一般住宅内电气线路和设备,在长时间过负荷运行或不良电气连接等情况下,电线的绝缘层会出现老化或破损,造成绝缘效果降低,可能发生故障电弧。用电线路发生故障电弧时,负荷电流一般会很小,但燃烧的电弧温度却可达几千度,可引燃周围的物质,从而引起电气火灾。故障电弧已经成为电气火灾的重要诱因之一。

电弧故障断路器(Arc Fault Circuit Interrupter,AFCI)技术是一项新的用电线路保护技术,其主要功能是在线路发生故障电弧时及时断开线路避免发生电气火灾,在配电线路终端安装AFCI是及时发现电弧并切断电路、减小电弧造成电气火灾损失的有效措施。但目前电力系统中特别是低压配电领域广泛安装的传统断路器,大多不具有故障电弧检测功能。

本论文研究故障电弧检测技术,设计适用于我国低压配电系统环境的电弧故障断路器(AFCI)。论文主要工作包括:

介绍故障电弧断路器研究的课题背景,研究现状及发展前景,从物理学角度和电路理论角度叙述电弧形成的基本原因和过程,对基本电弧电路进行动态电路分析。

参照美国UL1699标准,搭建故障电弧模拟实验平台,进行故障电弧实验,采集故障电弧线电流和零序电流信号数据,建立故障电弧数据库,对数据库中的故障电弧数据进行详细分析,挖掘故障电弧信号的典型特征。通过对故障电弧线电流信号的分析,总结归纳出故障电弧线电流信号在时域内具有“电流零休”现象、“电流零休”后的电流突变、峰值附近的高频谐波、连续周期性破坏、波形不对称等典型特征。同时探讨分析故障电弧零序电流信号的特征。

比较故障电弧线电流信号的频域分析和小波分析方法,得出“小波分析方法可以更加有效提取故障电弧线电流突变和波动的特征、实现时域和频域同时定位,体现故障电弧电流中包含的高频谐波”的结论,提出基于线电流提升小波分析的故障电弧检测方法。

采用线电流时域典型特征检测与线电流提升小波分析相结合的故障电弧综合检测方法,基于嵌入式系统技术,设计针对低压交流配电系统AFCI产品实现方案,完成AFCI产品样品的硬件和软件设计。根据UL1699标准,对设计的AFCI产品样品进行了测试,特别是进行了多种负载的误动作测试实验。实验结果表明,设计达到了预期的目标,AFCI产品样品可以在低压配电线路发生故障电弧时快速切断线路,并能够有效减少AFCI的误动作。