故障電弧探測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)方案

1、目 錄一、引言3二、產(chǎn)品概述42.1現(xiàn)有電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的組成42.2現(xiàn)有電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的不足42.3故障電弧檢測(cè)技術(shù)開(kāi)始被重視42.4國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)加快出臺(tái)42.5家和物聯(lián)在電氣火災(zāi)監(jiān)控領(lǐng)域的現(xiàn)狀5三、故障電弧分析63.1故障電弧的起因63.2電弧的基本性質(zhì)6四、故障電弧的檢測(cè)原理134.1故障電弧的試驗(yàn)設(shè)備134.2 故障電弧數(shù)據(jù)庫(kù)的建立144.3 硬件設(shè)計(jì)154.4 軟件設(shè)計(jì)15一、 引言在我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的過(guò)程中，火災(zāi)的頻繁發(fā)生給社會(huì)和公共安全造成了極大的危害，據(jù)國(guó)家權(quán)威部門統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每都有30%以上的火災(zāi)是由電氣火災(zāi)引起的，其中2012年1-10月份全國(guó)共發(fā)生火災(zāi)11萬(wàn)起，其中電氣引起火

2、災(zāi)共33385起，占總數(shù)的30.3%。在數(shù)量和危害程度上占據(jù)其它火災(zāi)之首。電氣火災(zāi)，對(duì)人身及財(cái)產(chǎn)造成了巨大損失。電弧故障是造成電氣火災(zāi)的主要原因之一，而傳統(tǒng)的斷路器只能保護(hù)剩余電流、過(guò)流和短路的情況，而許多嚴(yán)重的火災(zāi)事故往往是由低于額定電流的故障電弧引起的。因此，對(duì)故障電弧的起因及監(jiān)控探測(cè)進(jìn)行研究具有十分重要的意義。本文主要對(duì)故障電弧探測(cè)裝置的工作原理, 故障電弧檢測(cè)的硬件和軟件的技術(shù)實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了闡述。二、產(chǎn)品概述2.1現(xiàn)有電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的組成電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)基本組成包括：電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備、剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器以及測(cè)溫式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器；該系統(tǒng)能夠?qū)Ρ槐Ｗo(hù)線路中的電流、剩余電流、溫度

3、進(jìn)行監(jiān)視，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)電氣火災(zāi)隱患，預(yù)防電氣火災(zāi)發(fā)生。電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)集監(jiān)視、報(bào)警、控制、集中管理與一體，監(jiān)控探測(cè)器一般掛接在總線上的支路上，接受主控制器的命令，并傳送全部信息；主控制器處理接收來(lái)的數(shù)據(jù)，監(jiān)控被探測(cè)電氣線路單相、三相電流，剩余電流，溫度等參數(shù)的變化。當(dāng)參數(shù)異常時(shí)，剩余電流互感器、溫度傳感器等終端檢測(cè)元件對(duì)信息進(jìn)行采集，并送到監(jiān)控探測(cè)器里，超出設(shè)定值時(shí)即發(fā)出報(bào)警信號(hào)，同時(shí)輸送到監(jiān)控設(shè)備中，經(jīng)進(jìn)一步識(shí)別判定，當(dāng)確認(rèn)可能會(huì)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，監(jiān)控設(shè)備發(fā)出火災(zāi)報(bào)警信號(hào)，報(bào)警指示燈亮，發(fā)出報(bào)警音響，并在液晶顯示屏上顯示報(bào)警信息。2.2現(xiàn)有電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的不足許多嚴(yán)重的火災(zāi)事故是由線路中低于額定電

