煤电钻供电线路串联故障电弧检测技术研究

【摘 要】为了避免煤电钻供电线路串联故障电弧发热电流引起的火灾和点燃瓦斯造成爆炸事故，探讨为煤电钻综合保护装置增加故障电弧保护功能。通过将串联故障电弧电流与正常工作电流的波形数据比对，找出其差异特征，分析了采用现有检测技术的不足，提出利用单片机作为信号处理单元，应用高次谐波周期差别算法对电流信号进行检测和判断的故障电弧检测方法。分析结果表明采用高次谐波周期差别算法的故障电弧检测方法，可以对由于电缆芯线接头被氧化或松脱造成接触不良产生的电弧故障进行保护。

【关键词】煤电钻；供电线路；串联故障电弧电流；高次谐波周期差别算法；故障电弧检测；煤电钻综合保护

0 概述

煤矿火灾事故分析证明，电缆芯线接头被氧化或松脱造成接触不良，致使连接处导电面积减小、接触电阻增大，引起局部过载导致发热着火点燃可燃物，是引起电气火灾的原因之一，这种现象铜铝接头更易发生。目前煤矿井下普遍采用的用于对煤电钻供电线路的故障进行保护的煤电钻综合保护装置采用了载频检测技术，其原理是载频信号检测网路阻抗，能有效的检测并联短路电弧电流引起的网路阻抗变化，并及时切断电源，但对串联电弧电流却无法检测。

人们发现造成电缆芯线连接处接触不良的原因很多，但造成煤电钻供电线路电缆芯线连接处接触不良的原因主要是煤矿井下煤电钻的工作场所一般处于风道死角，处于高温高湿环境，空气中的CO2等酸性气体浓度较高，导线与接线端子联结处极易被氧化锈蚀而松脱，致使导电面积减小、接触电阻变大，电弧参与导电，引起局部过载导致发热着火点燃电缆或可燃性气体。手持式煤电钻乃移动负载，为其供电的电缆经常被卡在煤岩的夹缝中，被用力拉扯后芯线会出现断丝现象，更有时被掉落的煤岩砸伤产生断丝放电的电弧导电现象。由于起初的电弧性发热电流很小且具有随机性，不能靠现有过载保护电路检测到并切断电源。

目前采用低压串联故障电弧检测技术的电弧故障断路器AFCI（Arc Fault Circuit Interrupter）已在一些欧美发达国家使用，被用于航天器、家用电器等易产生故障电弧而引发火灾的用电场所。目前我国对故障电弧检测还处于研究阶段，故障电弧检测标准还在制定中。

1 手持式电钻负载线路故障电弧电流的特点

a）手电钻正常运行电流波形

b）手电钻有故障电弧运行波形

图1

图a）与图b）对比，与正常工作电流相比无明显变化，但交流过零区变化较大，波形出现了毛刺――高次谐波；交流过零区过后的电流变化率无明显变化。

如何选择正确的数学算法对采样信号中是否存在故障信号进行判断，根据不同性质的负载可以有不同的方法。

2 现有电流采样故障电弧检测方法

1）建立电弧模型，并通过检测相应的参量来检测电弧，可区分正常电弧与故障电弧。由于这种方法受不同负载影响等条件限制，检测参数过多，电路复杂，所以该方法仅停留在仿真阶段。

2）检测电弧发生时，电流、电压波形突变时的特征。

①小波变换：一种窗口大小固定，形状可变、频率和时间可变的时频局部化分析方法。此种方法可以反映电流信号突变的时刻和大小，综合分析后判定故障电弧的产生，但此法不能区分干扰信号。

②周期差别算法：可区分故障电弧和重复或连续变化的干扰信号。即

周期电流差别信号：Di=|In-1+In+1-2In|（1）

式中， In-1表示于第一周期所测量的线电流数值；In表示于第二周期所测量的线电流数值；In+1表示第三周期所测量的线电流数值。通过式（1）计算得到周期电流差别信号值 Di，确定 Di是否超过所设定的阈值。其中的阈值是经过大量实验测试所得到，不同负载应设定不同阈值，以达到准确精密的检测和降低误判率。当 Di超过此阈值达到规定次数的情况下就认为检测到电弧故障，装置起动保护动作将电路断开。

