電子式故障電弧信號發生裝置

倪 侃，吳桂初，游穎敏

（溫州大學 浙江省低壓電器智能技術重點實驗室，溫州 325002）

電弧是一種氣體游離放電現象，也是一種等離子體。電器正常的操作時會產生電弧，如開關分合，電鉆、吸塵器旋轉等產生的電弧。故障電弧是指由于供電線路中連接松動、絕緣碳化、導線出現斷裂等原因引起的電弧[1]。故障電弧的發生，輕則引起絕緣碳化、家庭線路短路等故障，重則引起火災。據美國 NEC（national electrical code）估計，住宅火災中約有40%是由故障電弧引起的[2]。由于故障電弧電流一般較小而又不同于剩余電流，現有的漏電、過載、短路保護電器無法可靠檢測到故障電弧而使開關跳閘。因此，對故障電弧檢測的理論研究和故障電弧保護電器的研發越來越受到業界的重視。為了研發和試驗故障電弧保護電器，如故障電弧斷路器（AFCI），需要以各種故障電弧引起的電流作為試驗電流進行大量試驗，有串聯型、并聯型、接地型故障電弧試驗等。其中，串聯型故障電弧（以下簡稱串弧）負載多變、發生位置多變，所以占這些試驗的絕大多數，其低信噪比的特點使得對串弧的識別性能成為AFCI產品的主要指標。串聯型故障電弧試驗會在人工電極上產生臭氧等有害氣體，當負載功率較小或采用嵌入式技術時，串弧難以維持。這給AFCI開發、檢驗工作帶來了不小的難題。本文設計的故障電弧電信號發生器利用現代電子技術和計算機技術，精確重現串弧電流特征信號，解決了串弧試驗難度大、重復性差等問題，有效降低了AFCI開發、檢測的成本。所研制的故障電弧電信號發生器樣機可重現多種用電器的串弧電流波形，目前已用于作者所在實驗室的故障電弧檢測相關研究中。

1 工作原理

根據UL1699標準，對故障電弧保護電器AFCI的串弧試驗電路如圖1所示。圖中電弧發生裝置是由夾具及棒-尖電極構成，用以產生電弧，負載可以是電阻，也可以是各種類型的用電器，位置可以與電弧發生裝置互換，從AB兩端向右看可以有多種組合，因此可有多種電弧信號。本文的基本思想是設計一個故障電弧發生器，作為可控的電子負載，替代圖1中AB右邊的電路。

圖1 AFCI試驗電路示意圖Fig.1 Illustration of AFCI testing circuit

圖2是本文設計的故障電弧發生裝置的原理框圖。圖2（a）為實際的串弧產生、采集和轉化為數字文件的過程，根據UL1699標準中的規定，將各種負載與實際電弧發生裝置組合，產生故障電弧電流，通過采集系統，獲得故障電弧電流的數字信號，然后轉換成所需的數據格式以文件的形式存入存儲器。圖2（b）是數字式電弧信號的產生過程：將已存入嵌入式系統存儲器中相應格式的數字電弧信號通過D/A轉換成模擬信號，經放大后驅動功率電路，該功率電路以電子負載的形式，替代圖1中AB右側的電路，由于電子負載受已存數字電弧信號的控制，通過電子負載的電流與原存儲的電弧信號一致，于是就重現了所需的故障電弧電流。

圖2 數字式故障電弧產生原理Fig.2 Principle of generating digitalized arcing fault signal

2 硬件設計

本文要討論的是故障電弧產生電路的設計，即圖2（b）的部分，因已獲得故障電弧數據文件，對圖2（a）的部分不作討論。

裝置由功率電路、驅動電路、嵌入式控制電路3部分組成。其中功率部分由大功率MOSFET組成，以電子負載方式直接調控電流，驅動電路輸出模擬量柵源電壓，控制MOS管導通程度。驅動部分對電流瞬時值的硬件負反饋保證了高保真電流波形對控制系統速度的要求，簡化了軟件設計。