4、流或預(yù)期短路電流的故障電弧引起的。這些危險(xiǎn)的電弧可能發(fā)生在設(shè)計(jì)不合理的或者老化的供電線路上、電器插頭以及家用電器的電源線，內(nèi)部線束或零部件絕緣上。當(dāng)故障電弧發(fā)生時(shí)，線路上的漏電、過(guò)流和短路等保護(hù)裝置，可能無(wú)法檢測(cè)到故障電弧或者無(wú)法迅速動(dòng)作切斷電源，極易引發(fā)火災(zāi)。2.3故障電弧檢測(cè)技術(shù)開(kāi)始被重視故障電弧檢測(cè)技術(shù)，最初被國(guó)內(nèi)研究院所和廠家所認(rèn)知，多是通過(guò)AFCI（故障電弧斷路器）和UL 1699標(biāo)準(zhǔn)。然而美國(guó)電網(wǎng)與中國(guó)電網(wǎng)的實(shí)際情況卻相差很多，無(wú)論從電壓，頻率，配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等方面都有所不同，照搬UL 1699標(biāo)準(zhǔn)必然無(wú)法適應(yīng)中國(guó)的實(shí)際情況。近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)研究院所和廠家，投入了大量的人力物力，在故障

5、電弧引發(fā)火災(zāi)的機(jī)理，故障電弧模擬仿真，故障電弧檢測(cè)方法，故障電弧試驗(yàn)平臺(tái)，故障電弧檢測(cè)產(chǎn)品實(shí)際工程應(yīng)用等方面，都做了大量的研究和嘗試，為故障電弧檢測(cè)技術(shù)在國(guó)內(nèi)的發(fā)展和應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。2.4國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)加快出臺(tái)2011年12月，在全國(guó)消防標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)第六分技術(shù)委員會(huì)會(huì)議上，完成了對(duì) GB 14287.4電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng) 第4部分：故障電弧探測(cè)裝置征求意見(jiàn)稿的討論。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的加快出臺(tái)，勢(shì)必對(duì)故障電弧檢測(cè)技術(shù)在電氣防火領(lǐng)域中的推廣和應(yīng)用起到積極的促進(jìn)作用，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施更可大幅度降低由故障電弧導(dǎo)致電氣火災(zāi)發(fā)生的數(shù)量和幾率。 三、故障電弧分析當(dāng)兩電極間的電場(chǎng)強(qiáng)度足夠大 , 極間自由電子的運(yùn)動(dòng)能量

6、撞擊空氣中的中性分子或原子并足以使其游離出更多帶負(fù)電的自由電子和帶正電的正離子時(shí) ,電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)進(jìn)一步加強(qiáng) 。 在該電場(chǎng)中 ,電子撞向陰極 , 而正離子撞向陽(yáng)極 。若正離子的能量能使陰極游離出新的電子 , 輝光放電就轉(zhuǎn)化為弧光放電 ,即形成電弧 。 由此可見(jiàn) ,電弧是一種氣體游離放電現(xiàn)象 , 也是一種等離子體 。 GERM2ER 等的研究表明 : 接通過(guò)程產(chǎn)生的電弧與觸頭材料及電路電壓有關(guān) , 而分?jǐn)嚯娐愤^(guò)程產(chǎn)生的電弧還取決于電路的電流 。 交流電弧也有類似特性 。3.1故障電弧的起因引起電弧故障的原因很多種，但主要可以概括為以下三點(diǎn)：(1)絕緣碳化在很多情況下都能形成碳化路徑，例如：將兩個(gè)電極

7、放在電纜絕緣層上，對(duì)電極通以高電壓，就可以直接在電纜表面形成電弧;潮濕的絕緣表面和污染物綜合作用導(dǎo)致絕緣表面有漏電流流通，逐漸形成碳化路徑，最終使絕緣碳化。(2)空氣電離燃燒和預(yù)電弧都能電離空氣。如果配電母線發(fā)生嚴(yán)重的電弧故障，首先會(huì)噴出大量的電離氣體，這些電離氣體會(huì)飛出一定距離，這時(shí)遇到另外一條線路，就很容易引起空氣分解導(dǎo)致電弧產(chǎn)生。而且燃燒會(huì)使空氣介電強(qiáng)度降低，使空氣更容易發(fā)生電離。(3)短路短路有兩種形式：一種是金屬性短路;另一種是電弧性短路。后者是由于導(dǎo)體暫時(shí)性接觸引發(fā)的，起初觸點(diǎn)周圍的金屬物質(zhì)逐漸融化，磁場(chǎng)力趨向拉開(kāi)接觸的導(dǎo)線，從而液體橋斷開(kāi)。3.2電弧的基本性質(zhì)電弧可分為正常電弧和

