电弧故障类型主要为串联电弧故障与并联电弧故障。依照国家标准设计了并联故障类型的电缆切割装置、串联故障类型的点接触装置和电缆碳化装置。其中, 电缆切割装置利用步进电机带动钢制刀片切割两根带电电缆来产生并联故障电弧, 如图2(a)所示; 点接触拉弧装置是利用步进电机牵引两个接触的带电电极逐渐分离, 二者之间的距离满足故障电弧产生条件时, 将产生故障电弧, 如图2(b)所示; 电缆碳化装置利用高电压小电流对两根试验电缆进行碳化, 使其表面形成碳化通道, 当电流流过碳化通道时将产生故障电弧, 如图2(c)所示。

图2

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	图2 机械式故障电弧发生装置

本文利用上述两种模拟装置产生电弧故障, 并利用上位机平台采集不同运行条件、不同负载下的试验波形并进行归类存储; 同时针对电弧故障电流“ 零休” 现象、丰富的高频分量、电流变化率大等特点^[10], 设计以电弧故障波形发生装置代替传统电弧发生方式, 通过调节阻抗的方式来调控电流并实现波形的输出; 国内关注的电流频率分量在约几十kHz^[11]。因此, 本文在重现上述电弧故障特征的基础上, 将输出电流带宽定在100 kHz以内。

电弧故障波形发生装置主要由波形隔离输出模块、功率放大模块、信号采集模块Ⅱ 3部分组成。波形隔离输出模块将高速数据采集卡输出的小信号模拟量进行隔离保护, 从而避免硬件电路对采集卡造成影响; 功率放大模块对模拟量信号的功率进行提升, 从而达到与原始波形功率匹配效果; 信号采集模块II用于监测最终输出信号, 经由高速数据采集卡被上位机平台采集并与原输出波形进行对比分析。

2.2.1 波形隔离输出模块

波形隔离输出模块选用双极性光电耦合器作为核心器件进行设计。由于光耦的原边LED只能由正向电流驱动, 因此增加设计一个偏置电流, 使得双极性波形能够在该电流值上下浮动。这个过程称为静态工作点设置, 光耦隔离电路如图3所示。

图3

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	图3 光耦隔离电路

图3(a)为光耦原边驱动与反馈电路, 其输入点M的偏置电流由可调稳压管TL431实现。通过TL431与周围阻容器件的配合, 设置前端偏置电流 IQ1与后端偏置电流 IQ2。 IQ1是为了实现双极性信号传递, IQ2是为了消除输出电路的直流误差。由运放的“ 虚短” 、“ 虚断” 特性以及双极性光耦的传输特性, 可以得到输入与输出的比值A₀。

A0=UOUTUIN=(1+R15R16)R14R13R1R8(1)

因此, 通过设置R₁、R₁₄、R₈、R₁₃、R₁₅、R₁₆ 6个电阻阻值, 可以将隔离放大电路的增益A₀设置为1, 从而达到隔离的效果。

2.2.2 功率放大模块

经过隔离的模拟信号功率达不到原始电流的需求, 因此为了实现小信号的放大输出, 设计了类电子负载的功放电路。电子负载分为能馈型与能耗型两类。能馈型电路结构复杂, 不易控制, 并且电路的器件始终处于开关状态, 通过频率难以超过1 kHz; 能耗型电路控制器件工作在放大状态, 通过负载耗能的方式来调节线路电流, 就能避免开关频率的影响。

能耗型负载调控电路框图如图4所示。将功率调控单元接在AFDD后端。该单元由大功率开关管与相应元器件组成, 控制相应开关管导电沟道的宽度便能实现电流波形的调控。由于此时开关管处在放大状态, 一方面避免谐波分量的引入, 另一方面输出的电流信号频率就不受开关频率约束, 只与D/A转换的速率与驱动单元有关。

图4

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	图4 能耗型负载调控电路框图

功率放大电路如图5所示。其中U_OUT为隔离后模拟信号, AFDD_L与AFDD_N为功率放大模块的输出, 接到AFDD的出线端, AFDD相当于一个两极开关, 开关闭合后即将220 V电源加到AFDD。MOS管M1与M2承担电流调控任务; R₃₁与R₃₂用来检流同时反馈到运放U6与U7; U6与U7与周围阻容器件构成了PD调节器, 用于调节流过M1与M2开关管上的电流。

