針對樓宇故障電弧研究中電弧信号采集繁瑣的問題，閩江學院計算機與控制工程學院的楊雨、蘇晶晶在2023年第12期《電氣技術》上撰文。以故障電弧類電氣火災為切入點，研制一種交直流串聯故障電弧模拟裝置。該裝置由機械式故障電弧發生裝置、控制與狀态檢測子產品、信号采集子產品、主電路及控制電路和上位機組成。為了解決電弧模拟時起弧難度大、燃弧時間短的問題，故障電弧模拟裝置采用雙閉環比例積分微分（PID）控制政策，通過檢測電極位移變和轉速作為回報量實時調節裝置運作狀态，進而改善裝置的燃弧性能。經過多次實驗測試表明，裝置在不同實驗電流下可以産生故障電弧，且燃弧時間可以達到設定的時長；裝置還可采集故障電弧電壓、電流資料用于故障電弧檢測技術的研究。
故障電弧是低壓配電網及樓宇電路中常見卻不容易發現的現象。低壓配電網線路長時間高負荷運作，線路老化、絕緣層破損等情況都易引起故障電弧。如今故障電弧已成為電氣火災産生的主要原因之一，為了防範此類電氣火災的發生，常采用加裝相應保護産品的方法。保護産品的關鍵技術之一是故障電弧檢測，是以産品在研發階段都進行電弧故障檢測實驗。美國推出UL1699故障電弧保護産品的安全标準，并強制家庭卧室安裝電弧斷路裝置（arc fault circuit interrupter, AFCI）。
國家标準GB 14287.4—2014《電氣火災監控系統 第4部分：故障電弧探測器》和GB/T 31143—2014《電弧故障保護電器的一般要求》分别對此類實驗做出明确規定，包括故障電弧模拟方法及不同實驗電流中故障電弧最大燃弧時間的要求。電弧故障發生裝置是一種故障電弧模拟所需的裝置。故障電弧發生裝置由一組動、靜電極組成，其中靜電極主要材料為碳棒，動電極主要材料為銅棒，當兩電極接觸良好并通過電流後，動電極開始橫向移動與靜電極分離，直至産生電弧。兩電極的分離距離和拉弧速度直接影響故障電弧模拟效果。
基于此，本文研制一種基于雙閉環控制政策的交直流串聯故障電弧模拟裝置，通過改進裝置結構和控制方法來提高故障電弧模拟的成功率。
1 設計思路
故障電弧模拟裝置結構采用子產品化設計，包括上位機和下位機兩部分。上位機設計包括電弧發生裝置控制子產品、電弧波形資料采集與分析子產品、傳感器狀态檢測子產品等。下位機平台由高速資料采集卡、機械式故障電弧發生裝置、控制與狀态檢測子產品、信号采集子產品、實驗線路等硬體裝置組成。裝置整體結構框圖如圖1所示。
圖1 裝置整體結構框圖
該裝置燃弧機構的設計理念基于傳統拉弧裝置，即利用兩個通電電極拉弧。與傳統拉弧裝置不同的是，本文設計的故障電弧發生裝置不僅可手動控制，還可以步進電機為動力裝置，通過步進電機旋轉帶動可移動電極運動，實作兩電極的接觸和動态拉弧。高速資料采集卡是整個裝置的控制中樞，計算機通過高速資料采集卡擷取下位機運作狀态并進行信号采集，同時發送指令至下位機，根據上位機狀态使下位機進行相應動作。
控制與狀态檢測子產品基于高速資料采集卡設計，所述高速資料采集卡安裝在計算機高速串行計算機擴充總線标準（peripheral component inter- connect express, PCIE）接口上，作為輸入輸出子產品，可以輸出控制指令并擷取實時裝置運作資訊。