8、非正常電弧( 即故障電弧 ) 兩種 。一般認(rèn)為 , 電器的正常開(kāi)關(guān) 、 插頭插拔等操作引起的電弧屬正常電弧 ; 而觸頭松動(dòng) 、 絕緣老化 、 擊穿 、 接地故障等引起的電弧視為故障電弧.故障電弧分為串弧、并弧和接地弧.電弧的電流和電壓波形一般不是簡(jiǎn)單的正弦波形.經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),并聯(lián)電弧的性質(zhì)更具一般性,而串聯(lián)電弧的性質(zhì)收到負(fù)載類型的影響,特性較為復(fù)雜.下面先討論電弧的普遍性質(zhì).經(jīng)過(guò)對(duì)大量電弧波形的研究,發(fā)現(xiàn)說(shuō)有電弧都具有一些共同的特性:電壓和電流的波形包含有高頻噪聲;沿電弧有電壓降;除有設(shè)備進(jìn)行補(bǔ)償?shù)那闆r,由于沿電弧有電壓降,對(duì)同一條線路的同一點(diǎn)上電弧電流低于非電弧電流;電弧電流的上升速率一般高于

9、正常電流;電弧電流的每一個(gè)半周期波都在正常電流的過(guò)零點(diǎn)前熄滅,再過(guò)零點(diǎn)后復(fù)燃,在每半個(gè)周波形成一段幾乎是平的零電流區(qū)域.把它命名為“平肩部”.電壓波形接近于矩形.電弧通常是散布于正常電流之間零星閃波.圖3.2.1 一般電弧的特性從圖3.2.1中的電流電壓波形,還可以看到其他一些電弧普遍特性,下面會(huì)詳細(xì)介紹故障電弧的特性.(1) 并聯(lián)電弧的普遍特性圖3.2.2 75安培并聯(lián)電弧電流曲線圖3.2.2表示的是用金屬刀片切斷NM-B型電纜產(chǎn)生的平行電弧,引起電弧連接的短路故障,斷開(kāi)點(diǎn)的短路電流為75A.從圖中可以得到電弧電流的特點(diǎn)包括:電流幅值小于理想狀況;高頻閃絡(luò)電流曲線有“平肩部”的存在;上升的幅

10、度在 部分比理想狀況陡峭.我們可以注意到:沒(méi)有兩個(gè)半周波的波形是相同的;在波形某些局部,可以看到更為明顯的電弧的特征.既然電弧是有切斷電纜硬氣的,發(fā)生電弧之前是沒(méi)有正常電流做參照的條件下識(shí)別出電弧電流的特性.圖3.2.3是完全相同的電路和條件下進(jìn)行第二次實(shí)驗(yàn)所記錄的波形,它與圖3.2.2的波形不同,也不存在高頻閃,但是其他特性是相同的,這說(shuō)明電弧的概率特性和電弧保護(hù)的檢測(cè)裝置為了能夠檢測(cè)到電弧的產(chǎn)生并與正常負(fù)荷區(qū)分開(kāi),需要同時(shí)得到多個(gè)特證證實(shí)電弧的存在.圖3.2.2 75安培并聯(lián)電弧電流曲線二串聯(lián)電弧的普遍性質(zhì)發(fā)生串聯(lián)電弧時(shí),我們可以觀察到電流變小,同時(shí)受負(fù)荷本身的影響出現(xiàn)異常的波形.為了能夠

