電弧保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)

曾廣周，萬 全，喬予思，步國超，霍 虎

（北京林業(yè)大學(xué)理學(xué)院 電子信息科學(xué)與技術(shù)系，100083）

0 引言

在日常生活、工業(yè)中，各類電器設(shè)備的使用過程中可能引起火災(zāi)。火災(zāi)的發(fā)生將帶來大量的人財(cái)損失。電器火災(zāi)的發(fā)生主要有兩個(gè)原因：由電流因素引起的電器火災(zāi)和由故障電弧引起的電器火災(zāi)。

由電流因素引起的電器火災(zāi)主要是有短路和過載，這種因素通常會(huì)由于產(chǎn)生的大電流而觸動(dòng)斷路器或空氣開關(guān)瞬時(shí)動(dòng)作切斷電源，避免火災(zāi)。而故障電弧引起的火災(zāi)主要由于電線外皮氧化、老化、電線虛接、松動(dòng)等引起。電弧因素由于故障電弧持續(xù)帶來高溫很容易引燃附近可燃物質(zhì)，但接地故障引起的電流較小，不足以使斷路器動(dòng)作跳閘切斷電源，是難以預(yù)知的火災(zāi)因素。

1 基本概念

1.1 電弧

電弧是一種氣體游離放電現(xiàn)象，也是一種等離子體。電弧中的電流從微觀上看是電子及其正離子在電場作用下的移動(dòng)結(jié)果。

根據(jù)電弧產(chǎn)生的機(jī)理，可分為兩類：好弧與壞弧。好?。菏且环N正常的操作弧，主要指電機(jī)旋轉(zhuǎn)（如電鉆、吸塵器等）產(chǎn)生的弧，呈現(xiàn)周期性，在可控范圍內(nèi)；以及當(dāng)人們開關(guān)電器，插拔電器時(shí)產(chǎn)生的弧，時(shí)間短暫，無持續(xù)高溫。壞弧：是故障電弧。因膠皮氧化導(dǎo)致的電線虛接、短接，產(chǎn)生大量熱，因不會(huì)產(chǎn)生大的電流通過電路，使其產(chǎn)生時(shí)并不能被空氣開關(guān)及斷電器檢測，而其產(chǎn)生的持續(xù)高溫極易引燃周圍易燃物，在工廠、學(xué)校及其他公共場所應(yīng)盡量避免。

1.2 國際標(biāo)準(zhǔn)

國際上從20世紀(jì)90年代開始對(duì)電弧故障起因造成的損害及防范措施進(jìn)行深入細(xì)致的研究，美國科研人員隨即開發(fā)了AFCI（Arcing Fault Circuit Interrupter ：電弧故障斷路器）。UL1699標(biāo)準(zhǔn)是規(guī)范AFCI的，UL1699用以識(shí)別由過電流產(chǎn)生的電弧而造成的家庭火災(zāi)。傳統(tǒng)的斷路器可以對(duì)過電流提供保護(hù)，然而研究發(fā)現(xiàn)在沒有過電流發(fā)生的情況下，由小電流引起的故障電弧也有足夠的能量引發(fā)火災(zāi)?，F(xiàn)在UL1699可用于規(guī)范AFCI技術(shù)在家用斷路器、墻式安裝插座，以及便攜式AFCI插座的應(yīng)用。

1.3 國內(nèi)狀況

國內(nèi)對(duì)電弧檢測和保護(hù)的研究相對(duì)起步較晚，電弧故障斷路器在我國還是新興的產(chǎn)品且相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)還未制定，無論是理論還是實(shí)際轉(zhuǎn)換成的產(chǎn)品，都落后于國外。目前，國內(nèi)沒有建立起故障電弧的數(shù)據(jù)庫，AFCI的市場化生產(chǎn)還處于起步階段，國內(nèi)的一些廠家生產(chǎn)的AFCI成品，主要是面向北美出口的空調(diào)插頭，國內(nèi)外市場上針對(duì)低壓配電系統(tǒng)的AFCI產(chǎn)品，都是針對(duì)120V，60HZ的負(fù)荷設(shè)備開發(fā)的。針對(duì)我國的220V/AC，50Hz配電系統(tǒng)的AFCI產(chǎn)品仍是一項(xiàng)嶄新而有前景的技術(shù)。

2 方法選取

2.1 檢測物理量選取

可用于檢測電弧的物理參數(shù)很多，如溫度、弧光等，但此類物理量只能通過傳感器檢測，并且傳感器必須置于電弧發(fā)生處。而實(shí)際上，故障電弧發(fā)生的地點(diǎn)是不確定的，傳感器的方法不能對(duì)電路進(jìn)行全面檢測。安裝過多的傳感器以達(dá)到對(duì)整個(gè)電路的檢測是一種低效的檢測方式。