上位機通過多功能高速資料采集卡的脈寬調制（pulse width modulation, PWM）脈沖輸出通道向動力系統傳送速度控制指令，通過數字信号輸出（digital output, DO）通道向動力系統傳送方向控制指令，通過模拟信号輸入（analog input, AI）通道從資料采集子產品接收執行機構運作狀态資訊，運作狀态資訊包括兩電極之間的電壓波形資料及電極流通的電流波形資料。
本文控制算法基于壓力值變化量控制電機方向進而控制電極左右移動，但由于兩電極接觸、摩擦的過程，導緻實際電機移動距離與設定距離産生偏差；特别在低電流情況下，擠壓、摩擦現象更加頻繁，電機移動距離、移動速度會産生較大誤差，無法按照預定速度、預定距離移動。
故步進電機采用閉環控制政策，經過比例積分微分（proportional integral differential, PID）對電機移動過程進行控制，保證速度和位置的準确性。實際應用中，為了同時保證電極移動距離和速度滿足故障電弧模拟需求，避免因步進電機失步導緻電極位移量不足或速度過快等問題，本文裝置采用雙閉環控制政策，以位移環PID的輸出量作為速度環的期望值，該數值與速度實際值的偏差作為PID輸入量傳入速度環，進而實作速度、位移雙閉環控制，以解決上述問題。
系統信号采集子產品的設計基于電壓、電流傳感器。與傳統信号采集裝置不同的是，本文設計的故障信号采集裝置通過設計多檔可選的采集電路配合高速資料采集卡模拟信号輸入通道的功能實作。上位機信号采集程式可準确采集細微的信号變化量，并實時顯示。
2 硬體設計
2.1 機械結構設計
機械式故障電弧發生裝置按照國家标準設計了串聯故障電弧的點接觸裝置，故障電弧實驗平台如圖2所示。該裝置的機械部件由固定電極、絲杆、移動電極、壓力傳感器、光電傳感器、步進電機和電極安裝台組成。
可移動電極和固定電極分别安裝在固定支座和移動支座上，實驗線路分别連接配接至兩電極的一端，并且與實驗主線路連接配接，進而實作電極的通、斷電。同時，步進電機是裝置的動力來源，電極底座安裝帶絲杆的步進電機，其旋轉時通過絲杠牽引可移動滑塊運動，進而帶動移動電極水準移動，實作與固定電極的接觸和分離。
為了避免可移動電極運動超行程導緻機械部件受損，在左右移動極限位置安裝光電傳感器，并在可移動滑塊上安裝遮光金屬片，當電極移動至左右限位光電傳感器位置時，将觸發光電傳感器輸出子產品信号改變，該信号經高速資料采集卡傳遞至上位機作為狀态回報指令，進而控制步進電機停止運作，確定實驗安全。此外，為了確定通電前，兩電極能夠可靠接觸，在固定電極的端部安裝有壓力傳感器，裝置通過檢測可移動電極壓力值是否達到門檻值來判定兩電極是否完全接觸，并通過電壓波形适當進行手動調整。
圖2 故障電弧實驗平台
2.2 主線路與控制線路設計
在設計電氣控制線路時，基于電路可靠性原則，綜合考慮系統的總體布局、配電方案、接地線路等因素，確定線路電源的負載量在預計範圍之内。此外，還需考慮系統線路的其他問題，如電弧發生時，系統發熱，線路溫度變化會使傳感器産生誤差；擴充接口與大功率用電器連接配接時，拉弧線路對控制線路産生影響等問題，避免可能發生的事故和隐患，提高系統安全性和穩定性。
由于故障電弧模拟時系統會發生電壓、電流突變，且長時間産生故障電弧時會伴随系統發熱現象，拉弧線路高電流等級時尤為明顯，是以考慮到熱穩定性和系統安全性，裝置采用主線路與控制線路分開設計的方案，裝置線路原理如圖3所示。主線路經電源子產品為拉弧線路供電，拉弧線路并聯不同阻值負載，産生不同等級電弧電流信号。控制線路經獨立電源子產品為信号采集子產品、狀态監測子產品和步進電機控制子產品獨立供電。
