【文章內(nèi)容簡介】 測 。 4）智能化：實現(xiàn)與智能電網(wǎng)的融合，最終成為其一部分。 智能電網(wǎng)中多級 AFCI 的優(yōu)勢 若能實現(xiàn)多級 AFCI 在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用，其優(yōu)勢顯而易見， 1）安全性：各 AFCI 分工合作可以使 AFCI 的安全保障性大幅度提高，以往AFCI 只能依靠單個的 AFCI 實施檢測，現(xiàn)在可以依靠多級的 AFCI 協(xié)同響應(yīng)以提高其安全性 2）準(zhǔn)確性：現(xiàn)在可以更準(zhǔn)確的描述故障電弧發(fā)生的位置，包括故障電弧的相對位置，如可以知道電 弧發(fā)生在第幾級網(wǎng)絡(luò)的第幾個 AFCI 上；以及通過算法得知電弧的絕對物理位置，可以幫助維修人員準(zhǔn)確的找到故障位置。 3）可拓展性：多級的 AFCI 具有可拓展性，也就是說， AFCI 網(wǎng)絡(luò)是可以無限擴大的，當(dāng)然隨著網(wǎng)絡(luò)的擴大，相應(yīng)的算法與處理能力也要做相應(yīng)的改變，其約束條件我們也將在下文中提及。 4）智能化：大型的 AFCI 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有智能化理念，故障電弧信息應(yīng)集中到中央處理單元集中處理，這里指大型網(wǎng)絡(luò)應(yīng)是形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的電力輸送網(wǎng)絡(luò)，而不是單純的樹形結(jié)構(gòu)，因為電弧發(fā)生后無法自主的排除故障，必須依靠人工排除，所以當(dāng)一條輸送線 路被切斷以后，應(yīng)智 能分配另一條 線路保證供電穩(wěn)定。 5）可融合性：多級 AFCI 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)可以 和 以后的智能電網(wǎng)系統(tǒng)進行融合，最終成為智能電網(wǎng)的一部分。 主要研究內(nèi)容 研究內(nèi)容主要分為單級 AFCI 研究與多級 AFCI 研究 單級 AFCI 研究的重點： . . 1）對電弧的檢測：電弧檢測算法，檢測過程，簡單的試驗流程，對誤檢測的判定等。 2）對單級電弧的簡單建模 在單級 AFCI 的理論上我們就可以繼續(xù)對多級 AFCI 進行研究： 1）多層次 AFCI 問題進行了詳細分析。 2）提出 一 個解決方案來解決電弧故障多檢測的多層次之間使用常規(guī) AFCI 系統(tǒng)的協(xié)作溝通 AFCI 問題。 3）了解多級 AFCI 其規(guī)格和協(xié)議 ：時間響應(yīng)，流程圖，通訊傳輸協(xié)議，多級協(xié)同測定的方法等。 最后在多級 AFCI 的基礎(chǔ)上給出其在智能電網(wǎng)上的應(yīng)用模型。 . . 第 2章 單級 AFCI 理論模型 UL1699 協(xié)議 AFCI 技術(shù)在家電領(lǐng)域的應(yīng)用是由 UL 1699 標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)范的。 UL 1699 發(fā)展于上世紀(jì) 90 年代，用以識別由過電流產(chǎn)生的電弧而造成的家庭火災(zāi)。傳統(tǒng)的斷路器可以對過電流提供保護，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錯誤電弧也有足夠的能量引發(fā)花火 從而引起火災(zāi)。 UL1699 最初 是用于規(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。關(guān)于斷路器的規(guī)范可分為兩部分：針對支路分配的基本要求和針對組合器件的嚴(yán)格要求。今天許多最早符合 UL1699 標(biāo)準(zhǔn)的家用斷路器已不能滿足現(xiàn)今的標(biāo)準(zhǔn)，這是因為早先的技術(shù)已不能滿足越來越嚴(yán)格 UL1699 的要求，尤其對各種不同的負(fù)載所產(chǎn)生的非錯誤電弧不能有誤動作這一點有更嚴(yán)格的要求。 ULl699 的規(guī)范可分成三種電弧測試方式：電弧檢驗測試，誤動作測試，和負(fù)載起動測試 [5]。最初 ULl699 起草時，重點是防止普通負(fù)載 (如電機、燈、電子控制系 統(tǒng)等 )在非錯誤電弧發(fā)生時的誤動作。