11、檢測(cè)與負(fù)荷串聯(lián)的電弧,研究電弧發(fā)生前后波形的變化與研究電弧的性質(zhì)同樣重要.檢測(cè)電弧-正常電流的差異最容易,但是發(fā)生故障電弧時(shí)前后兩個(gè)半周期波也會(huì)變化,如果沒(méi)有同正常電流相比較,會(huì)被認(rèn)為檢測(cè)到電弧.一些負(fù)荷具有非常類似于故障電弧的特征.因此對(duì)于這些情況,需要檢測(cè)若干個(gè)半周波直到確認(rèn)存在電弧的概率比較大.以圖3.2.3-3.2.6為例,故障電弧同正常電弧是存在相當(dāng)大的差異的,但肉眼一般很難發(fā)現(xiàn),必須通過(guò)高精度分析才能辨別.真空吸塵器圖3.2.3 真空吸塵器的電弧電流曲線圖3.2.3表示的真空吸塵器的通用點(diǎn)擊運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)電線發(fā)生串聯(lián)電弧時(shí)的電流波形.可以注意到一下特征:A.存在平肩部分;B.峰值有變化;C

12、.電流增長(zhǎng)速率有變化.個(gè)人計(jì)算機(jī)圖3.2.4 個(gè)人計(jì)算機(jī)的電弧電流曲線圖3.2.4是個(gè)人計(jì)算機(jī)開(kāi)啟后的電弧電流曲線圖.開(kāi)關(guān)電源正常工作時(shí)具有異常的波形,表現(xiàn)很多故障電弧的特征.但是,通過(guò)某些特征能夠區(qū)分真正的電弧和正常波形:A. 電流幅值變化很大;B. 振幅不穩(wěn)定;C. 電流脈沖偶爾會(huì)發(fā)生確實(shí);D. 增強(qiáng)的高頻抖動(dòng).調(diào)光器圖3.2.5 1000W調(diào)光器電弧電流曲線圖3.2.5表示的是1000瓦調(diào)光器電弧電流曲線,它的正常波形和故障電弧波形非常類似.我們可以看到,兩者之間電流幅度確定不同,電弧電流持續(xù)時(shí)間不時(shí)變化,含有高頻分量.檢測(cè)調(diào)光器負(fù)載的故障電弧需要較長(zhǎng)時(shí)間.壓縮機(jī)圖3.2.6 壓縮機(jī)的電

13、弧電流曲線圖3.2.6 表示的是壓縮機(jī)的電弧電流曲線.正常電流波形和故障電流波形具有更加類似的性質(zhì),高頻抖動(dòng)和幅值變化都不是明確的區(qū)別依據(jù).故障電弧能夠作為檢測(cè)特征的有:A.幅值的變化;B.增加速率變化;C.平肩部的存在.四、故障電弧的檢測(cè)原理電弧具有概率特性,并不是持續(xù)不變的,許多負(fù)載的特性與串聯(lián)電弧相似,因此,電弧保護(hù)的檢測(cè)裝置為了能夠檢測(cè)到電弧的產(chǎn)生并與正常負(fù)荷區(qū)分開(kāi)來(lái),需要同時(shí)得到多個(gè)證據(jù)證明電弧存在的概率很高而正常負(fù)荷的概率很低,這個(gè)非常重要.4.1故障電弧的試驗(yàn)設(shè)備 (1) 試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖4.1.1 電弧試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖4.1.1所示,包括供電變壓器,開(kāi)關(guān),電弧發(fā)生器,