圖3 裝置線路原理
為了實作對不同電流等級故障電弧的模拟，裝置設有五個檔位的電流信号（0.2A，0.8A，1A，2A和5A）控制開關，并可通過上位機進行排列組合式控制，其通過并聯方式互相疊加，實作線路對不同等級電流信号的控制。
2.3 信号采集電路設計
為了確定裝置在不同電流等級下進行實驗時信号采樣的精度，在設計信号采集電路時，采取多檔位可選切換的設計方案。目前，裝置的電流采集電路有三檔，分别為0～5A、5～25A、25～100A。電流信号采集電路如圖4所示。
對于0～25A的實驗電流，選用萊姆LA25—NP電流傳感器進行設計，該傳感器可通過不同的連線形式實作不同等級的電流采集。其中，0～5A檔位的實驗電流采集電路如圖4（a）所示，電流通過電流傳感器對線路電流信号進行縮放處理後經采樣電阻R11轉換為電壓信号，最終上傳至高速資料采集卡中；5～25A檔位的實驗電流采集電路如圖4（b）所示，與0～5A檔位不同的是，通過更改信号輸入接線方式，改變電流傳感器信号縮放比例，進而完成更大檔位信号采集；25～100A的實驗電流采集電路選用萊姆LA100—P傳感器進行設計，如圖4（c）所示。
圖4中R11、R12、R14為采樣電阻，将電流傳感器二次側輸出的電流信号轉換為電壓信号，并連接配接至高速資料采集卡模拟量輸入通道。
圖4 電流信号采集電路
電壓信号采集電路選用LV25—P電壓傳感器進行設計，該傳感器的工作原理為由霍爾元件檢測到磁場後驅動一個運算放大器，其中一、二次電流比為10mA/25mA，這樣電壓比就由兩邊的電阻确定，電壓信号采樣電路如圖5所示。
為了避免電阻因功耗過大、長期通電時的溫升影響其精度，采樣電阻選用高精度低溫漂精密電阻，并且采用串并聯的方式來降低每一個電阻的工作電流，如圖5中的R2、R3、R4、R5所示。由于LV25—P仍然為電流-電流型傳感器，其二次電流通過200W的采樣電阻R13轉換為電壓。
将不同的傳感器電路二次側輸出的電壓信号分别連接配接至高速資料采集卡的模拟量輸入通道，配合上位機程式可以實作不同實驗電流下不同采樣電路的自主選擇。在實驗前設定好目前實驗電流，實驗過程中上位機平台自動讀取對應量程通道采集的信圖5 電壓信号采集電路号，并将該信号顯示在人機互動界面上。
圖5 電壓信号采集電路
3 上位機設計
3.1 拉弧電極控制政策
拉弧電極以步進電機作為動力裝置，選用42型閉環步進電機，步距角1.8°，但實際拉弧時為了能夠精确控制可移動電極的移動距離，步距角需小于此數值，故将步距角進行細分處理，本文裝置采用8細分處理。步進電機關聯絲杆選用導程為10mm的2510型絲杆，即絲杆轉動一周電極移動10mm。
該絲杆為單頭絲杆，導程數值與螺距數值相同，即步進電機轉動一周帶動絲杆也轉動一周，由此得出電極前進10mm需1600個脈沖。步進電機的控制采用基于PID的雙閉環控制政策，包括位移環、速度環，前者為外環，以絲杆可移動範圍為初始輸入量，位置調節器輸出位移變化量；後者為内環，以位移偏差量作為輸入，用于調節步進電機運轉速度。基于PID的閉環控制框圖如圖6所示。
圖6 基于PID的閉環控制框圖
