故障电弧探测及保护装置的研究与开发

ScienceandTechnology&Innovation┃科技与创新文章编号：2095－6835（2017）20－0115－03故障电弧探测及保护装置的研究与开发刘易

（中国矿业大学（北京），北京100083）摘要：故障电弧是电气火灾发生的主要诱因之一，而传统保护开关却无法识别故障电弧的发生。故障电弧探测及保护装置能够及时检测出线路中出现的故障电弧，从而消除线路中绝大部分由此而引发的火灾。对故障电弧的特性进行了实验分析，根据这些特性，确定了故障电弧探测器的检测方法，并进行了硬件和软件的设计。此外，对研制的故障电弧探测器进行了测试，实验结果表明，故障电弧检测的准确率达到99%，主要性能指标满足国家标准GB31143—2014的要求。关键词：故障电弧；火灾；伏安特性；可燃物中图分类号：TM501文献标识码：ADOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.20.1152故障电弧探测及保护装置的硬件设计2.1方案设计故障电弧探测器的硬件设计为：整个系统是个非常典型的嵌入式系统，以TI公司的DSP芯片TMS320F28035为控制核心，其速度快、成本低，完全能满足系统要求。具体的工作原理如下。通过DSP28035对线路中的电压电流进行AD快速采样，并判断是否具有故障电弧的特征。如果满足故障电弧的特征，即被认定为故障电弧开始计数，当在1s内累计出现了8个故障电弧信号时，则立即启动脱扣机构触发微型断路器跳闸切断电源，以防止电气火灾的发生。2.2微控制器的选型TMS320F28035是TI公司2009年推出的C2000系列的DSP控制芯片，具有以下特点：①3.3V单电源供电，哈佛总线（Harvard）架构；②多达45个复用通用输入输出（GPIO）引脚，3个32位CPU定时器；③片载存储器：闪存、SRAM、OTP、引导ROM。2.3电源电路将AC220V/50Hz的交流电源经过变压、整流、滤波、稳压转换成+5V、+3.3V的供电电压。其中，VCC为3.3V，给DSP及其相关电路供电；5V给部分模拟电路供电，这部分电路主要是一个带通滤波器。2.4信号处理电路双路变压器的二次侧绕组（9～10）用于交流输入电压的检测，先将交流电压整流成脉动的直流（电容C1只是滤掉高频分量），经电阻R2、R3分压后，送给调理电路（U3A及其附属电阻电容元件），最终变成0～3V的电压，送至DSP的AD端。随着我国经济的飞速发展，各类电气设备已被普遍应用到人们生活的方方面面。房屋或其他场所的设备和电气线路，比如插座、各种设备的电源线以及家用电器内部的线路等，因为长期的过负荷工作或存在接触不良等情况，使得电线的绝缘层破损或出现老化现象，这些情况都有可能产生故障电电弧电流大小在2～10A的范围内就可以产生2000～4000℃的局部高温，足可以使任何可燃物燃烧。故障电弧探测器，能够在早期检测出线路中绝大部分的电气火灾隐患。1故障电弧的特性与检测方法1.1故障电弧特性的实验分析故障电弧电学特性的实验分析：将80Ω/400W的变阻器作为负载，由AC220V/50Hz的交流电源对故障电弧模拟发生器及负载供电。