煤電鉆供電線路串聯(lián)故障電弧檢測技術(shù)研究

蘆 波 于榮波

（北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，中國 北京100042）

0 概述

煤礦火災事故分析證明，電纜芯線接頭被氧化或松脫造成接觸不良，致使連接處導電面積減小、接觸電阻增大，引起局部過載導致發(fā)熱著火點燃可燃物，是引起電氣火災的原因之一，這種現(xiàn)象銅鋁接頭更易發(fā)生。目前煤礦井下普遍采用的用于對煤電鉆供電線路的故障進行保護的煤電鉆綜合保護裝置采用了載頻檢測技術(shù)，其原理是載頻信號檢測網(wǎng)路阻抗，能有效的檢測并聯(lián)短路電弧電流引起的網(wǎng)路阻抗變化，并及時切斷電源，但對串聯(lián)電弧電流卻無法檢測。

人們發(fā)現(xiàn)造成電纜芯線連接處接觸不良的原因很多，但造成煤電鉆供電線路電纜芯線連接處接觸不良的原因主要是煤礦井下煤電鉆的工作場所一般處于風道死角，處于高溫高濕環(huán)境，空氣中的CO2等酸性氣體濃度較高，導線與接線端子聯(lián)結(jié)處極易被氧化銹蝕而松脫，致使導電面積減小、接觸電阻變大，電弧參與導電，引起局部過載導致發(fā)熱著火點燃電纜或可燃性氣體。手持式煤電鉆乃移動負載，為其供電的電纜經(jīng)常被卡在煤巖的夾縫中，被用力拉扯后芯線會出現(xiàn)斷絲現(xiàn)象，更有時被掉落的煤巖砸傷產(chǎn)生斷絲放電的電弧導電現(xiàn)象。由于起初的電弧性發(fā)熱電流很小且具有隨機性，不能靠現(xiàn)有過載保護電路檢測到并切斷電源。

目前采用低壓串聯(lián)故障電弧檢測技術(shù)的電弧故障斷路器AFCI(Arc Fault Circuit Interrupter)已在一些歐美發(fā)達國家使用，被用于航天器、家用電器等易產(chǎn)生故障電弧而引發(fā)火災的用電場所。目前我國對故障電弧檢測還處于研究階段，故障電弧檢測標準還在制定中。

1 手持式電鉆負載線路故障電弧電流的特點

圖1

圖a)與圖b)對比，與正常工作電流相比無明顯變化，但交流過零區(qū)變化較大，波形出現(xiàn)了毛刺——高次諧波；交流過零區(qū)過后的電流變化率無明顯變化。

如何選擇正確的數(shù)學算法對采樣信號中是否存在故障信號進行判斷，根據(jù)不同性質(zhì)的負載可以有不同的方法。

2 現(xiàn)有電流采樣故障電弧檢測方法

1）建立電弧模型，并通過檢測相應的參量來檢測電弧，可區(qū)分正常電弧與故障電弧。由于這種方法受不同負載影響等條件限制，檢測參數(shù)過多，電路復雜，所以該方法僅停留在仿真階段。

2）檢測電弧發(fā)生時，電流、電壓波形突變時的特征。

①小波變換：一種窗口大小固定，形狀可變、頻率和時間可變的時頻局部化分析方法。此種方法可以反映電流信號突變的時刻和大小，綜合分析后判定故障電弧的產(chǎn)生，但此法不能區(qū)分干擾信號。

②周期差別算法：可區(qū)分故障電弧和重復或連續(xù)變化的干擾信號。即

周期電流差別信號：Di=｜In-1+In+1-2In｜ （1）

式中，In-1表示于第一周期所測量的線電流數(shù)值；In表示于第二周期所測量的線電流數(shù)值；In+1表示第三周期所測量的線電流數(shù)值。通過式（1）計算得到周期電流差別信號值Di，確定Di是否超過所設(shè)定的閾值。其中的閾值是經(jīng)過大量實驗測試所得到，不同負載應設(shè)定不同閾值，以達到準確精密的檢測和降低誤判率。當Di超過此閾值達到規(guī)定次數(shù)的情況下就認為檢測到電弧故障，裝置起動保護動作將電路斷開。

