故障电弧断路器(AFCI)简介PPT文档格式.ppt
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,4,二、相关理论介绍,1.电弧定义及其特点2.故障电弧定义及其特点3.AFCI和传统断路器4.UL1699标准,5,1.电弧定义及其特点,电弧:
一种气体放电现象,电流通过某些绝缘介质(例如空气)所产生的瞬间火花。
电弧中的电流从微观上看是电子及正离子在电场作用下移动的结果,其中电子的移动构成电流的主要部分。
电弧的特点:
温度很高,电流很小,持续时间短,一旦出现击穿点则会频繁出现。
电弧放电时,会产生大量的热,能引燃周围的易燃易爆品,造成火灾甚至爆炸。
6,电弧,两支钉之间的3000V电弧,常见于电车与轨道间的电弧,利用电弧原理的电弧灯,利用电弧原理的电焊,7,2.故障电弧定义及其特点,根据电弧产生的机理,电弧可以分为两类:
1.好弧(插拔电器时产生的电弧等)2.坏弧(故障电弧)故障电弧产生的主要原因是电线等电气绝缘老化、破损,空气潮湿引起的空气击穿,或者电气连接松动等。
根据电弧电流的强度,故障电弧可以分为两类:
1.高水平电弧2.低水平电弧。
根据电弧产生的位置又可分为三类:
1.串型电弧2.对地电弧3.线线电弧,1.串型电弧2.对地电弧3.线线电弧,8,有数据显示:
仅2-l0A的电弧电流就可以产生2000-4000的局部高温,0.5A的电弧电流就足以引起火灾。
下图是故障电弧引起的电气损坏:
故障电弧引起的绝缘损坏接触不良的接线柱碳化,9,故障电弧电流的波形大致为正弦波形。
故障电弧电压波形则较为复杂。
*,故障电弧电流波形,10,低压故障电弧的典型特征1、电流波形中含有丰富的高频噪声。
2、故障电弧上有电压降。
3、电流上升速度通常比正常状态要大4、每半个周期都存在电流接近零的区域,称“电流零区”。
5、电压波形接近矩形,在电流零区变化率较其他时间大,在电流过零时最大。
6、故障电弧经常是零星的、间歇的。
7、电流波形具有很强的随机性。
11,3.AFCI和传统断路器,AFCI:
Arc-FaultCircuit-Interrupter电弧故障断路器/故障电弧断路器常见的断路器为低压断路器,又称自动开关,它是一种既有手动开关作用,又能自动进行失压、欠压、过载和短路保护的电器。
传统的断路器只对过流、短路起保护作用,而这里所说的AFCI,是在这基础上添加了对故障电弧起保护作用的功能,以防范电弧引发的火灾。
它是一种电路保护装置,主要作用是为了防止由故障电弧引起的火灾。
它有检测并区别电器启停或开关时产生的正常电弧和故障电弧的能力,在发现故障电弧时及时切断电源。
12,传统断路器过流、短路保护*,两极(2P)小型断路器,把手线螺管机械机构接触装置接点-连接负载双金属片调整螺丝电磁螺线管8.消弧装置,13,4.UL1699标准,UL1699标准是用于规范AFCI的,该标准发展于上世纪90年代,用以识别由过电流产生的电弧而造成的家庭火灾。
现在该标准可用于规范AFCI技术在家用断路器、墙式安装插座,以及便携式AFCI插座的应用。
AFCI如何工作:
根据UL1699标准,在交流线路上,当AFCI在0.5秒内察觉到8个半周的故障电弧,断路器执行脱口,切断交流线路。
在实际的应用中,AFCI不仅仅要符合UL1699这个安全标准,更加要满足于“产品适用性”要求。
14,三、故障电弧检测,1.利用物理特性检测Lyapunov指数法关联维数的应用Duffing振子信号探测2.频域中的检测基于小波分析的故障电弧伴生弧声特征提取3.LabWindows/CVI在线检测系统,15,1.利用物理特性检测,利用电弧放电时光、热、声音、电磁辐射等特性作为检测依据。
局限性:
检测电弧用的传感器有其特定的安装位置,不适用于线路稍长的设备中。
此外,该设备需要增加的设备较多。
因此此类检测装置一般适用于开关电源柜等场合。
16,Lyapunov指数法(华侨大学08.4),弧前早期声音信号可以作为故障电弧的早期特征信号,利用混沌系统对初值的敏感性,以Lyapunov指数为混沌振子运动状态的判据能准确地检测出故障电弧的早期特征信号,在未形成故障电弧的早期阶段加入声音预警机制,从而可以避免燃弧发生和误判。
给出了未形成故障电弧之前早期定量探测分析的标准,该判断方法能很容易实现在ARM、DSP中编程。
17,关联维数的应用(华侨大学08),故障电弧的弧声产生可分成两个阶段:
第1阶段有弧声产生,但没有燃弧现象;