位移環采用位置式PID控制，如式（1）所示，将設定距離通過上述硬體轉化為所需脈沖個數，将所需脈沖個數經過倍頻系數、減速比等處理後作為目标值，所需目标值與目前實際值的偏差傳入PID控制器，PID控制器将位置誤差進行積分、微分等處理後輸出結果，此結果用來更新PWM脈沖輸出個數和運轉方向，以控制步進電機旋轉周數，限制電極間距，進而進行位移控制，此結果也作為速度環的輸入參數。
式（1）
式（1）中：e(k)、e(k-1)分别為第k、k-1采樣時刻PID控制器輸入信号偏內插補點；KP、KI、KD分别為PID控制器的比例系數、積分系數、微分系數；為誤差的累加。
實際使用中，由于積分項的作用，速度誤差不斷累積，會産生積分項達到飽和的問題。當積分項達到飽和時，如果出現反向誤差，系統需要時間退出飽和區，緻使裝置不會在第一時間對反向誤差做出調整。為了避免這一問題，為積分項加入積分限幅，限制其進入積分飽和狀态。
速度環采用增量式PID如式（2）、式（3）所示，其控制增量隻與近三次狀态有關。由于步進電機工況下受到的外在幹擾因素小，是以增量式PID可以很好地滿足其對速度調節的要求。
式（2）-（3）
式（2）-（3）中：Du(k)為PID輸出的控制增量；u(k-1)為前一次輸出量；u(k)為本次輸出量。在速度環中，将位移調節器的輸出量與目前電極移動速度的偏差作為速度調節器的輸入量，進而自動調節PWM脈沖的頻率，進而控制步進電機轉速。
由于增量式PID的輸出數值隻與近三次測量值有關，而不是對應實際誤差，即沒有進行誤差累加，是以該算法無需過多處理即可達到理想的控制效果。
3.2 程式設計思路
上位機借助LabVIEW進行設計，主要實作硬體狀态控制與檢測、電壓電流采集、電弧波形顯示與儲存等功能。程式設計流程如圖7所示，LabVIEW上位機人機互動界面如圖8所示。
電弧發生裝置的控制：由上位機産生步進電機運轉所需的脈沖信号和方向信号，其控制政策采用基于PID控制器的閉環控制方式，在步進電機運作過程中配合壓力傳感器檢測信号作為兩電極是否完全接觸的判據，配合限位開關對可移動電極運作範圍進行控制，確定拉弧電極在安全區域内正常接通或分離。
主線路開關的控制：同樣由上位機産生控制信号控制每一個開關的通斷。電弧發生裝置開始拉弧前上位機開始采集線路電流和兩電極之間的電壓，并在拉弧過程中實時采集拉弧過程的電壓和電流信号，實驗結束時，根據硬體傳感器一、二次側電壓、電流變比關系将所采集到的資料換算為實際電壓、電流，并在人機互動界面上顯示波形，背景同步儲存波形資料。電極位移資料存儲程式框圖如圖9所示。
圖8 LabVIEW上位機人機互動界面
圖9 電極位移資料存儲程式框圖
程式的關鍵部分為故障電弧的發生和維持。電弧的發生基于壓力傳感器實作，主線路開關未閉合前，動電極進行靠近運動，當壓力傳感器數值達到門檻值且檢測到線路電流後，動電極開始分離運動。所述分離運動為電極按照設定速度和預定位移遠離靜電極。
電弧維持基于PID雙閉環控制實作，LabVIEW程式以内部時鐘為時間基準，當壓力傳感器數值達到門檻值時電極進行遠離運動，當移動到指定距離時電極開始靠近運動，依此往複，實作電弧的維持。不同等級電流的拉弧線路所設移動距離不同，其數值可經實驗得出。在采集到電壓波形産生畸變、電壓幅值小于正常值時，表示故障電弧産生，定時器開始計時，達到設定時間後電極開始分離運動，回到初始限定位置。
4 實驗測試
4.1 電弧發生模拟實驗
實驗現場及現象如圖10所示，實驗開始後，兩根電極通電，在動靜電極分離瞬間，産生亮眼電弧光，随着燃弧時間的延長，碳棒被燒蝕，出現發熱變紅的現象。
