针对住宅的智能电弧断路器的系统设计来源：电气技术 时间：2010-07-07 阅读： 36次标签：断路器设计电弧摘要 本文介绍了AFCI 的相关知识及其使用的必要性，阐述了AFCI 硬件电路的设计方案，通过对实验结果的分析，验证了软件算法的可行性。 信息来源:www.365zhanlan.com 关键字：电弧断路器;故障电弧;电弧检测 请登陆:www.365zhanlan.com 浏览更多信息1 引言 信息来源:http:/www.365zhanlan.com 随着经济的飞速发展和人民生活的提高，用电量也在不断增加。用电安全，包括人身安全和防止漏电或电弧故障引起的火灾，日益受到人们重视。目前，剩余电流保护断路器已广泛采用，但它在一些场合起不到故障电弧保护作用，因而美国研制了一种电弧故障断路器(AFCI)，用于家用AFCI 已在市场上出售，用于航空、汽车和工业领域的也在开发中1。 信息来源:365zhanlan.com 电弧是两个电极之间跨越某种绝缘介质的持续放电现象，经常伴随电极的局部挥发2。电弧存在的区域会产生很高的电离气压，导致电弧被局限的任何地方都会释放出高热气体和电极物质粒子2。 信息来源:http:/www.365zhanlan.com线路上的电弧可分为“好弧”和“坏弧”两种。“好弧”是指电机旋转(如电钻、吸尘器等)产生的弧。另外当人们开关电器，插拔电器时产生的弧也属于“好弧”。“坏弧”是故障电弧。在低压供配电线路中，有串联、线对线、线对地3 类电弧故障1。电弧的电流和电压波形一般不是简单的正弦波性。经研究发现，并联电弧的性质更具一般性，而串联电弧的性质受到负载类型的影响，特性较为复杂。经过对大量电弧波形的研究，发现所有电弧都具有一些共同的特性，如高频噪声、电压降、电流低、上升速率高、有“平肩部”等3。 信息来源:www.365zhanlan.com 本文主要设计针对住宅的智能电弧故障断路器，包括硬件电路设计、软件简介、实验分析等方面的说明，为实现智能电弧故障断路器的实际应用提供参考。 信息来源:http:/365zhanlan.com 2 电弧断路器的硬件设计 请登陆:www.365zhanlan.com 浏览更多信息本文设计研制的电弧断路器的硬件总框图如图1 所示，控制芯片选择的是AVR 公司的ATmega16，这是一块典型的8 位AVR 单片机。 请登陆:www.365zhanlan.com 浏览更多信息 信息来源:www.365zhanlan.com 信息来源:365zhanlan.com图2 是信号采集模块的原理图，电流互感器的电流信号转化为电压信号，再经过高通滤波器，将低频率的信号去掉。经过上述的几个模块的作用，电流信号就可以有一定选择的传过来了。但是，电流互感器的输出电流较小，加上电阻的作用，过来的信号相对单片机的工作电压还是比较小。故在后面设计一个放大电路。单片机要求的有效电压是05V，而信号采集过的时候是一个零点上下都有的正弦波，要将波形整体移到零点以上，所以在信号进入单片机之前加一个整形电路。根据单片机的要求，电路用5V 电源将电流波形拉上去。D6 是一个二极管，起到对单片机的保护作用。而电容C14 是一个滤波电容，它与R6 构成一个低通滤波器。这与前面的高通滤波器共同构成一个带通的滤波器。信号输入单片机的A/D 转换端。 信息来源:365zhanlan.com 请登陆:www.365zhanlan.com 浏览更多信息 信息来源:365zhanlan.com 图3 是电压比较器的电路原理图，由于电弧的电流的特性都比较复杂，所以在软件设计时，还要观察其电压波形的变化，用来判断电流过零点的时刻，故我们又设计了一个电压比较器的电路，并接到单片机的中断管脚上。 信息来源:www.365zhanlan.com 信息来源:www.365zhanlan.com 请登陆:www.365zhanlan.com 浏览更多信息 3 软件相关简介 请登陆:www.365zhanlan.com 浏览更多信息 三周期法：微处理器通过用一种或多种算法处理储存的电压/脉冲数据而确定电弧事件的发生。图4 是其流程图，此方法参考德州仪器公司的专利4。 信息来源:365zhanlan.com 信息来源:http:/www.365zhanlan.com 信息来源:www.365zhanlan.com 4 电弧断路器的实验分析 信息来源:365zhanlan.com 试验平台的电路结构如图5 所示，包括供电电源，开关，负载，和数据采集设备。供电电源按照标准要求能够提供220V 交流的电压。 请登陆:www.365zhanlan.com 浏览更多信息 信息来源:365zhanlan.com 信息来源:365zhanlan.com 电弧发生器是人工产生持续燃烧电弧的设备，是实验中最重要的设备。将电弧发生器同各种负荷设备连接后，使电弧燃烧，就可以研究各种负荷状态下的电弧特性。在有此实验平台的基础上，我们共做了一组波形分析实验，此实验是：电炉子正常波形与电弧发生时的波形对比。如图6，下面是具体的波形图与分析。 