，是一款高可靠性、高準確率、低成本的故障電弧探測及保護置，能夠為故障電弧探測及保護裝置的大面積推廣應用奠定基礎，從而為降低因故障電弧而引起的電氣火災的發生概率起到促進作用。

［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］.電氣應用，2009（24）.

TM501

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.20.115

2095－6835（2017）20－0115－03

〔編輯：張思楠〕