电弧故障断路器的控制器设计与研究

摘要

电弧故障断路器(Arc Fault Circuit Interrupters，AFCI)技术是一项最新的电路保护技术，主要作用是防止由故障电弧引起的火灾。随着我国国民经济的迅猛发展，生产及居民用电量日益增高，电气火灾事故也更加频发，其中因故障电弧引起的电气火灾事故所占比例越来越高，对故障电弧的研究及保护己经引起了广泛关注。由于发生电弧故障时的电弧电流低于过流保护装置所设定的动作电流，同时故障发生时也无对地泄漏，因而传统的保护装置无法对故障电弧提供有效的防护。所以，对故障电弧特征的研究并在此基础上研制出新型的电弧故障断路器具有十分重要的意义。
　　本文首先从电学和物理学的角度探讨了电弧的成因及形成过程。之后探讨了电弧信号分析的数学工具，包括短时傅里叶变换和小波变换。对比后得出小波变换更适合分析包括故障电弧在内的非线性信号。
　　故障电弧的检测方法是AFCI设计成功的基础。检测方法的提出要基于故障电弧的特征。本文主要从时域和频域两个角度研究故障电弧的特点。首先通过对比不同负载电弧电流的波形，总结出故障电弧时域特征，并基于此提出时域检测算法。之后将故障电弧在matlab下进行小波分解，总结出故障电弧频域特征，基于此提出频域检测算法。
　　在故障电弧检测办法的基础上进行AFCI的硬件设计和软件设计。AFCI整体上来说是一个标准的嵌入式系统。主要的硬件模块包括了开关电源模块、信号采集模块、高通滤波模块、脱扣驱动模块、漏电保护模块以及单片机最小系统。硬件的设计不仅要考虑功能的实现，还要考虑电路板的EMC问题。PCB的设计要从细节着手提升模块的抗干扰能力。软件采用C语言编写代码，开发环境为MDK4.0。软件主要包括AD采集、信号处理、故障检测和看门狗等模块。软件设计要满足数据处理的实时性和算法的可靠性等要求。
　　AFCI样机设计完成后，本文按照国家针对电弧故障断路器所出台的标准GB/T31143-2014的要求，进行了电弧故障断路器的动作特性试验。主要是验证所设计的AFCI能否在不同要求的电路配置中，检测到故障电弧后，在规定时间内完成脱扣动作，以及在复杂环境下是否具备抗干扰和排除误动作的能力。试验结果表明，本论文所设计的AFCI样品达到了动作特性标准的要求。

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第1章 绪论

1.1选题背景与研究意义

1.2故障电弧检测的研究现状

1.3论文主要研究内容及本文结构

第2章 电弧的检测与分析

2.1电弧的形成及分类

2.2电弧的检测

2.3电弧信号分析的数学工具

2.4 本章小结

第3章 电弧故障检测算法研究

3.1多负载下串联电弧电流波形分析

3.2并联电弧特性分析

3.3对电弧信号平肩区特性的分析

3.4平肩区宽度波动值算法研究

3.5故障电弧的小波分解

3.6本章小结

第4章 电弧故障断路器的设计与实现

4.1故障电弧的检测方法

4.2电弧故障断路器的硬件设计

4.3电弧故障断路器的软件设计

4.4本章小结

第5章 AFCI的动作特性验证试验

5.1串联电弧故障试验

5.2并联电弧故障试验

5.3误脱扣试验

5.4本章小节

总结与展望

1 论文总结

2 展望

参考文献

致谢