故障電弧探測裝置實現(xiàn)方案

1、一、引言2二、產品概述32.1 現(xiàn)有電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)的組成32.2 現(xiàn)有電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)的不足32.3 故障電弧檢測技術開始被重視32.4 國家標準加快出臺32.5 家和物聯(lián)在電氣火災監(jiān)控領域的現(xiàn)狀錯誤！未定義書簽。三、故障電弧分析51 故障電弧的起因51 電弧的基本性質5四、故障電弧的檢測原理12故障電弧的試驗設備12故障電弧數(shù)據(jù)庫的建立13硬件設計13軟件設計14引言在我國經(jīng)濟高速發(fā)展的過程中，火災的頻繁發(fā)生給社會和公共安全造成了極大的危害，據(jù)國家權威部門統(tǒng)計，我國每都有30%以上的火災是由電氣火災引起的，其中2012年1-10月份全國共發(fā)生火災11萬起，其中電氣引起火災共33385起，占

2、總數(shù)的30.3%。在數(shù)量和危害程度上占據(jù)其它火災之首。電氣火災，對人身及財產造成了巨大損失。電弧故障是造成電氣火災的主要原因之一，而傳統(tǒng)的斷路器只能保護剩余電流、過流和短路的情況，而許多嚴重的火災事故往往是由低于額定電流的故障電弧引起的。因此，對故障電弧的起因及監(jiān)控探測進行研究具有十分重要的意義。本文主要對故障電弧探測裝置的工作原理，故障電弧檢測的硬件和軟件的技術實現(xiàn)進行了闡述。:、產品概述現(xiàn)有電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)的組成電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)基本組成包括：電氣火災監(jiān)控設備、剩余電流式電氣火災監(jiān)控探測器以及測溫式電氣火災監(jiān)控探測器；該系統(tǒng)能夠對被保護線路中的電流、剩余電流、溫度進行監(jiān)視，并及時發(fā)現(xiàn)電氣火災

3、隱患，預防電氣火災發(fā)生。電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)集監(jiān)視、報警、控制、集中管理與一體，監(jiān)控探測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的數(shù)據(jù)，監(jiān)控被探測電氣線路單相、三相電流，剩余電流，溫度等參數(shù)的變化。當參數(shù)異常時，剩余電流互感器、溫度傳感器等終端檢測元件對信息進行采集，并送到監(jiān)控探測器里，超出設定值時即發(fā)出報警信號，同時輸送到監(jiān)控設備中，經(jīng)進一步識別判定，當確認可能會發(fā)生火災時，監(jiān)控設備發(fā)出火災報警信號，報警指示燈亮，發(fā)出報警音響，并在液晶顯示屏上顯示報警信息?，F(xiàn)有電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)的不足許多嚴重的火災事故是由線路中低于額定電流或預期短路電流的故障電弧引起的。

4、這些危險的電弧可能發(fā)生在設計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，內部線束或零部件絕緣上。當故障電弧發(fā)生時，線路上的漏電、過流和短路等保護裝置，可能無法檢測到故障電弧或者無法迅速動作切斷電源，極易引發(fā)火災。故障電弧檢測技術開始被重視故障電弧檢測技術，最初被國內研究院所和廠家所認知，多是通過AFCI（故障電弧斷路器）和UL1699標準。然而美國電網(wǎng)與中國電網(wǎng)的實際情況卻相差很多，無論從電壓，頻率，配電系統(tǒng)結構等方面都有所不同，照搬UL1699標準必然無法適應中國的實際情況。近些年來，國內研究院所和廠家，投入了大量的人力物力，在故障電弧引發(fā)火災的機理，故障電弧模擬仿真，故障電