14、負(fù)載和數(shù)據(jù)采集設(shè)備.供電變壓器按照標(biāo)準(zhǔn)要求能夠提供500A電流,電壓可調(diào).(2) 電弧發(fā)生器電弧發(fā)生器是人工產(chǎn)生持續(xù)電弧的設(shè)備,是試驗(yàn)中最重要的設(shè)備.將電弧發(fā)生器同各種負(fù)荷設(shè)備連接后,使電弧燃燒,就可以研究各種負(fù)荷狀態(tài)下的電弧特性.該設(shè)備的結(jié)構(gòu)如圖4.1.2所示:圖4.1.2 電弧發(fā)生器(a=0.7+0.3英寸)該電弧發(fā)生裝置的規(guī)格按照UL1699標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)條款的要求,有固定電極和移動(dòng)電極組成.一個(gè)電極有直徑0.25英寸(6.4毫米)的碳-石墨電極棒組成,另一個(gè)銅桿.其中一個(gè)或兩個(gè)電極的末梢必須是尖銳的.電極相互接觸時(shí)電路應(yīng)該完全閉合.4.2 故障電弧數(shù)據(jù)庫(kù)的建立由于故障電弧電流波形具有非正弦性

15、和隨機(jī)性,而且在某些負(fù)荷設(shè)備環(huán)境下,啟動(dòng)和正常工作狀況的電流波形與電弧波形具有某些相似性.而目前還沒(méi)有一種電壓電弧數(shù)學(xué)模型可以精確地仿真各種工作狀況下的電弧波形.因此,研發(fā)故障電弧探測(cè)裝置的基礎(chǔ)是搭建故障電弧實(shí)驗(yàn)平臺(tái),通過(guò)大量的試驗(yàn)采集各種負(fù)荷下故障電弧和正常工作狀態(tài)的電流數(shù)據(jù),然后經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理,研究出故障電弧與正常工作的特性差異. 在此基礎(chǔ)上所開(kāi)發(fā)研制的故障電弧探測(cè)裝置才能準(zhǔn)確地檢測(cè)故障電弧,而不發(fā)生誤動(dòng)作.故障電弧數(shù)據(jù)庫(kù)的建立是故障電弧探測(cè)裝置中的難點(diǎn).4.3 硬件設(shè)計(jì)硬件結(jié)構(gòu)圖如下圖4.3.1所示:圖4.3.1 硬件原理框圖(1) 在圖中,電流互感器1采用氣芯的電互感器,它的特點(diǎn)是無(wú)磁滯

16、和磁飽和現(xiàn)象,它有非常好的線性和暫態(tài)特性, 1將感應(yīng)信號(hào)送入2一個(gè)電壓跟隨器,以使輸出信號(hào)強(qiáng)化. 3是一個(gè)50-60HZ的低通濾波器, 4是個(gè)雙路非反相運(yùn)放,負(fù)載電流的信號(hào)被放大后送入13處理.(2) 7和8是200KHZ和250KHZ的帶通濾波器,是一個(gè)對(duì)電弧電流波形的傅里葉運(yùn)算,之后,信號(hào)將送入9一個(gè)1ms的單穩(wěn)觸發(fā)電路,之后經(jīng)過(guò)10邏輯與送入13運(yùn)算處理.(3) 5是電壓檢測(cè)電路,當(dāng)電弧發(fā)生時(shí),AC電源的電壓是不穩(wěn)定的.所以要對(duì)電壓的絕對(duì)值進(jìn)行采樣,送入13處理.并且6負(fù)責(zé)檢測(cè)電壓的過(guò)零信號(hào),并將此信號(hào)送入13,用于電流采樣值的運(yùn)算.(4) 11和12分別是聲光報(bào)警功能和控制輸出,當(dāng)檢測(cè)