当试验线路正常工作时，利用示波器记录此时电弧发生装置两端的电压电流波形。由电弧发生装置两端的电压电流波形可以看出：①电压和电流波形具有高频噪声。②产生故障电弧时电压、电流幅值均降低。③电流变化的斜率比不发生故障电弧时大。④故障电弧的起弧特性。在电流波形过零点前一小段时间内熄灭，在过零点后一小段时间内再次燃弧，所以，在过零点附近就出现了一段近似平坦的波形，将其称为肩平部分。⑤故障电弧的产生具有随机性。1.2检测算法针对高次谐波设计了带通滤波器；针对电流有效值减小进行了AD采样，并与阈值比较；针对电流斜率增大，设定了阈值并比较；针对平肩特性，通过检测采样电流信号一个周期平肩点的个数，超过所设定的阈值时判断为故障电弧；针对随机性，采用了三周期算法。弧，而故障电弧会引起电气火灾。各种相关研究表明，故障.com.cn. All Rights Reserved.·115·科技与创新┃ScienceandTechnology&Innovation2.5带通滤波器电路交流故障电弧的频率范围约为1.66～19.8kHz，据此设计带通滤波器，由低通滤波器和高通滤波器组成。高通滤波器允许输入信号中高于截止频率的高频或直流分量通过，抑制低频分量；低通滤波器允许输入信号中低于截止频率的低频或直流分量通过，抑制高频分量。2.6继电器控制电路采用NPN型三极管来驱动继电器。当IO口输出由高电平变为低电平时，三极管由饱和状态变为截止，这样继电器电感线圈中的电流没有通路释放能量。如果不加续流二极管D，则电感线圈两端将会产生很大的反向电动势，极性为下正上负，这个反向电动势加上5V电源电压足以击穿三极管。2.7过零点检测电路U3B及其附属电路构成一个比较器，目的在于输入给DSP一个方波信号，从而检测故障电弧电压信号的过零点，所采用的运放是MCP6002。如果采集到的电压大于比较值，则运放输出低电平；如果采集到的电压小于比较值，则运放输出高电平。3故障电弧探测及保护装置的软件设计故障电弧探测及保护装置的软件设计以硬件为基础，使用C语言编写，所有子程序都使用模块化编程，便于以后的软件升级和调用。为了实现故障电弧检测功能，软件设计包括信号采集、信号处理、故障检测和脱扣控制等部分。故障电弧特征检测子程序，程序代码如下：tca=Get_abs_value（vn0，vn2）+Get_abs_value（vn2，vn1）；tca1=Get_abs_value（vn1，vn0）；tca=Get_abs_value（tca，tca1）；如果半周期存在电弧脉冲（cycle_pulse_num>0），则执行脉冲相位判断函数Arc_PulsePhase_Judge（）。如果满足条件，则电弧事件加1；进行均方根值的TCA值判断，如果maxvalue1＞25，则电弧事件加1；进行平肩特征判断，如果满足条件，则电弧事件加1。电弧事件累加的具体程序代码如下：Acr_event++；if（Acr_event>=15）Acr_event=15；Acr_count_avl[Acr_event]=cmp1_count；write_Acr_pt++；if（write_Acr_pt>=（Acr_count_avl+15））{int_val（）；}Maxcycle_count++；·116·2017年第20期