如今隨著 AFCI 技術(shù)強制在家用空調(diào)電源插頭上的應(yīng)用，使得 AFCI 技術(shù)既要能符合 ULl699 的安全規(guī)范，同時又要能滿足空調(diào)運行條件的要求 (我們稱之為產(chǎn)品適用性 )，然而目前 ULl699 對于產(chǎn)品適用性這一點并無要求，但在產(chǎn)品實際使用中這點卻非常重要。此外，目前一些已出現(xiàn)的新型負(fù)載和操作條件發(fā)現(xiàn)并未列入 UL1699 標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，如電源線連接裝置、風(fēng)扇速度控制器和其他一些應(yīng)用。這也對 AFCI 技術(shù)在適用性方面提出更高的要求。 UL1699 要求，在 AC 線路上，當(dāng) AFCI 在 內(nèi)察覺到 8 個半 周的故障電弧，斷路器執(zhí)行脫扣，切斷 AC 線路。脫扣時間因在 內(nèi)，且 UL1699 規(guī)定應(yīng)防止正常工作電弧而斷開電路的誤動作。 電弧檢測算法 本節(jié)中需要對 AFCI 中故障電弧檢測的方法進行討論，以便對下文中多級的. . AFCI 檢測算法提供支持，可以肯定的是單級 AFCI 檢測方法的差異必然會影響到多級 AFCI 的檢測。 AFCI 在制造中需要定義其電弧檢測的方法，基于對現(xiàn)有 AFCI 的認(rèn)識，國內(nèi)外對于電弧檢測的方法主要有 3 種： 1）建立故障電弧的模型，通過檢測電弧響應(yīng)的參數(shù)來檢測出故障電弧 2）根據(jù)電弧的一些聲、光、電等物 理現(xiàn)象來判斷電弧 3）根據(jù)電弧發(fā)生時產(chǎn)生的電流電壓等電信號判定 第一種方法基于電弧數(shù)學(xué)模型 ,這里可以羅列出諸多模型，例如： Cassie 模型和 Mayr 模型 [6]，二維 MHD 電弧數(shù)學(xué)模型、三維 MHD 電弧數(shù)學(xué)模型、器壁侵蝕型電弧數(shù)學(xué)模型等。這些模型主要應(yīng)用于檢測和設(shè)計本質(zhì)安全型電路研究，建立各種伏安特性曲線模型以及電流線性衰減模型 [7]。 但是由于電弧數(shù)學(xué)模型使用的限制、 檢測參數(shù) 相對較 多 ,目前利用電弧數(shù)學(xué)模型進行故障電弧檢測進展得十分緩慢 ,僅停留在仿真階段 [8]。所以在本文中不予采用。 第二種方法基于電弧物 理現(xiàn)象，此種方案需要采集電弧發(fā)生時的聲光電信號，表現(xiàn)為高溫、高壓、噪聲和強烈的電弧光。這種也已有諸多的方案：如利用壓力分區(qū)話筒、紅外線接收器 及回路天線檢測電弧放電時的噪聲 、熱量及電磁輻射等 ,亦可使用分光照相機等光學(xué)儀器進行分析 [9]。在國際上已有相關(guān)產(chǎn)品如德國 Moeller公司用于低壓開 關(guān)柜的故障電弧保護系統(tǒng)、芬蘭 Vaasa公司的 VAMP系統(tǒng)等。都是基于檢測電弧故障時發(fā)出的弧光以及過流雙判據(jù) ,提供快速而安全的保護 但是可以發(fā)現(xiàn)此類產(chǎn)品有很大的局限性，首先傳感器的靈敏度較高，造成誤檢測的概率較高，其次檢 測點必須靠近電弧發(fā)生點，然而電弧的發(fā)生位置有極大的隨機性，第三，此類產(chǎn)品對于好弧的辨別能力不強，容易產(chǎn)生誤判。 第三種方法基于電流電壓波形來進行判斷，居于對電弧的電流電壓的研究，可以得出以下一些交流電弧的性質(zhì)： 根據(jù)相關(guān)研究，交流電弧有以下一些主要特征 ，如圖 所示 ： . . 圖 交流電弧特征 ①電壓和電流波形具有高頻噪聲。②發(fā)生電弧時電壓幅值會跌落。③由于電壓跌落，發(fā)生電弧時電流會比不發(fā)生電弧時要小 。④電流上升速率通常要比不發(fā)生電弧大。⑤在每半個周期內(nèi)電弧會在電流降為零之前熄滅，同時又會在過零點后重新點燃，這樣就會出現(xiàn)零電流附近一段接近平坦的波形，稱之為肩平部分。⑥電壓波形看起來更像矩形。⑦電弧發(fā)生一般是隨機不規(guī)則發(fā)生的，一般會在正常電流中間突然出現(xiàn)幾個電弧波形 [10]。 利用這些性質(zhì)，就可以對電弧 發(fā)生時的電流與電壓進行采樣，采樣頻率是基于各種算法的要求，如傅立 葉分解、小波分 析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法，在這些算法的基礎(chǔ)上還可以進一步細分出快速傅立葉，短時傅立 葉，各種小波算法等，從算法上分析，傅里葉是一種頻域算 法，而小波屬于時域 頻域算法。對于算法的原理，本文不做具體說明，我們將單個 AFCI 作為一個黑盒進行研究。 