家用電路中，線路主要以阻性電路為主，電感性電路為次。因此，可選用電路中的電壓、電流及其相位進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測。只需解決用一定算法對(duì)電路中的電流、電壓進(jìn)行分析，判斷出故障電弧，采取動(dòng)作。

2.2 檢測方法選取

電路中的電壓、電流及其相位可反映呈現(xiàn)可觀測的波形。選取檢測方法時(shí)只需通過對(duì)正常電路中電流、電壓波形與故障電弧中電流、電壓進(jìn)行分析，找出兩種情況的異同，并采用一定算法對(duì)兩種波形進(jìn)行分辨。經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)，周期差別檢驗(yàn)算法完全適用故障電弧的檢測。

3 工作原理

3.1 電弧保護(hù)裝置研究原理

互感線圈采集電路中電壓、電流信號(hào)，將其送入跟隨電路，進(jìn)行濾波。將信號(hào)放大后濾波后再送入A/D轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。將數(shù)字信號(hào)采集送入單片機(jī)中進(jìn)行運(yùn)算處理，利用周期差別檢驗(yàn)算法判定，超出預(yù)設(shè)故障值后發(fā)出信號(hào)切斷電路，并發(fā)出警報(bào)。用戶操作開關(guān)停止報(bào)警。復(fù)位后，裝置重新開始檢測。圖中顯示了各個(gè)環(huán)節(jié)的流程圖。其中數(shù)據(jù)采集電路是前期用來對(duì)故障電弧電路以及正常電路信號(hào)的數(shù)據(jù)采集。對(duì)大量數(shù)據(jù)分析以得到更加合理高效的算法，使其能達(dá)到正確檢測的目的。

3.2 周期差別檢驗(yàn)算法

周期差別檢驗(yàn)算法原理：

微處理器可以通過用一種或多種算法處理儲(chǔ)存的電壓/脈沖數(shù)據(jù)而確定電弧事件的發(fā)生。經(jīng)過對(duì)數(shù)據(jù)的分析處理，周期差別算法的意義在于能夠區(qū)分電網(wǎng)中周期性穩(wěn)定影響與非周期性的隨機(jī)影響。實(shí)際電路中，電網(wǎng)頻率的輕微波動(dòng)與電機(jī)類電路中均有強(qiáng)度不等的周期性電弧，此類電弧因呈現(xiàn)周期性，被稱為好弧，對(duì)電路不會(huì)產(chǎn)生不良影響。而故障電弧產(chǎn)生的高頻電流信號(hào)則是隨機(jī)的，強(qiáng)度大時(shí)極易引發(fā)明火造成火災(zāi)，應(yīng)予以避免。

用周期差別檢驗(yàn)算法區(qū)分故障電弧和重復(fù)或連續(xù)變化的干擾負(fù)載。即：

電流相信號(hào)：

電壓相信號(hào)：

式中，Vn-1及In-1分別表示于第一周期所測量的電壓數(shù)值與電流數(shù)值；Vn及In分別表示于第二周期所測量的電壓數(shù)值與電流數(shù)值；Vn+1及In+1分別表示第三周期相應(yīng)的電壓測量與電流測量結(jié)果。通過式（1）計(jì)算得到電流相信號(hào)值Di，確定Di是否超過所設(shè)定的閾值。其中的閾值是經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)測試所得到，不同負(fù)載應(yīng)設(shè)定不同閾值，以達(dá)到準(zhǔn)確精密的檢測和降低誤判率。當(dāng)Di超過此閾值情況下認(rèn)為檢測到電弧故障，裝置起動(dòng)保護(hù)動(dòng)作將電路斷開，而通過（2）式計(jì)算得到電壓相Dv，確定Dv是否超過設(shè)定的閾值。設(shè)定電壓電流兩相電路檢測使得跟精確判斷電路中故障電弧是否發(fā)生。

為了進(jìn)一步提高可靠性，往往還需要在每個(gè)電壓半周期內(nèi)所發(fā)生的由于電弧導(dǎo)致的高頻噪聲信號(hào)的幅值和頻率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，同時(shí)測量每個(gè)高頻噪聲信號(hào)發(fā)生的時(shí)刻并進(jìn)行綜合確定。由于電弧的混沌性質(zhì)，電弧故障時(shí)一般每個(gè)線電壓半周期產(chǎn)生可變幅值和頻率的高頻信號(hào)噪聲。因?yàn)橹貜?fù)或連續(xù)變化的干擾負(fù)載每電壓半周期內(nèi)發(fā)生的高頻信號(hào)基本一致且發(fā)生的時(shí)刻基本相同，具有周期性的特點(diǎn)，而電弧則具有非常大的隨機(jī)性，這些特點(diǎn)可以通過周期差別檢驗(yàn)算法檢測出擾亂負(fù)載還是電弧故障。