当满足以下两个条件中的任意一个时，则判定发生了故障电弧：①存在高频脉冲（State1）、满足相位特征（State6）、满足平肩特征（State2）；②存在高频脉冲（State1）、满足相位特征（State6）、满足三周期特征（State4）。4故障电弧探测器的试验将研制出来的故障电弧探测及保护装置接入负载抑制性试验线路中，进行测试，具体结果如下。4.1负载为纯电阻当线路正常工作时，AFDD不发生误动作；当发生电弧故障时，AFDD的断开时间为0.2084s，满足规定的AFDD分断时间极限值的要求，断开时间如图1所示。图1负载为变阻器时AFDD的断开时间

4.2负载为荧光灯当线路正常工作时，AFDD不发生误动作；当发生电弧故障时，AFDD的断开时间为0.1280s，满足规定的AFDD分断时间极限值的要求。4.3负载为卤素灯当试验线路正常工作时，AFDD不发生误动作；当发生电弧故障时，AFDD的断开时间为0.2890s，满足规定的AFDD分断时间极限值的要求，断开时间如图2所示。图2负载为卤素灯时AFDD的断开时间

4.4负载为吸尘器当试验线路正常工作时，AFDD不发生误动作；当发生电弧故障时，AFDD的断开时间为0.1226s，满足规定的AFDD分断时间极限值的要求，断开时间如图3所示。经过测试，研制出来的故障电弧探测及保护装置满足GB31143—2014中的条款9.9.4.2，以及其他条款规定的要求，能够准确地识别出故障电弧，同时不发生误动作。.com.cn. All Rights Reserved.2017年第20期

ScienceandTechnology&Innovation┃科技与创新文章编号：2095－6835（2017）20－0117－02井漏失返条件下漏失函数确定方法李坤燃

（西南石油大学机电工程学院，四川成都610500）摘要：“吊灌”技术是在钻井作业中发生井漏失返以后，通过向井内灌注钻井液来提升液柱高度，维持井内压力动态平衡，获得安全作业时间的重要措施。常规吊灌技术是一种经验性做法，工程现场称为“盲吊”。而优化的“吊灌”技术需要首先确定漏失函数。漏失函数是表征漏失速率的数学模型。井底压差、储层特性及钻井液黏度、切力等是决定漏失速率的关键因素，目前的研究成果还未建立起比较完善的理论数学模型。根据井漏失返实际工况，采用数理统计分析原理，提出了一种依据环空液面深度与时间关系的实时监测数据确定漏失函数的数据拟合方法，并进行了实例计算，计算结果高度吻合，表明该方法能很好地利用液面监测数据确定最佳的漏失函数，为工程现场实施“吊灌”技术提供科学的参考依据，具有重要的现实意义。关键词：吊灌技术；液面监测；数学模型；漏失速率中图分类号：TE281井下液面监测技术目前，国内外用于监测液面的仪器很多，其中，以声呐技术为基础、采用特殊处理方法的井下液面监测技术应用最测数据可以作为漏失函数数理统计分析方法实测数据源。井下液面监测技术主要是采用井下声呐测深仪进行远传非接触监测。将井下声呐测深仪连接到套管头，与套管环空相通，利用氮气瓶里的氮气作为动力，计算机每隔1～2min定时控制仪器发出声呐脉冲波，脉冲波通过环空传至井下液面，遇钻杆接箍或液体后返回，计算机接收从钻杆上返回脉冲。通过对各种井下噪声信号进行过滤，计算接头数就得到了液面深度，并在计算机上记录深度变化曲线，所得数据是在线的、实时的。文献标识码：ADOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.20.1172漏失函数工程实验统计方法现场通过井下声呐测深仪得到的液面监测数据，可反映不同时间对应的液面深度。利用液面监测数据，通过如下流程进行统计分析，就能确定漏失函数。2.1获取液面监测数据通过井下声呐测深仪实时监测井筒环空液面深度，包括压力平衡点的井筒环空液面深度，获得吊灌后井筒环空液面深度与时间的对应数据组，并以时间为横坐标，液面深度为纵坐标，制作液面监测曲线。2.2计算漏失压力液面监测数据中，测点与压力平衡点液面深度差为ΔH，则对应的液柱压力即为漏失压力：ΔP＝ρgΔH.（1）为广泛。井下液面监测技术能实时监测环空液面的变化，监.com.cn. All Rights Reserved.一款220V/32A的故障电弧探测及保护装置，并搭建了实验平台，对真空吸尘器、电动机、荧光灯、电钻等抑制性负载进行实验。实验结果表明，本装置准确率达99%，无误判，动作时间符合国家标准要求，是一款高可靠性、高准确率、低成本的故障电弧探测及保护置，能够为故障电弧探测及保护装置的大面积推广应用奠定基础，从而为降低因故障电弧而引起的电气火灾的发生概率起到促进作用。参考文献：图3

负载为真空吸尘器时AFDD的断开时间

［1］卢其威，王聪，程红，等.电弧故障断路器及故障电弧的辨别［J］.电气应用，2009（24）.〔编辑：张思楠〕5主要成果及结论本项目根据故障电弧发生时表现出的多种特性研制了·117·