利用電弧的電流電壓檢測故障電弧易于實現(xiàn) ,且檢測位置受限制較小 ,已成為目前的研究熱點。在本文中 AFCI 均定義使用此種方法，使用前兩種方法作為檢測方法的 AFCI 不在本文討論范圍。 單級 AFCI 模型 在討論二級 AFCI 前，先應(yīng)該對單級的 AFCI 做一個定性分析，這里我們提出了一個理論性的背景用來描述當(dāng)電弧發(fā)生是單級的 AFCI 是如何工作的： . . 1. 正常情況下單級 AFCI電路 圖 單級 AFCI電路模型 圖 （ a）中顯示了一個 220V 交流的無電弧發(fā)生時的電路，電流、電壓和呈現(xiàn)出以下的關(guān)系： (1) 其中 和 是 的電壓和電流。阻抗 是一個根據(jù)用戶的負(fù)載或使用特點而變化的時變函數(shù)，但是在這里， 我們認(rèn)為 為一個簡單時 不變系統(tǒng)。 AFCI 電路 圖 （ b）顯示出一個發(fā)生電弧的電路。有關(guān)于電壓的等式表示為： （ 2） 從圖 （ b）中可以看出， ， ， 和電弧產(chǎn)生的負(fù)載 的關(guān)系可以表示成以下等式： 盡管 也是一個時變的系統(tǒng)，但是我們可以用 來代替 以求簡化，所以根據(jù) 1 式和 2 式，我們就可以得到 進而推導(dǎo)出 的表達式為 使用 代替 ，我們就可以得到 新的表達式 (3) . . 圖 電弧電流與正常電流比較圖 顯然，當(dāng)電弧產(chǎn)生的時候，在 AFCI 檢測到電弧產(chǎn)生的異常電流， 如圖 所示， 這種電流擁有“平肩部”的特征且?guī)в懈哳l噪聲， AFCI 可以辨別出這些異常電流 [11]。 . . 第 3章 多級 AFCI 理論模型 二級 AFCI 模型 當(dāng)我們定性了單級 AFCI 的工作過程后，就可以引入多級的概念，來解釋為什 么多級的 AFCI 不能很好的工作，在這里需要使用一個兩級的 AFCI 系統(tǒng)，上級一個 AFCI 并聯(lián)下級四個 AFCI。 正常情況下的兩級 AFCI 電路 圖 給出這個在 220V 正常工作的兩級 AFCI 電路，可以用以下等式描述： 圖 正常情況下兩級 AFCI電路 (4) (5) (6) . . 在 6 式中 是一個復(fù)合阻抗，通過觀察 的關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)它們的電壓、電流和電阻關(guān)系如下： (7) 根據(jù) 1， 4， 7 式，可以得出等式 ： (8) 兩級 AFCI 中上級發(fā)生故障電弧 圖 兩級 AFCI上級發(fā)生電弧故障 如 圖 所示， 給出了當(dāng)兩級 AFCI 上級電路發(fā)生電弧，從 4 至 6 式可以分析出的各個數(shù)據(jù)關(guān)系是不變的，而分析 AFCI14可以得出 以下等式 (9) 由于 AFCI14的結(jié)構(gòu)是相同的，所以我們就可以來分析 ，因為在電弧發(fā)生時，會在上級和下級之間 產(chǎn)生 一個負(fù)載 ，同時發(fā)生壓降，這個現(xiàn)象可以被闡述為： . . 利用 2 和 4 式， 得出 我們可以說 , ,根據(jù) 7 和 9 式可知 根據(jù) 3 式中 ，我們又可知 將左右式除以 ,就得到了 的表達式 (10) 等式 10 顯示出當(dāng)上級發(fā)生電弧時，下級的電弧檢測器可以檢測到電弧的發(fā)生。表 給出了當(dāng)上級故障電弧產(chǎn)生時兩級 AFCI 的故障電弧的檢測可能性和應(yīng)該被正確關(guān)斷的 AFCI。 表 兩級上級 AFCI發(fā)生電弧關(guān)斷要求 電壓 電流 檢測可能性 正確關(guān)斷 Y Y Y N Y N Y N . . Y N 兩級 AFCI 中下級發(fā)生故障電弧 圖 兩級 AFCI上級發(fā)生電弧故障 圖 ， 給出了當(dāng)兩級 AFCI下級電路發(fā)生電弧，我們假定 發(fā)生了故障電弧，可以首先得到各個數(shù)據(jù)如下： (11) (12) 根據(jù)以上，可以得出 的表達式 (13) . . 在這里 被定義為： 通過觀察 ，可以它們的電壓、電流與負(fù)載的關(guān)系 根據(jù) 4 和 11 式，電壓和電流的關(guān)系為： (14) 這就意味 ，只要 的電源供應(yīng)充足，在 上產(chǎn)生的故障電弧是不會影響到其他的下級 AFCI 的。 現(xiàn)在讓我們來看它會不會對 產(chǎn)生影響，使用 12式減去 5式，再通過 14式去掉 ，可以得出 如果我們帶入計算就可以得到 (15) 15 式表示 可以檢測到在發(fā)生 和 之間的故障電弧。但是如果關(guān)斷，就會使 覆蓋整個區(qū)域斷電，包括 ， 和 。在這種情況下，只要關(guān)斷 電路就足夠