对于电钻负载，其波形与正常工作电流相比无明显变化，只是交流过零区变大， 还需要在每个电压半周期内所发生的由于电弧导致的高次谐波变化的差别进行统计，才能做出精准判断，减少保护误动作情况。

③谐波分量相对变化系数算法

图2

图2为手电钻的故障电弧电流与正常电流谐波分量相对变化系数。从图中可以看到谐波相对畸变程度最为明显的前4次谐波分别是2、4、6、8次谐波。

设定同一负载下正常电流的k次谐波分量为p'k，电弧电流的k次谐波分量p'' k，有公式（2）

dk=p''k/p'k（2）

其中，k =1，2，3，…，m，p'k为正常电流平均谐波分量，p''k为电弧电流平均谐波分量。

这里dk为k次电弧电流谐波分量相对于k次正常电流谐波分量的值，可以称之为谐波分量相对变化系数。dk能很好的表示出当电路中发生故障电弧时，负载电流的各次谐波的畸变程度。畸变程度越大，说明故障电弧对线路的影响越大，可以作为识别故障电弧的依据，但此种方法难于排除重复变化的干扰信号。

3 高次谐波周期差别算法

高次谐波周期差别信号：Hi=|dk-1+dk+1-2dk|（3）

式中， dk-1表示于第一周期的线电流谐波分量相对变化系数值； dk表示于第二一周期的线电流谐波分量相对变化系数值；dk+1表示第三周期的线电流谐波分量相对变化系数值。

通过式（3）计算得到谐波电流变化周期差别信号值 Hi，确定Hi是否超过所设定的阈值。其中的阈值是经过大量实验测试所得到。当 di超过此阈值达到规定次数的情况下就认为检测到电弧故障，装置起动保护动作将电路断开。

由于电弧的混沌性质， 发生电弧故障时一般每个线电压半周期产生可变幅值和频率的毛刺――高次谐波信号。而重复或连续变化的干扰信号每电压半周期内发生的高频信号幅值和频率基本一致且发生的时刻基本相同，具有周期性的特点，但故障电弧则具有非常大的随机性，这一特点就可以通过谐波变化周期差别算法检测出干扰信号还是电弧故障信号。具体可在采样信号送入单片机之前，加入高通滤波环节。

与其他检测方法的相比，高次谐波周期差别算法检测故障电弧的方法用于煤电钻综合保护装置，其优点在于：

1）可消除作为半导体开关器件的（如固态继电器中的双向可控硅）在交流正负半周过零时产生的截止区与故障电弧交流过零区特点相似对故障电弧判定产生的影响；

2）可消除煤电钻综合保护中短路保护的载频信号对故障电弧检测产生的影响；

3）可消除连续的干扰信号对故障电弧检测产生的影响。

4 美国UL1699标准

美国UL1699标准是规范AFCI的，于上世纪90年代，用以识别由110v线路过电流产生的电弧而造成的家庭火灾。传统的断路器可以对过电流提供保护，然而研究发现在没有过电流发生的情况下，由小电流引起的故障电弧也有足够的能量引发打火从而引起火灾。

根据UL1699标准，在AC线路上，当AFCI在0.5s内检测到8个半周期的故障电弧，断路器执行脱扣动作，切断供电线路，脱扣时间应小于0.2s。

5 结语

在国内针对故障电弧的判定标准未出台之际，可参照美国UL1699标准，对127v煤电钻综合保护装置增加串联故障电弧保护功能。具体可将电流采样信号经高通滤波，放大后送入单片机，应用高次谐波周期差别算法进行判断，若在0.5s内检测到8个半周期的电流相信号值高于所设定得阀值，单片机输出端发出断电指令，执行机构在0.2s内动作，切断主电路。

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