信号采集線路使用示波器進行輔助檢測，確定實驗資料波形的準确。在電弧發生時，信号采集子產品将采集到的故障電弧資料通過高速采集卡實時傳入上位機。上位機通過LabVIEW對硬體各子產品在電弧發生過程中的狀态值進行監測，同時上位機将采集到的信号資料以波形的形式在人機互動界面顯示出來，當動電極傳回原點時表示一次故障電弧模拟完成。
圖10 實驗現場及現象
4.2 實驗分析
阻性負載線路故障前後實驗波形如圖11所示。
圖11 阻性負載線路故障前後實驗波形
由圖11可見，相比于正常電流波形，故障電弧電流存在明顯的零休區，即故障電弧在正常電流的過零點之前降為零，然後又在正常電流過零點之後的某一時刻快速升高。随着電弧燃燒更加熾烈，平肩現象更為明顯，同時電流快速升高也代表着電弧重新燃起。由于平肩現象的産生，電流每個半周期數值都有變化，且該現象是随機的。同時，對比正常電壓波形，故障電弧電壓波形呈現馬鞍狀。經過多次實驗發現，電弧的發生具有随機性和間歇性，該現象與阻性負載下的電弧理論一緻。
分别進行開環控制與閉環控制各八組實驗，前四組實驗拉弧線路電流值為3A，後四組實驗拉弧線路電流值為8A。根據采集的電壓信号是否發生馬鞍狀畸變、幅值是否小于正常值來判斷燃弧時間。由于本文裝置采用壓力傳感器數值變化量作為電極移動的信号量，是以電極位移速度不宜過快，以避免過度擠壓傳感器而損壞裝置。
經過多次測試可知，位移速度為0.8mm/s時，本文裝置拉弧效果最為穩定，故設定該值為電極移動速度。通過調整電極移動距離，達到燃弧時間大于3s的目的。開環控制測試資料見表1，雙閉環控制測試資料見表2。
表1 開環控制測試資料
表2 雙閉環控制測試資料
由表1可知，開環控制時，兩電極經過擠壓、摩擦過程後，編碼器回報電極速度數值波動大，且誤差普遍大于0.01mm/s。表2中的位移速度穩定在0.80mm/s左右，且誤差小于等于0.01mm/s。
通過表1和表2的對比可以看出，在維持燃弧時間大于3s的前提下，相較于開環控制，在誤差允許範圍内，雙閉環控制下電極位移距離無需多次調整，移動距離幾乎不變，穩定可靠。該系統通過設定電極移動距離控制電弧時間，進而實作故障電弧的模拟。随着線路電流等級的提升，電極移動距離也随之增加。
由于實驗條件有限，其他電流等級電弧模拟可根據實際情況對位移進行适當調整，表1、表2資料僅限目前實驗環境使用。當多次進行故障電弧模拟實驗之後，壓力傳感器初始數值會發生改變，故在裝置每次擠壓後，進行壓力值初始化，系統監測數值清零并将目前壓力值重新設定為裝置起始壓力值，以此來確定實驗穩定可靠。
綜上所述，本文裝置可以實作對故障電弧現象的模拟，且在研華PCIEH高速采集卡的加持下，故障電弧資料采集完整、準确，可以滿足對故障電弧模拟實驗的要求。
5 結論
基于串聯故障電弧的檢測技術和産品檢測需求，本文提出了基于增量式PID的雙閉環電弧發生裝置控制政策，并研制了基于LabVIEW的故障電弧模拟裝置，實作了根據預設燃弧時間及燃弧距離産生穩定可靠電弧的基本目标。
本文裝置具有良好的人機界面，适合進行不同電流等級串聯故障電弧的特性研究，改進了正常電弧故障發生裝置的結構和控制方法，提高了故障電弧模拟的成功率，可為電弧故障保護産品的開發和故障電弧理論的研究提供參考。
本工作成果發表在2023年第12期《電氣技術》，論文标題為“基于位移及轉速雙閉環控制的故障電弧模拟裝置設計”，作者為楊雨、蘇晶晶。