电弧故障检测装置的工作原理

根据电弧故障的检测方法，电弧故障检测装置主要也有两种形式。基于弧光检测的电弧检测系统是目前比较理想的配电柜和母线保护的解决方案，它主要通过测量电弧最明显且变化最快的物理量——弧光来检测电弧的。基于电压电流波形检测的电弧故障断路器是终端线路电弧故障保护的理想方案，它主要通过检测电弧故障的电流和电压波的特征来检测电弧。

13.2.3.1 基于弧光的电弧检测装置工作原理

1.采用弧光和电流双判据的电弧故障检测装置

图13-6是ABB公司Arc Guard System（电弧保护系统）的工作原理框图。电弧保护系统由电弧监视单元F₁₁、电流检测单元F₂₁、电流互感器T₁和断路器Q₁组成，采用弧光和电流信号双信号作为电弧故障的判定依据，可在很大程度上降低由于其他闪光干扰，例如照相机闪光、太阳光直射、电焊机弧光等引起检测装置误动作。

图13-6 ABB公司电弧保护系统工作原理图

F₁₁—电弧监视单元 F₂₁—电流检测单元 T₁—电流互感器 Q₁—断路器 A₁—低压配电装置

电弧保护系统在配电装置的各重要位置安装有弧光探测头，弧光探测头如图13-7所示，其探测的范围几乎可以达到360°。每个电弧监视单元可以连接9个弧光探测头，探测头在配电柜中的安装如图13-8所示，如探测头不够，可以将几个电弧监视单元连接在一起。原则上，配电装置中的每个封闭单元或小室均应安装一个探测头，确保得到满意的保护效果。探测头将探测到的信号通过光纤传送到电弧监视单元，光纤传输可避免强磁场、电场和各种电磁干扰对信号的影响。电流互感器监视回路中的电流信号，如检测到电流信号发生异常时，则电流检测单元将相应的信号发送至电弧监视单元。电弧监视单元对两路信号进行数据处理、判断，只有在同时检测到弧光信号和异常电流信号才发出脱扣指令，使电弧故障的上游断路器Q₁分闸。由工作原理图可见，电弧监视单元在检测到发光强度明显增加和异常电流信号时，直接将信号送到断路器的脱扣机构，避免了任何继电装置或选择性装置引起的延时，确保快速分断电弧故障。该电弧保护系统与断路器的组合可以将切断电弧故障的时间降低至50ms。

图13-7 弧光探测头

图13-8 在配电柜和水平母排系统中弧光探测头的安装位置示例

1—弧光探测头 2—电弧监视单元

芬兰Vaasa公司的VAMP系统和Moeller公司的电弧故障保护系统等装置的基本原理与ABB公司产品的类似，具有动作可靠、高速动作、总故障切除时间小于100ms、配置灵活、可通过弧光传感器实现对保护分区的覆盖、故障定位、可显示电弧短路点的位置等特点，适合于各种配电装置和母线接线方式，尤其适合在可靠性及防电气火灾要求较高的中、低压配电装置中使用。

2.采用弧光单判据的电弧故障保护装置

采用弧光和电流双判据的电弧保护系统可提供快速且安全的保护，但相对来讲系统较为复杂，成本较高，因此在一定程度上影响其推广应用。国内西安交通大学和有关企业合作，研制了一种采用弧光单判据电弧检测保护装置，抗干扰性能较强，便于推广。

采用弧光单判据的关键是要防止各种干扰光源引起的误动作，提高工作可靠性。弧光单判据的电弧故障保护装置原理框图如图13-9所示，弧光检测和保护系统主要由光纤探头、弧光信号检测单元、计时单元、故障分析单元等组成。光纤探头将采集到的光信号送至弧光信号检测单元，经弧光信号检测单元的处理送至故障分析单元，计时单元将对弧光信号持续的时间进行计时。故障分析单元将电弧故障弧光信号进行数据处理、判断，发出脱扣信号，使故障回路的上游断路器分断。

图13-9 电弧故障保护装置的原理框图

为了提高工作可靠性并降低硬件的成本，电弧故障保护装置采用了以下的技术措施：

（1）避免弧光以外的其他光源产生的干扰 在配电装置中，可能会遇到其他的光源，包括太阳光、电晕放电、沿面闪络、手电筒光、灯光等。经过大量的对比试验，用光纤探头直对光源的情况下，取多次测量结果的最大值，并剔除测量误差，得到了图13-10所示的各种光源比较电压的试验结果。从图中可以很清楚地发现，内部电弧故障的弧光产生的比较电压大约在3000mV左右，远远超过电晕放电、沿面闪络、灯光、手电筒光和太阳光产生的比较电压（这些比较电压都不超过50mV，其中灯光、太阳光由于变化范围很小，图中近似于一条直线）。这样，只要选择好光纤探头和弧光信号检测单元的光强度范围，就可以有效地剔除所有其它光源产生的干扰。

图13-10 内部电弧故障与各种干扰源光强的对比分析

（2）为了提高系统在恶劣环境中的工作能力，设计中采用光纤探头作为开关柜内的感光器件，并由光纤将电弧故障的弧光信号传送至开关柜内的低压控制隔室。利用光纤的强抗干扰能力，使弧光信号可以非常可靠地传至光敏器件端。光敏器件及后续的处理电路都放置于干扰相对较小的低压控制隔室。这样与传统的直接将光电探测器放置于开关柜中的设计方法相比，减少了弱电控制信号的传输距离，改善了弧光传感器的工作环境。