5、弧檢測方法，故障電弧試驗平臺，故障電弧檢測產品實際工程應用等方面，都做了大量的研究和嘗試，為故障電弧檢測技術在國內的發(fā)展和應用奠定了堅實的基礎。國家標準加快出臺2011年12月，在全國消防標準化技術委員會第六分技術委員會會議上，完成了對GB14287.4電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)第4部分：故障電弧探測裝置征求意見稿的討論。國家標準的加快出臺，勢必對故障電弧檢測技術在電氣防火領域中的推廣和應用起到積極的促進作用，國家標準的實施更可大幅度降低由故障電弧導致電氣火災發(fā)生的數(shù)量和幾率。三、故障電弧分析當兩電極間的電場強度足夠大，極間自由電子的運動能量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電的自由電子

6、和帶正電的正離子時，電場強度會進一步加強。在該電場中，電子撞向陰極，而正離子撞向陽極。若正離子的能量能使陰極游離出新的電子，輝光放電就轉化為弧光放電，即形成電弧。由此可見，電弧是一種氣體游離放電現(xiàn)象，也是一種等離子體。GERM2E嗡的研究表明：接通過程產生的電弧與觸頭材料及電路電壓有關，而分斷電路過程產生的電弧還取決于電路的電流。交流電弧也有類似特性。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：(i)絕緣碳化在很多情況下都能形成碳化路徑，例如：將兩個電極放在電纜絕緣層上，對電極通以高電壓，就可以直接在電纜表面形成電?。怀睗竦慕^緣表面和污染物綜合作用導致絕緣表面有漏電流流通

7、，逐漸形成碳化路徑，最終使絕緣碳化。(2)空氣電離燃燒和預電弧都能電離空氣。如果配電母線發(fā)生嚴重的電弧故障，首先會噴出大量的電離氣體，這些電離氣體會飛出一定距離，這時遇到另外一條線路，就很容易引起空氣分解導致電弧產生。而且燃燒會使空氣介電強度降低，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。后者是由于導體暫時性接觸引發(fā)的，起初觸點周圍的金屬物質逐漸融化，磁場力趨向拉開接觸的導線，從而液體橋斷開。電弧的基本性質電弧可分為正常電弧和非正常電弧(即故障電弧)兩種。一般認為，電器的正常開關、插頭插拔等操作引起的電弧屬正常電??；而觸頭松動絕緣老化、擊穿、接地故障

8、等引起的電弧視為故障電弧.故障電弧分為用弧、并弧和接地弧.電弧的電流和電壓波形一般不是簡單的正弦波形.經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，并聯(lián)電弧的性質更具一般性，而用聯(lián)電弧的性質收到負載類型的影響，特性較為復雜.下面先討論電弧的普遍性質.經(jīng)過對大量電弧波形的研究，發(fā)現(xiàn)說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；除有設備進行補償?shù)那闆r，由于沿電弧有電壓降，對同一條線路的同一點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正常電流；電弧電流的每一個半周期波都在正常電流的過零點前熄滅，再過零點后復燃，在每半個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

9、.電弧通常是散布于正常電流之間零星閃波/ins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，下面會詳細介紹故Pt電弧的特性.(1)并聯(lián)電弧的普遍特性一14T15000500儂g電流幅值馬圖3.2.275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型電纜產生的平行電弧，引起電弧連接的短路故障，斷開點的短路電流為75A.從圖中可以得到電弧電流的特點包括：電流幅值小于理想狀況；高頻閃絡電流曲線有“平肩部”的存在；上升的幅度在部分比理想狀況陡峭.我們可以注意到：沒有兩個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

10、電弧是有切斷電纜硬氣的，發(fā)生電弧之前是沒有正常電流做參照的條件下識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行第二次實驗所記錄的波形，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，這說明電弧的概率特性和電弧保護的檢測裝置為了能夠檢測到電弧的產生并與正常負荷區(qū)分開，需要同時得到多個特證證實電弧的存在.502500-50005011ddE電流幅值、A圖3.2.275安培并聯(lián)電弧電流曲線二用聯(lián)電弧的普遍性質發(fā)生串聯(lián)電弧時，我們可以觀察到電流變小，同時受負荷本身的影響出現(xiàn)異常的波形.為了能夠檢測與負荷串聯(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同樣重要.檢測