嵌入式控制電路由ARM芯片和片上集成的DAC及其外圍電路組成，主要任務是將已存在該系統中的故障電弧數字文件通過DAC轉換成模擬信號控制驅動電路，然后驅動功率電路，最后在功率主回路上獲得所需的故障電弧電流，該控制電路還兼顧保護及按鍵檢測等功能。下面主要介紹驅動電路和電子負載電路。

2.1 功率電路

功率電路以電子負載方式精確調控電流，為重現故障電弧電流中高至幾十kHz的頻率分量，并避免引入開關諧波，令功率器件工作在放大狀態。由于功率MOS管為逆導型器件，用橋堆將市電轉換為脈動直流以使電流始終可控。其原理接線圖如圖3所示。

圖3 原理接線圖Fig.3 Wiring schematic

圖中，火線L、零線N接入被檢AFCI的電源側，A、B分別為它們的負載側輸出端。RL為負載電阻，Rf為檢流電阻。

MOS管工作在放大區導致較大的功率耗散，故采用8～20個電流調控單元CRU（current regulation unit）并聯的拓撲結構，它們共享橋堆，在橋堆直流側串聯10 Ω負載電阻以減小管耗。

功率器件可選用 MOSFET、IGBT等，MOSFET具有更少的失效模式，是電壓驅動型器件，使用運放構成的模擬量驅動電路即可獲得較好的電流調控效果，本文中采用MOSFET。

2.2 驅動電路

在開關狀態，MOS管具有正溫度系數的導通電阻，可以直接并聯。但本電路工作在MOS管放大狀態，每只MOS管的轉移特性曲線存在差異，直接并聯導致個別MOS管過載，故采用1個運放驅動1個MOS管，構成1個CRU電路，其驅動電路如圖4所示。

圖4 電流調控單元電路Fig.4 Current regulation circuit

MOS管Q1負責調控電流。R6用于檢流，構成電流閉環的反饋環節。檢流電阻阻值為7.5 Ω，提供了良好的負反饋深度，確保了控制精度。運放U1A負責驅動Q1及恒流控制，它與周邊阻容器件構成反比例加法器。其靜態傳遞函數為

式中：vgs為U1A輸出電壓；id為MOS管Q1中通過的電流；viset為需要重現的故障電弧電流給定值（轉換為電壓形式）；Signal信號vSignal是對viset的反相。

式（1）表明：硬件恒流采用比例控制，實驗表明：在確保穩定的前提下，電流控制精度能夠滿足要求。

3 軟件設計

嵌入式程序的主要任務是在正確的電壓相位下，通過DAC輸出預存的電流給定值信號viset，另外，提供過流保護、按鍵檢測等輔助功能。軟件流程圖如圖5所示。

圖5 軟件流程Fig.5 Software procedure

軟件可分為2個并行部分，圖5左側為DAC輸出部分，是主體部分，右側為按鍵檢測及器件保護的程序流程。DAC輸出子程序中，STM32在初始化過后，首先檢查市電是否已提供，確認后進行相位同步并配置DAC轉換時間間隔。DAC轉換所需的電流數據以二維數組的形式存儲在ROM中，每個市電周期的數據放在一行，可通過按鍵設定輸出幅度，當幅度改變后，STM32重新計算波形表并存儲在內部FLASH中。DAC查表輸出所需數據由DMA提供，減少了CPU占用率。DAC在每個周波轉換結束后，重新配置轉換時間間隔，并在下一周期轉換下一行數據。發生器通過繼電器控制主回路通斷，配有過流保護和過溫保護，在主回路上電后即檢測散熱片溫度和主回路電流的瞬時值，當其中1個或2個超過保護門限并持續10 ms時，發令斷開主回路，關閉DAC輸出。

所采用的STM32F103RCT6主控芯片ROM空間為256 KB，片上12位DAC的每個數據均需占用2字節。除去程序占用空間，可存儲200 kHz采樣率電流波形數據約31個周波。在編程時，可將電流波形二維表分成若干組，通過按鍵切換輸出各組波形。

軟件設計的關鍵在于電流給定值與實際電壓相位同步問題。我國電網正常運行條件下允許頻率偏差±0.2 Hz[3]，相當于相對誤差0.1%。由于電網頻率為50 Hz，這種微小誤差如果不加以考慮，會在相位上快速累積，最終導致電流、電壓不同相，造成電弧電流失真。