信息来源:http:/www.365zhanlan.com 信息来源:365zhanlan.com 信息来源:www.365zhanlan.com 图6 中，(过零点的正弦波)是实际的电流波形;(不过零点的正弦波)是电流互感器传过来的信号波形经过了放大、整流等处理之后的波形，此波形是从R7 与R6 的连接点显示出来的;(方波)则是电压比较器最终进入单片机时的波形(之后的波形位署与此图一致，分别用、波形代替)。 信息来源:http:/www.365zhanlan.com示波器下方的2、3、4 分别给出了对应的波形的标度。显然，2 号蓝色对应波形的标度是1V/格，可以看到，这个波形是在2.5V 上下波动的，附合电路设计和单片机的要求。所以它可以做为输入信号输入单片机的A/D 转换管脚。再A/D 转换后，单片机将跟据软件对其进行分析处理。3 号红色对应的波形的标度也是1V/格，电压在04V 之间，也附合单片机的要求。可以做为同步信号使用。4 号绿色则是通过电炉子的电流波形，其标度是2V/格，由图可以看出，它处于正常用的工作状态。 信息来源:http:/www.365zhanlan.com在上个实验的基础上，将电弧发生器的接触棒向外转动，让它形成电弧，观察示波器中的波形，如图7。很明显，绿色的实际电流波形的零点附近形成了一个平台。同时，从电流互感器的传过来的电流信号与实际的电流一样也形成了一个平台。这个平台是电弧电流波形的特征，可以据此来判断电弧是否发生。 信息来源:http:/www.365zhanlan.com 信息来源:http:/365zhanlan.com 信息来源:365zhanlan.com总结，电弧波形的普遍特性有：电弧电流的幅值比正常电流的幅值略小;某些半周波在过零点附近存在一段电流为零的区间，即“平肩部”。 信息来源:www.365zhanlan.com 整个实验平台设备齐全之后，将软件程序传到单片机内，看一下各种算法的成功率如何。这里我们实际测试一种常用的软件算法：经过带通滤波器的三周期法。下面是我们做的几组不同的三种负载的100 次实验，三种不同负载情况的，这种算法作用情况的统计结果见表1。 请登陆:www.365zhanlan.com 浏览更多信息 信息来源:365zhanlan.com 信息来源:365zhanlan.com 对结果的分析： 信息来源:www.365zhanlan.com三周期法(以后简称算法一)，我们在做实验的过程中发现，算法一的动作灵敏度不是很高，当然可以通过软件程序调解其阀值来改变其灵敏度，我们这里实验的是在一个特定的阀值下进行的。在此阀值下，算法一的动作一般要在电弧发生之后的2s钟左右才开始动作，而这种慢动作正好有效地防止了误动作。可以明显从表中看出，算法一在这几种负载下，都没有发生误动作的情况。从不同的负载的角度来看，电炉子负载时，94 次是正确动作，6次没有动作，正确动作率有94%;电熨斗负载时，是93 次正确动作，7 次没有动作，正确动作率也是93%;而当电炉子和电熨斗复合负载时，却只有76次正确动作，24 次都没有动作，正确动作率仅有76%。由此可以看出，算法一对于单个负载的发生电弧的情况的判断是很准确的，而对于多负载，复合负载的情况，算法一就不是十分的准确了。 信息来源:http:/www.365zhanlan.com 最后从负载的不同纵向看，发现电炉子的负载情况下算法一可以解决，电熨斗负载的情况下算法一也可以解决，复合负载的情况下算法一可以解决，但是正常动作率确不是很高。由此可以看出，小电流单个负载发生电弧的情况比校容易解决，而当大电流和多负载时则需要进一步的实验和研究。实际生活应用中还会有容性和感性负载，这些复杂的负载的电弧判断更需要进一步的研究。 请登陆:www.365zhanlan.com 浏览更多信息 5 结论 信息来源:http:/www.365zhanlan.com (1)本文主要完成了4 项任务：对电弧的定义、分类以及特性进行了详细的介绍;完成了电弧断路器的基本硬件电路的设计，其中包括单片机附属电路、信号采集电路以及电压比较器电路等;搭建了电弧断路器的实验平台，分别对电弧发生器和电弧断路器的电路板进行了详细的描述。并介绍了其使用方法;依据实验平台方案，采用电炉子、电熨斗、台灯等负载进行了电弧故障断路器的实验，包括故障电弧电流的数据采集、处理、算法验证，实验结果验证了硬件电路设计的正确性，并初步证明了电弧判断相关的软件算法的可行性。 请登陆:www.365zhanlan.com 浏览更多信息 (2)改进措施与下一步工作展望电弧检测算法需要完善，用来区分负荷种类，然后再进行电弧特征识别。还可以将第三章中提到的第二种算法完善，进行相关实验，并根据实验结果进行调试。在两种算法都有一定的成功率时，尝试做一些两种算法取“与”、“或”的关系得到最佳的正确动作率。 信息来源:http:/365zhanlan.com 由于电弧波形的复杂性，现存的算法或多或少都存在不同程度的缺陷。可以通过对实验数据的分析想出新的算法，更好地解决电弧判断的问题。