11、電弧-正常電流的差異最容易，但是發(fā)生故障電弧時前后兩個半周期波也會變化，如果沒有同正常電流相比較，會被認為檢測到電弧.一些負荷具有非常類似于故障電弧的特征.因此對于這些情況，需要檢測若干個半周波直到確認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大的差異的，但肉眼一般很難發(fā)現(xiàn)，必須通過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擊運轉時電線發(fā)生串聯(lián)電弧時的電流波形.可以注意到一下特征：A.存在平肩部分；B.峰值有變化；C.電流增長速率有變化個人計算機圖3.2.4個人計算機的電弧電流曲線圖3.2.4是

12、個人計算機開啟后的電弧電流曲線圖.開關電源正常工作時具有異常的波形，表現(xiàn)很多故障電弧的特征.但是，通過某些特征能夠區(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.電流脈沖偶爾會發(fā)生確實D.增強的高頻抖動.調光器時間圖3.2.51000W調光器電弧電流曲線圖3.2.5表示的是1000瓦調光器電弧電流曲線，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)時間不時變化，含有高頻分量.檢測調光器負載的故障電弧需要較長時間.壓縮機圖3.2.6壓縮機的電弧電流曲線圖3.2.6表示的是壓縮機的電弧電流曲線.正常電流波形和故障電流波形具有更加類似的性

13、質，高頻抖動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、故障電弧的檢測原理電弧具有概率特性，并不是持續(xù)不變的，許多負載的特性與小聯(lián)電弧相似因此,電弧保護的檢測裝置為了能夠檢測到電弧的產生并與正常負荷區(qū)分開來，需要同時得到多個證據(jù)證明電弧存在的概率很高而正常負荷的概率很低這個非常重要.故障電弧的試驗設備(1)試驗平臺結構AO源O電5星電弧發(fā)生舞圖4.1.1電弧試驗平臺結構試驗平臺結構如圖4.1.1所示，包括供電變壓器，開關，電弧發(fā)生器，負載和數(shù)據(jù)采集設備.供電變壓器按照標準要求能夠提供500A電流，電壓可調.(2)電弧發(fā)生

14、器電弧發(fā)生器是人工產生持續(xù)電弧的設備，是試驗中最重要的設備.將電弧發(fā)生器同各種負荷設備連接后，使電弧燃燒，就可以研究各種負荷狀態(tài)下的電弧特性該設備的結構如圖4.1.2所示：到負荷固定底座圖4.1.2電弧發(fā)生器（a=0.720.3英寸）該電弧發(fā)生裝置的規(guī)格按照UL1699標準相關條款的要求，有固定電極和移動電極組成.一個電極有直徑0.25英寸（6.4毫米）的碳-石墨電極棒組成,另一個銅桿.其中一個或兩個電極的末梢必須是尖銳的.電極相互接觸時電路應該完全閉合.故障電弧數(shù)據(jù)庫的建立由于故障電弧電流波形具有非正弦性和隨機性，而且在某些負荷設備環(huán)境下，啟動和正常工作狀況的電流波形與電弧波形具有某些相似性

15、.而目前還沒有一種電壓電弧數(shù)學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)故障電弧探測裝置的基礎是搭建故障電弧實驗平臺，通過大量的試驗采集各種負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.在此基礎上所開發(fā)研制的故障電弧探測裝置才能準確地檢測故障電弧，而不發(fā)生誤動作.故障電弧數(shù)據(jù)庫的建立是故障電弧探測裝置中的難點.硬件設計硬件結構圖如下圖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，它的特點是無磁滯和磁飽和現(xiàn)象，它有非常好的線性和暫態(tài)特性，1將感應信號送入2一個電壓跟隨器，以使輸出信號強化.3是一個