3.3 算法流程

（1）開始

（2）對(duì)采樣值進(jìn)行周期差別檢驗(yàn)算法。

（3）計(jì)算值大于閾值則繼續(xù)執(zhí)行。若計(jì)算值小于閾值則直接跳至第（4）步。

（4）脫扣動(dòng)作。

（5）結(jié)束。

4 裝置測試與分析

4.1 實(shí)驗(yàn)過程

裝置測試采用控制實(shí)驗(yàn)變量法。如圖所示，將空氣開關(guān)接入家用交流電路中，以日光燈代替阻性家用電器。在電路中撥開電線皮，用事先磨好的石墨粉灑向撥開皮的零線火線之間以模擬電弧產(chǎn)生過程。實(shí)驗(yàn)步驟1.2的保護(hù)只有空氣開關(guān)；實(shí)驗(yàn)步驟3.4的保護(hù)加入自制電弧保護(hù)裝置，串聯(lián)入家用電路中。

實(shí)驗(yàn)步驟：

步驟1.接好電路，接通電源，電燈正常發(fā)光。

步驟2.在實(shí)驗(yàn)裝置1中電線裸露處灑下磨好的碳粉，模擬電線皮逐漸碳化的過程，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。并根據(jù)情況適時(shí)切斷電源，避免火災(zāi)，操作時(shí)注意用電安全。

步驟3.加入電弧保護(hù)裝置，接通電源，電燈正常發(fā)光。

步驟4.在實(shí)驗(yàn)裝置2中電線裸露處灑下磨好的碳粉，模擬電線皮逐漸碳化的過程，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。并根據(jù)情況適時(shí)切斷電源，避免火災(zāi)，操作時(shí)注意用電安全。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論分析

4.2.1 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：

步驟2后可清晰的觀察到，故障電弧發(fā)生處產(chǎn)生了激烈的火花，并有明火產(chǎn)生的現(xiàn)象。而此時(shí)并未見空氣開關(guān)有任何操作。用電器仍然正常工作。

步驟4后可觀察到，故障電弧發(fā)生處一旦有輕微火花產(chǎn)生時(shí)，電弧保護(hù)裝置便切斷電路，并發(fā)出報(bào)警，此后用電器停止工作，電弧產(chǎn)生處停止進(jìn)一步惡化，而空氣開關(guān)未有任何操作。

4.2.2 實(shí)驗(yàn)分析：

經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果均符合上述描述。又實(shí)驗(yàn)結(jié)果可分析得到，故障電弧產(chǎn)生后，首先產(chǎn)生火花，然后逐漸產(chǎn)生明火，若周圍有易燃易爆物品，這個(gè)過程的危害十分嚴(yán)重。

而裝在電路中的空氣開關(guān)對(duì)電路產(chǎn)生的故障電弧未有任何保護(hù)作用，使得完全有必要對(duì)現(xiàn)如今家用以及工廠等公共場合是用的電路保護(hù)裝置進(jìn)行改進(jìn)的必要。

故障電弧保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)有效的保護(hù)了電路。在220v/50Hz的電路中，電流不小于80-100mA的情況下，故障電弧發(fā)生的電路均能被成功的切斷，故障電弧保護(hù)裝置的反應(yīng)平均時(shí)間以及切斷時(shí)間之和為27ms。且加入電器的瞬間產(chǎn)生的隨機(jī)電弧有軟件區(qū)分，避免錯(cuò)誤操作。

另外生活中存在這樣一種情形：老鼠咬破電線后，被裸露的電線電死，其尸體將被燒焦及碳化。這時(shí)在火線與零線之間存在虛接，亦將產(chǎn)生電弧，此時(shí)產(chǎn)生的壞弧也應(yīng)該被檢測并避免。

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)采用豬肉代替老鼠置于裸露電路之間。這時(shí)豬肉瞬間燒焦呈碳化物，部分實(shí)驗(yàn)中空氣開關(guān)能實(shí)現(xiàn)正確斷路，因其造成的電路短路將產(chǎn)生較大電流。而也存在實(shí)驗(yàn)時(shí)，碳化物未完全覆蓋于火線零線之間，此時(shí)有輕微連續(xù)非周期電弧產(chǎn)生。此時(shí)保護(hù)裝置仍能進(jìn)行正確區(qū)別。

[1]吳卓奇，王莉.《故障電弧檢測概述》.南京航空航天大學(xué).

[2]蔡彬，陳德桂，吳銳.《開關(guān)柜內(nèi)部故障電弧的在線檢測與保護(hù)裝置》.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2005，20（10）.

[3]郭立東，程紅，陳小娟.《針對(duì)住宅的智能電弧斷路器的系統(tǒng)的設(shè)計(jì)》.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）.