电弧故障最常见的两种故障类型为串联电弧故障和并联电弧故障, 而从拓扑结构角度来说接地电弧故障属于并联电弧故障。电弧故障的形式不一样, 其伴随的电弧故障波形也不相同, 而多种多样的负载也就使得电弧故障的波形千差万别。

常见故障电弧类型如图1所示。串联电弧故障常为单线故障, 即单根导线由于机械断裂或老化引起接触不良而出现的电弧故障, 如图1(a)。并联电弧故障通常为多线故障, 即相线与零线间因绝缘皮破损或老化而导致的电弧故障, 其电流有效值较短路状况更小和持续时间为间歇性, 如图1(b)。接地电弧故障通常为相线与大地之间短路产生的电弧故障, 从拓扑结构上认为接地电弧故障也属于并联故障电弧, 如图1(c)。

图1

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图1 常见故障电弧类型

本文对常见的住宅电弧故障的电流和电压波形进行分析^[9], 并结合国内外学者对故障电弧的研究得出电弧故障的特征:

(1)故障电弧的电流会出现零休现象, 即“ 平肩部” ;

(2)故障电弧的电流上升速率较正常情况更快;

(3)故障电弧的电压会出现压降现象;

(4)故障电弧电流幅值较正常情况小;

(5)故障电弧电流波形中含有高频噪声;

(6)故障电弧电流正负半周波形不对称;

(7)故障电弧电压波形形状与矩形相似;

(8)故障电弧存在间歇性;

(9)故障电弧电流的谐波及间谐波含量会增加。

在AFDD对电弧故障进行识别时, 常常因为某些负载(如开关电源、手电钻等)正常情况下的波形与电弧故障电流波形相类似, 因而需要硬件采集和处理时提高精度, 以及更精确智能的电弧故障检测算法对其进行区分。

电流互感器作为常用的隔离检测元件, 被广泛用于电流信号的检测。在AFDD产品中, 不同类型的电流互感器被设计来检测工频电流信号和高频电流信号。其中工频电流互感器的设计与其他保护装置类似, 一般采用硅钢、超微晶等铁心材料为主。当应用在电弧断路器产品中时, 铁心的尺寸需设计得较小, 不仅满足在小体积壳体空间内的布置, 同时还满足二次侧线圈的多层紧密绕制。

电弧故障信号检测的主要对象是电弧故障过程中产生的高频随机信号(高频脉冲)。此类信号检测过程中, 互感器应能快速响应并且保证输出强度, 同时不能产生饱和现象, 体现出电弧故障信号的特征, 故一般采用高频响应特性较好的磁粉芯材料。

电子控制器的结构框架图如图3所示。主要分为4个部分:信号调理电路、算法控制器、电源电路、驱动电路等。信号调理电路是对互感器采集的信息进行预处理并发送给控制器, 控制器内集成的控制算法对电弧信号进行分析判断, 判别是否产生电弧故障, 若产生电弧故障则给驱动电路一个信号, 驱动电路驱动脱扣机构进行脱扣操作, 保证电路安全。电源电路为整个系统供能。

图3

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图3 电子控制器的结构框架图

(1)电源电路的稳定是整个系统的关键, 为控制器、调理电路、驱动电路等提供电力保障。电弧检测的硬件系统对电源的要求较高, 虽然整个电路的功率较小, 但采用线性电源较难满足实际应用的宽电压范围要求, 通常考虑采用开关电源进行供电。目前市场上有较多种类的专用开关电源芯片, 如Buck式、Boost-Buck式等。开关电源电路如图4所示。

图4

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图4 开关电源电路

在实际产品设计中, 电源电路还应充分考虑系统稳定性与可靠性的设计, 比如交流电源侧的电涌防护、内部安规元件的选型以及输出侧的纹波处理等。

(2)信号采集电路主要包含传感器输出信号的采集、前端预处理和A/D转换。在电弧故障检测中, 通常包含多个传感器, 分工频和高频两路信号, 故在前端预处理过程中会分别对不同频率的信号进行整流、滤波、放大等处理, 将电流信号转换成符合主芯片A/D端口电压范围的信号。前端预处理电路通常采用运算放大器及其外围电路搭建而成。

(3)算法逻辑处理电路通常由微处理芯片及其外围电路构成, 主要完成信号分析、电弧故障判断、动作驱动等功能。作为整个电子控制器的核心元件, 微处理器承担着数据分析、处理、系统监视等重要的功能。由于电弧信号分析频段各不相同, 对于微处理芯片的具体配置要求也各不相同。通常情况会充分考虑微处理器的A/D转换能力、数据运算能力、存储空间、I/O端口功能等主要指标。

随着电弧故障检测技术研究的深入, 针对单一功能定制芯片受到越来越多的关注与应用。目前在国外产品中, 其电路模块会采用专用芯片, 以封装部分功能电路。一方面简化整体电路, 提高该部分功能的运行稳定性; 另一方面利于公司核心知识产权的保护。随着芯片技术的不断发展成熟, 国内也有较多企业开展电弧故障检测专用芯片的研制与应用。

(4)驱动电路主要功能是响应控制电路的动作指令, 驱动执行元件的动作, 发出报警信号或断开主电路。其通常由一个功率开关元件及其外围电路构成。在实际产品设计中, 需要根据应用环境的复杂性, 充分考虑电路防护设计, 提高电路安规设计, 增加RC吸收电路等防护电路^{[10 ]}。脱扣器驱动电路如图5所示。

图5

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图5 脱扣器驱动电路

AFDD硬件技术对于AFDD产品的研发至关重要。互感器材料的选取直接影响电流信号采集精度, 而信号调理电路以及算法逻辑电路会影响电弧故障检测的判断准确率。因而, AFDD硬件技术的发展能够让产品快速、准确、自动的识别电弧故障并减少误动作。

采用SOM网络对电弧数据进行预处理, 并采用K均值法进行处理, 从而得到SOM网络聚类结果。综合各个负载下电弧故障, 可以通过计算零休时间来判断“ 电流零休” 是否发生; 同时可以采用计算平均值的方法来判断电流周期是否对称, 采用差异值计算方法即将相邻周期的电弧数据进行对比, 判断是否相似, 来判断电弧数据周期性是否被破坏; 最后采用小波变换的方法判断电弧数据是否发生了突变。综合这些信息来判断是否发生了电弧故障。SOM神经网络法流程图如图6所示。

图6

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图6 SOM神经网络法流程图

该方法首先通过硬件电路采集电弧数据, 然后将采集来的电弧数据进行时域和频域处理, 并采用小波变换的方法提取有效的特征值, 将其输入到三层BP神经网络中进行故障识别, 从而得到故障信息的方法。整体故障诊断流程图如图7所示。

图7

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图7 整体故障诊断流程图

该方法是分别通过硬件采集电弧信息后, 采用时域和频域的方法进行数据处理, 并建立时域判定指标和频域判定指标。时域判定指标有电流零休时间、电流上升率的最大最小值、电流的平均值以及波动率等; 频域判定指标主要为10以内奇次谐波和偶次谐波分量等。采用统计学的方法进行统计与对比, 从而得出电弧故障判断的统计量。统计分析算法流程图如图8所示。

图8

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图8 统计分析对比算法流程图

结合智能化的算法对电弧故障时频域进行综合分析的方法能够提高电弧故障检测算法的准确性、计算速度以及鲁棒性, 使AFDD装置能够对电弧故障快速检测和识别, 实现自适应控制。