17、裝置檢測(cè)到電弧發(fā)生是通過(guò)13控制11發(fā)出聲光報(bào)警,控制12控制輸出.(5) 14是AC220V轉(zhuǎn)DC5V電源電路.4.4 軟件設(shè)計(jì)(1)故障電弧探測(cè)裝置軟件應(yīng)具備以下幾項(xiàng)基本功能：準(zhǔn)確的電弧檢測(cè)此項(xiàng)功能要求故障電弧探測(cè)裝置能夠根據(jù)對(duì)負(fù)載電流和電壓的A/D采樣，在短時(shí)間內(nèi)檢測(cè)出電弧的產(chǎn)生，這種檢測(cè)包括對(duì)負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的正常電弧檢測(cè)以及負(fù)載在非正常狀態(tài)所產(chǎn)生的電弧檢測(cè)?？焖俚碾娀√匦苑治龃隧?xiàng)功能要求故障電弧探測(cè)裝置在檢測(cè)到電弧產(chǎn)生后，首先根據(jù)當(dāng)時(shí)電壓和電流的關(guān)系，運(yùn)用高效而準(zhǔn)確的算法（現(xiàn)多采用傅里葉Fourier變換法則），得到負(fù)載的相位角狀態(tài)，判斷出負(fù)載的類型，從而得出電弧的產(chǎn)生屬于正?；虍惓５?/p>

18、判斷，進(jìn)一步作出是否聲光報(bào)警和控制輸出的動(dòng)作?？梢?jiàn)，這部分軟件設(shè)計(jì)將決定故障電弧探測(cè)裝置能否在發(fā)生故障電弧時(shí)及時(shí)做出聲光報(bào)警和控制輸出動(dòng)作，同時(shí)，它還將決定故障電弧探測(cè)裝置能否在發(fā)生正常電弧時(shí)不會(huì)產(chǎn)生誤動(dòng)作。當(dāng)然，這種判斷還要依靠下面一項(xiàng)功能作為基礎(chǔ)。 豐富的負(fù)載電弧特征曲線儲(chǔ)備故障電弧探測(cè)裝置應(yīng)包括盡可能多的負(fù)載電弧特征，這需要大量的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，對(duì)絕大多數(shù)的負(fù)載電弧特征進(jìn)行分析，并將其存儲(chǔ)在存儲(chǔ)設(shè)備里中。還可以采用自學(xué)習(xí)方式，故障電弧探測(cè)裝置可以在運(yùn)行狀態(tài)對(duì)產(chǎn)生的電弧進(jìn)行實(shí)時(shí)的更新。(2)下面將根據(jù)以上功能對(duì)軟件實(shí)現(xiàn)進(jìn)行分析：周期電流峰值，全局電流峰值，電流累加值電弧檢測(cè)的基本軟件工作原理：首

19、先對(duì)正半周期電流峰值以及負(fù)半周期電流峰值采樣，針對(duì)某一個(gè)整周期，將其正半周期的采樣結(jié)果和負(fù)半周期的采樣結(jié)果絕對(duì)值相加，求取平均值。然后將此周期的平均值與前一周期的平均值相比較，如果差距大于一個(gè)門限值，就判斷為產(chǎn)生了一個(gè)電弧。需要指出的是，并不是只根據(jù)某一個(gè)周期的差距作出判斷，而是將若干周期的差距累加，如果這個(gè)累加值超過(guò)了一個(gè)預(yù)先定義的累積門限，才作出最后的判斷。當(dāng)然，這個(gè)累積值會(huì)在一定的時(shí)間后復(fù)位。電弧特性分析的基本軟件原理：電弧特性分析是通過(guò)對(duì)電壓和電流的模擬同步檢測(cè)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)電壓過(guò)零時(shí)，其極性將發(fā)生變化，同時(shí)，其采樣值呈周期變化，電流的特性也是如此，而根據(jù)傅立葉變換的基本原理，一個(gè)周期函數(shù)可以展開(kāi)成無(wú)數(shù)個(gè)正弦或余弦的函數(shù)之和，函數(shù)的周期越短，其（級(jí)數(shù)）收斂越快，周期越長(zhǎng)收斂就越慢。具體的實(shí)現(xiàn)方法如下：以電壓波形兩次正向過(guò)零為一個(gè)整個(gè)周期，每半個(gè)周期N次采樣。首先，當(dāng)電壓在正半周期并且N為0時(shí)將正弦累積值和預(yù)先累積值復(fù)位，以此作為一次計(jì)算相位的起始。 對(duì)于余弦累積值的計(jì)算，在電壓經(jīng)歷