16、50-60HZ的低通濾波器，4是個雙路非反相運放，負載電流的信號被放大后送入13處理.7和8是200KHz和250KHz的帶通濾波器，是一個對電弧電流波形的傅里葉運算，之后，信號將送入9一個1ms的單穩(wěn)觸發(fā)電路，之后經(jīng)過10邏輯與送入13運算處理.5是電壓檢測電路，當電弧發(fā)生時，AC電源的電壓是不穩(wěn)定的.所以要對電壓的絕對值進行采樣，送入13處理.并且6負責檢測電壓的過零信號，并將此信號送入13,用于電流采樣值的運算.11和12分別是聲光報警功能和控制輸出，當檢測裝置檢測到電弧發(fā)生是通過13控制11發(fā)出聲光報警，控制12控制輸出.14是AC220V轉DC5V電源電路.4.4軟件設計(1)故障電

17、弧探測裝置軟件應具備以下幾項基本功能：準確的電弧檢測此項功能要求故障電弧探測裝置能夠根據(jù)對負載電流和電壓的A/D采樣,在短時間內檢測出電弧的產生，這種檢測包括對負載運轉所產生的正常電弧檢測以及負載在非正常狀態(tài)所產生的電弧檢測?？焖俚碾娀√匦苑治龃隧椆δ芤蠊收想娀√綔y裝置在檢測到電弧產生后，首先根據(jù)當時電壓和電流的關系，運用高效而準確的算法(現(xiàn)多采用傅里葉Fourier變換法則），得到負載的相位角狀態(tài)，判斷出負載的類型，從而得出電弧的產生屬于正?；虍惓５呐袛?，進一步作出是否聲光報警和控制輸出的動作?？梢?，這部分軟件設計將決定故障電弧探測裝置能否在發(fā)生故障電弧時及時做出聲光報警和控制輸出動作，同

18、時，它還將決定故障電弧探測裝置能否在發(fā)生正常電弧時不會產生誤動作。當然，這種判斷還要依靠下面一項功能作為基礎。豐富的負載電弧特征曲線儲備故障電弧探測裝置應包括盡可能多的負載電弧特征，這需要大量的實驗基礎，對絕大多數(shù)的負載電弧特征進行分析，并將其存儲在存儲設備里中。還可以采用自學習方式，故障電弧探測裝置可以在運行狀態(tài)對產生的電弧進行實時的更新。（2）下面將根據(jù)以上功能對軟件實現(xiàn)進行分析：周期電流峰值，全局電流峰值，電流累加值電弧檢測的基本軟件工作原理：首先對正半周期電流峰值以及負半周期電流峰值采樣，針對某一個整周期，將其正半周期的采樣結果和負半周期的采樣結果絕對值相加，求取平均值。然后將此周期的

19、平均值與前一周期的平均值相比較，如果差距大于一個門限值，就判斷為產生了一個電弧。需要指出的是，并不是只根據(jù)某一個周期的差距作出判斷，而是將若干周期的差距累加，如果這個累加值超過了一個預先定義的累積門限，才作出最后的判斷。當然，這個累積值會在一定的時間后復位。電弧特性分析的基本軟件原理：電弧特性分析是通過對電壓和電流的模擬同步檢測實現(xiàn)的。當電壓過零時，其極性將發(fā)生變化，同時，具采樣值呈周期變化，電流的特性也是如此，而根據(jù)傅立葉變換的基本原理，一個周期函數(shù)可以展開成無數(shù)個正弦或余弦的函數(shù)之和，函數(shù)的周期越短，其（級數(shù)）收斂越快，周期越長收斂就越慢。具體的實現(xiàn)方法如下：以電壓波形兩次正向過零為一個整個周期，每半個周期N次采樣。首先，當電壓在正半周期并且N為0時將正弦累積值和預先累積值復位，以此作為一次計算相位的起始。對于余弦累積值的計算，在電壓經(jīng)歷正半周期時