电弧故障断路器的控制器设计与研究

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1、学校代号10532学号S1209W321分类号TM44密级公开工程硕士学位论文电弧故障断路器的控制器设计与研究学位申请人姓名刘帅培养单位电气与信息工程学院导师姓名及职称吴桂清副教授童嵘高工学科专业电子与通信工程研究方向嵌入式系统及应用论文提交日期2015年5月4日学校代号：10532学号：S1209W321密级：公开湖南大学工程硕士学位论文电弧故障断路器的控制器设计与研究学位申请人姓名：刘帅导师姓名及职称：吴桂清副教授童嵘高工培养单位：电气与信息工程学院专业名称：电子与通信工程论文提交日期：2015年5月4日论文答辩日期：2015年5月24日答辩委员会主席：黎福海教授Studyand

2、DesignofControllerforArcFaultCircuitInterrupterbyLiuShuaiB.E.(ShanghaiDianjiUniversity)2012AthesissubmittedinpartialsatisfactionoftheRequirementsforthedegreeofMasterofEngineeringinElectronicsandCommunicationEngineeringintheGraduateSchoolofHunanUniversitySupervisorAssociateProfessorWUGuiqingMay,

3、2015湖南大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取。，得的硏究成果除了文中特别加（ｉｕ示注引用的内容外本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，巧已在文中凶明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。■’７；＾／《日作者签名：日期：年月ＶＷ！冲）Ｉ／学位论文版权使用授权书、使用学位论文的规定本学位论文作者完全了解学校有关保留，同意学校保留并向国家有关部口或化构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学

4、可抖将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于１、□。保密，在年解密后适用本授权书２、不保密囚。，，（１请在：＾上相应方框内打叫）＇’＇＾／ｒ＞＾名心＊＾３作者签名：斗曰期：年月曰Ｉ导师签名＾月日期：又年）硕士学位论文摘要电弧故障断路器(ArcFaultCircuitInterrupters，简称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

5、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

6、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

7、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。关键词:电弧故障；断路器；AFCI；小波