采用可變DAC轉換間隔及每周期同步的方法解決相位同步問題。設電弧信號采集的采樣率為fs，采集時的市電周期為Tacquire，電弧重現時監測的市電周期為Treal。則2次DAC轉換的時間間隔為[4]

每個市電周波結束后都進行上述計算，確定下一個周波的DAC轉換時間間隔。計算使用的Treal值是上一個周波的周期，但電網等效慣性時間常數TJ較大，市電頻率變化緩慢，相鄰的幾個周波的周期差異可忽略，因此對Treal的近似是可接受的。在實踐中，這種同步方法可在（50±0.2）Hz市電頻率范圍內重現200 kHz采樣率信號，滿足應用要求。相位同步及DAC相關配置的子程序流程如圖6所示。

圖6 相位同步及DAC配置子程序流程Fig.6 Program procedure of phase synchronization and DAC configuration

STM32內部的定時器TIM4配置為輸入捕獲模式，當捕獲到電平上跳變后進中斷，計算市電周期并啟動TIM3，TIM3延時以補償電壓采集電路的抗干擾滯環。TIM3延時結束后，產生TRGO事件啟動TIM2，TIM2通過TRGO以Tconvert周期觸發DMA給DAC傳數據。由于市電頻率波動，電弧采樣時的市電頻率與電弧發生器重現時的往往不一致，為確保重現時能夠在一個市電周期內把電流信號全部重現，需要根據實時市電周期決定TIM2定時間隔，相關計算在TIM3延時期間完成。當TIM4超過3個周波未捕獲到跳變時，認為市電消失。

4 實驗結果

以手槍鉆發生串弧時的實際電流波形為重現目標，用NI-USB6366采集卡采集的原始電流波形及用TEK2012B示波器測量的電弧發生裝置重現電流波形如圖7所示。

圖7 手槍鉆串弧的實驗與模擬波形Fig.7 Acquisition&simulation waveform of a driller

從圖7（b）可以看出，能較好地重現原始波形，前4個半波為故障電弧波形，后6個為正常電流波形。可見：故障電弧電流波形中有時會夾雜正常工作電流波形。對正常工作電流，在過零點附近有一些交越失真，這種失真可適當調整偏置來解決。

對國內故障電弧斷路器相關標準GB14287.4中規定的熒光燈組的串弧電流原始波形及重現波形分別如圖 8（a）、（b）所示。

根據標準要求，采用電子鎮流器型熒光燈，發生串弧時，電流具有較長的平肩部、高突變率、不夾雜正常工作電流波形等特點。圖（b）表明：故障電弧發生裝置能夠良好重現串弧信號細部特征。

圖8 熒光燈組串弧的實驗與模擬波形Fig.8 Acquisition&simulation waveform of a set of fluorescents

由圖7、圖8的波形可見：不同負載發生串弧的波形特征不完全相同，本文設計的故障電弧發生裝置能有效重現多種類型的串聯故障電弧。對比原波形和重現波形發現在小電流處存在高頻毛刺，這是由示波器引入的測量噪聲。

5 結語

本文通過重現故障電弧電流的方式實現了對故障電弧信號的模擬，完全模擬傳統的人工故障電弧發生裝置。在詳述硬件原理、軟件流程的基礎上給出了實驗結果。結果表明：所設計的電子型故障電弧信號發生裝置可模擬多種負載的串聯型故障電弧電流，能夠滿足AFCI開發、檢測等應用需求。

[1]郭家穩.故障電弧模式識別方法的研究[D].沈陽：沈陽工業大學，2013.

[2]段培永，竇甜華，段晨旭，等.低壓供配電線路故障電弧檢測方法[J].消防科學與技術，2011，30（7）：617-627.

[3]GBT15945-2008電能質量 電力系統頻率偏差[S].北京：中國標準出版社，2008.

[4]任勇峰，王敏，李勛.數字式快速測溫系統的設計與實現[J].自動化與儀表，2014，29（12）：9-12.