图5

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	图5 功率放大电路

图5中MOS管调控电路原理:当U_OUT信号为正半周时, AFDD_L与AFDD_N两端电压也为正, U_OUT经运放U5反向之后, 输入到U6负端, 此时M1导通沟道随着栅源电压变化而改变, 从而起调节电流的作用, 而运放U7此时负端输入信号为正, M2直通; 当AFDD_L与AFDD_N上电压为负半周时, U_OUT信号也为负半周, 此时M2负责调控电流, M1直通。为了保证上下电路的对称性, 上下PD调节器所取电阻与电容值都应相等, 使U_OUT与电源电压极性匹配, 才能保证功率放大电路的正常工作。

由于单个MOS管最大限流为1 A, 因此可将图5电路作为单个功放模块, 在一定范围内并联多个功放模块, 可以提高输出电流的功率, 从而达到试验要求。

上位机平台是新型电弧故障模拟发生装置硬件控制的核心部分, 用于实现对机械式电弧故障发生装置和电弧故障波形发生装置硬件资源的控制和监测, 并构建电弧故障波形数据库。根据用户自主选择调用波形数据库数据并联合高速数据采集卡实现波形输出; 同时实时采集电弧波形发生装置输出的波形并与原输出波形信号进行对比分析, 以验证功率放大模块输出波形的准确性。上位机平台程序流程图如图6所示。

图6

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	图6 上位机平台程序流程图

为了考察信号隔离电路直流与交流信号的传输效果是否能够达到信号传递的要求, 在Multisim中建立如图3的光耦隔离电路, 输入为U_IN, 输出为U_OUT。首先将U_IN设置为直流源输入, 利用Multisim中DC sweep模块对电流进行直流扫描, 输入电压U₁范围为-10~10 V, 间隔为0.1 V。直流扫描仿真结果如图7(a)所示。由图7(a)可见, 可以看到输出电压相对于输入电压成正比例关系, 具有良好的跟随性能。将信号隔离仿真中的直流输入源改为交流输入源, 利用Multisim中AC analysis模块进行交流信号分析, 设置扫描频率从0.01~10 MHz变化。交流扫描仿真结果如图7(b)所示。由图7(b)可见, 隔离电路的频率特性在100 kHz以内跟随性能很好, 在经过1 MHz以后其跟随性能下降很快。这能够达到本文所要求的电流频率范围, 可以将其作为波形还原的隔离电路使用。

图7

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	图7 信号隔离电路仿真结果

将图3信号隔离电路的U_OUT作为图5功率放大电路的输入信号, 同时为了模拟AFDD闭合时两极端口上220 V电压, 在Multisim中的AFDD_L与AFDD_N放置220 V模拟电压源。

将阻性负载电弧故障的电流波形作为原始波形进行仿真。阻性故障原始电流波形如图8所示, 仿真波形如图9(a)所示。由图9(a)可见, 交流型波形输出还原电路很好地对原始波形的“ 零休” 时间、电流变化率等特征进行重现。将原始波形与还原波形分别进行FFT变换, 如图9(b)所示。由图9(b)可见, 在各个频率分量幅值较高的点, 还原电路的跟随性能都较为出色。

图8

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	图8 阻性故障原始电流波形

图9

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	图9 单模块功率放大电路仿真结果

由于单个功率放大模块仅能还原原始波形功率的13%, 因此采用多个功放并联形式, 以逐级提高还原信号的功率。图10(a)为在理想模式下两个功率放大模块并联后的仿真波形图, 原始波形图仍为图8中故障电流波形, 还原后的电流幅值可以达到原来单个模块的2倍, 功率上可以达到原始波形的25%, 并且还原后的波形也达到了较好的效果。同样, 对原始波形与还原波形做傅里叶变换, FFT变换如图10(b)所示。由图10(b)可见, 还原电路在各个频率点下都具有较好的跟随性能。

图10

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	图10 双模块功率放大电路仿真结果

由仿真结果可见, 功率放大模块在理想情况下可以得到良好的仿真结果, 既保证了波形的还原度, 又能达到所需功率, 可用作实际波形还原的功率放大电路。