對于電鉆負載，其波形與正常工作電流相比無明顯變化,只是交流過零區(qū)變大,還需要在每個電壓半周期內(nèi)所發(fā)生的由于電弧導致的高次諧波變化的差別進行統(tǒng)計，才能做出精準判斷，減少保護誤動作情況。

③諧波分量相對變化系數(shù)算法

圖2

圖2為手電鉆的故障電弧電流與正常電流諧波分量相對變化系數(shù)。從圖中可以看到諧波相對畸變程度最為明顯的前4次諧波分別是2、4、6、8次諧波。

設(shè)定同一負載下正常電流的k次諧波分量為p'k，電弧電流的k次諧波分量p''k，有公式（2）dk=p''k/p'k（2）其中，k=1,2,3,…,m，p'k為正常電流平均諧波分量，p''k為電弧電流平均諧波分量。

這里dk為k次電弧電流諧波分量相對于k次正常電流諧波分量的值，可以稱之為諧波分量相對變化系數(shù)。dk能很好的表示出當電路中發(fā)生故障電弧時，負載電流的各次諧波的畸變程度?；兂潭仍酱?，說明故障電弧對線路的影響越大，可以作為識別故障電弧的依據(jù)，但此種方法難于排除重復變化的干擾信號。

3 高次諧波周期差別算法

高次諧波周期差別信號：Hi=｜dk-1+dk+1-2dk｜ （3）

式中，dk-1表示于第一周期的線電流諧波分量相對變化系數(shù)值；dk表示于第二一周期的線電流諧波分量相對變化系數(shù)值；dk+1表示第三周期的線電流諧波分量相對變化系數(shù)值。

通過式（3）計算得到諧波電流變化周期差別信號值Hi，確定Hi是否超過所設(shè)定的閾值。其中的閾值是經(jīng)過大量實驗測試所得到。當di超過此閾值達到規(guī)定次數(shù)的情況下就認為檢測到電弧故障，裝置起動保護動作將電路斷開。

由于電弧的混沌性質(zhì)，發(fā)生電弧故障時一般每個線電壓半周期產(chǎn)生可變幅值和頻率的毛刺——高次諧波信號。而重復或連續(xù)變化的干擾信號每電壓半周期內(nèi)發(fā)生的高頻信號幅值和頻率基本一致且發(fā)生的時刻基本相同，具有周期性的特點，但故障電弧則具有非常大的隨機性，這一特點就可以通過諧波變化周期差別算法檢測出干擾信號還是電弧故障信號。具體可在采樣信號送入單片機之前，加入高通濾波環(huán)節(jié)。

與其他檢測方法的相比，高次諧波周期差別算法檢測故障電弧的方法用于煤電鉆綜合保護裝置，其優(yōu)點在于：

1）可消除作為半導體開關(guān)器件的（如固態(tài)繼電器中的雙向可控硅）在交流正負半周過零時產(chǎn)生的截止區(qū)與故障電弧交流過零區(qū)特點相似對故障電弧判定產(chǎn)生的影響；

2）可消除煤電鉆綜合保護中短路保護的載頻信號對故障電弧檢測產(chǎn)生的影響；

3）可消除連續(xù)的干擾信號對故障電弧檢測產(chǎn)生的影響。

4 美國UL1699標準

美國UL1699標準是規(guī)范AFCI的，發(fā)布于上世紀90年代，用以識別由110v線路過電流產(chǎn)生的電弧而造成的家庭火災。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，由小電流引起的故障電弧也有足夠的能量引發(fā)打火從而引起火災。

根據(jù)UL1699標準，在AC線路上，當AFCI在0.5s內(nèi)檢測到8個半周期的故障電弧，斷路器執(zhí)行脫扣動作，切斷供電線路，脫扣時間應小于0.2s。

5 結(jié)語

在國內(nèi)針對故障電弧的判定標準未出臺之際，可參照美國UL1699標準，對127v煤電鉆綜合保護裝置增加串聯(lián)故障電弧保護功能。具體可將電流采樣信號經(jīng)高通濾波，放大后送入單片機，應用高次諧波周期差別算法進行判斷，若在0.5s內(nèi)檢測到8個半周期的電流相信號值高于所設(shè)定得閥值，單片機輸出端發(fā)出斷電指令，執(zhí)行機構(gòu)在0.2s內(nèi)動作，切斷主電路。

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