第2阶段既有弧声产生,又有燃弧现象。
关联维数能有效量化表征湮没在背景噪声中微弱弧声时间序列的变化情况,设定关联维数阈值,以第1阶段的弧声为早期表征信息,建立故障电弧早期预警系统;
以第2阶段的弧声和弧光为综合判据建立故障电弧报警系统。
弧声处在非常杂的背景噪声中,这给有效提取弧声并加以利用带来了一定的困难。
利用信号的关联维数可有效判断是否有故障电弧产生,通过大量的试验可设定弧声合适的关联维数阈值。
18,Duffing振子信号探测(华侨大学06.12),Duffing振子信号检测技术利用混沌系统的分岔特性来检测外界信号,将待测信号作为Duffing方程周期策动力的摄动,利用初值敏感性可以获得很高的测量灵敏度和良好的抗噪性能。
在电弧没有发生燃弧之前有比较微弱的弧声信号,完全湮没在强背景噪声中,将含有噪声的弧声信号作为周期策动力加入混沌检测系统中,如果混沌检测系统处于间歇混沌状态,证明有电弧弧声产生,则故障电弧监测系统发出预警信号。
19,2.频域中的检测,有研究表明,发生电弧时,在一定的频率范围内,电流的谐波含量明显增多。
可以在频域中进行电弧故障检测。
傅立叶分解:
将采集到的电流值和电压值综合考虑,得到能量的傅立叶分解,将结果作为判断电弧故障依据。
*因为负载性质、电源质量等因素,可能会产生误判断。
ANN(ArtificialNeuralNetwork:
人工神经网络):
将傅立叶分解后的结果引入神经网络进行训练,得到较精确的结果。
*传统的FFT变换要求系统线性以及稳定的信号,但是电弧故障信号具有非线性以及随机性的特征。
小波变换*采用小波包频带能量分析方法,提取出弧声的特征参数与电极形式、放电距离、放电电压有密切关系。
20,基于小波分析的故障电弧伴生弧声特征提取(广西工学院.华侨大学08.8),在故障电弧伴生早期弧声频谱特性研究的基础上,提出基于小波包分解的早期弧声频带局部能量特征参数的快速提取方法。
实验研究表明,弧声出现两个前后能量变化明显的频带,可以作为识别早期弧声的特征参数。
通过在线监测信号这两个特征子频带能量的变化即可判断早期故障弧声是否存在,从而实现故障电弧的早期预测预警。
21,3.LabWindows/CVI故障电弧在线检测系统(河南理工大学08.02),该系统以AT89S51单片机为下位机,用以检测6路电流信号,并将检测的电流信号通过串行口传送到上位机.上位机以LabWindows/CVI为开发平台开发了上位机程序.上位机程序运用多线程技术对供电线路的电流信号进行在线检测和分析,并通过故障电弧检测算法确定是否有故障电弧发生.故障电弧检测算法是通过检测电流信号中是否有周期性奇异点来判断供电线路中是否有故障电弧.实验表明,该系统能有效地对供电线路故障电弧进行实时检测.,22,美国GE公司的AFCI,美国科研人员开发了AFCI。
2001年美国有关部门规定,新建的住宅中都要安装这种装置。
目前美国GE公司、德州仪器公司和德国西门子公司生产这种装置。
图为美国GE公司生产的AFCI。
四、已有研究成果,23,西门子,24,美国Eaton电气品牌CutlerHammer,25,宁波习羽电子发展有限公司电弧故障断路器(AFCI)移动式漏电保护装置-多功能电路保护器(AFCI/GFCI)该公司已形成以AFCI/GFCI系列产品、电弧故障断路器(AFCI)为主导,公司是目前国内唯一具有AFCI、AFCI/GFCI自主知识产权,获得了发明、实用等多项专利。
26,1.AFCI2.移动式漏电保护装置,27,瑞萨科技(北京)有限公司的AFCI,通过电流互感器感应交流电流的大小和di/dt,然后用运放进行处理后,将信号再输入微控制器单元进行模数转换处理,微控制器将采样数值进行分析。
如果符合故障电弧的特性,控制器将发出断路器脱扣信号,断路器断开。
当然传统的过流、短路和漏电保护功能可方便地被集成,只要再增加一个电流互感器。
28,硬件框图,电弧发生时,交流电源电压不稳定,需要对电压绝对值进行采样。
29,软件介绍,作为一个全功能智能断路器,其软件具备以下几项基本功能:
1.准确的电弧检测2.快速的电弧特性分析3.丰富的负载电弧特征曲线储备,30,五、相关讨论问题,1.传统断路器消弧装置*与AFCI相互之间有没有什么关系?
2.在我们现有的条件下,测试的故障电弧电流波形*应该如何进行分析?
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- 故障 电弧 断路器 AFCI 简介