（3）在保护装置中开发了和市场上现有的继电保护装置相配的接口，其不仅可以单独使用，也可以与各种继电保护装置集成，从而使得开关柜在成本增加不多的情况下，技术水平和附加值都得到很大的提高。与继电保护装置的接口分为两部分：一部分是硬件方面的接口，用于实现传递信号、电压耦合等；另一部分是软件接口，用于将检测保护装置的动作次数、报警次数以及其他一些信息记录到继电保护装置的数据库中，以便用户事后分析。电弧检测保护装置可以很好地与现有的继电保护装置集成。

弧光单判据的电弧故障保护装置具有成本较低、抗干扰能力较强、经济实用、安装简便等优点，便于推广使用，适用于各种开关柜的电弧故障保护。

3.具有电弧预警功能的弧光电弧保护装置

弧光和电流的检测方法与其他检测方法一样，都是在电弧故障产生后的被动检测方法。如能在故障发生之前有效地预测和预警电弧故障，将故障消灭在萌芽状态可大大地提高系统工作的可靠性，减少故障造成的损失。电弧故障的产生、发展过程常伴生着可听见的电弧声，是弧光放电的主要伴生信号之一，在电弧很微弱甚至是不可见时就已经产生了。电弧声的产生源于电弧能量的突变，它蕴含了电弧故障发生发展过程的各种信息，可以作为电弧故障早期检测预警的特征信号。

基于上述理念，国内有学者将混沌和分形理论应用到电弧故障的早期预警之中，开发了基于分形理论的在线弧声检测系统，检测电弧故障产生前的电弧声特征信息；根据先进的电弧保护理论，采用弧光和电流双判据的检测方法，对电弧故障进行保护。图13-11是基于电弧声检测的电弧故障在线预测预警保护系统的原理框图，整个系统包括两个部分：电弧故障在线预测预警系统和电弧故障保护系统。

图13-11 基于电弧声检测的电弧故障在线预测预警保护系统原理框图

电弧故障在线预测预警保护系统通过光纤声音传感器测量和采集电弧声信号，在电弧故障在线预测预警保护模块中对信号进行分析和处理，根据检测的电弧声，产生电弧故障的预测预警信号。为确保电弧故障在线预测预警系统的实时性，选用以分形理论为基础的声音信号关联维数在线检测电弧故障弧声，实现电弧故障的在线预测预警。通过MATLAB和LabView软件的混合编程实现了电弧故障的在线预测预警。LabView具有强大的数据采集功能，MATLAB具有强大的科学计算功能、大量稳定可靠的算法库，MATLAB支持ActiveX自动化技术，通过使用MATLAB自动化服务器功能，可以在其他应用程序中执行MATLAB命令，并与MAT_- LAB的工作空间进行数据交换。充分利用MATLAB提供的大量高效可靠的算法和LabView的图形化编程能力，混合开发出电弧故障弧声在线预测预警保护系统。利用LabView强大的数据采集功能，循环定量采集电弧弧声信号，设置采样频率为60kHz、缓冲区长度为10000、定时器为60s、电弧声信号的分形维数阈值为4.0。将采集的电弧声信号作为MATLABscript的一个输入，根据分形理论，把数字滤波后的电弧声信号进行相空间的重构，计算采集声音信号的关联函数，然后根据遗传算法，求解系统的分形无标度区，计算采集的声音信号关联维数。当声音信号的关联维数大于设定的阈值时，说明此时系统存在电弧声，可启动系统报警信号，报警信号通过MATLAB与硬件的接口函数Sound函数进行输出。电弧故障在线预测预警检测流程如图13-12，分形理论在线电弧声预测预警系统能够在电弧故障的早期检测到电弧声信号的存在，并能准确地实现早期的预测预警。

图13-12 电弧故障在线预测预警流程

电弧故障保护系统包括硅光电探测器、弧光信号检测单元、霍尔电流传感器、过电流信号检测单元和电弧故障判断单元。硅光电探测器采集开关柜内部的光信号，并将采集的光信号送至弧光信号调理电路处理；弧光信号调理电路将硅光电探测器输出的电流信号，在采样模块的作用下转变成电压信号，并通过两级运放将采集的信号进行放大处理，运算放大器不仅可以放大采样电压，而且提高了采样电压的输入阻抗，降低输出阻抗，提高信号的抗干扰能力。然后输入到弧光信号检测单元的运算放大器同相输入端，与分压电路设定的无电弧故障常光状态的信号阈值进行比较，得到反映弧光存在与否的一个数字开关信号，超过设定的比较电压的信号将被作为故障信号。霍尔电流传感器将采集的电弧短路电流在电流调理电路中进行小信号的全波整流，以便于保证后续的故障判断的准确性与及时性。过电流信号检测单元通过比较器与设置的常态下的母线电流阈值进行比较，超过设定的比较电压的信号将被作为电流过电流的故障信号。常态开关柜内部弧光和母线电流的阈值电压可根据具体开关柜的内部环境和实际负载情况经实验获得。弧光信号检测单元和过电流信号检测单元输出的两路故障状态信号，经过电弧故障判断单元的与非门判断电路，如满足电弧故障的触发条件，则发出脱扣信号，使电弧故障上游断路器分断，实现电弧故障保护。

基于分形理论的在线电弧声预测预警保护系统能够在电弧故障发生的早期及时检测到电弧声信号的存在，并进行准确的早期预测预警，为及时维护维修提供了宝贵的时间；基于弧光、电流双判据的中、低压开关柜母线故障保护系统，在选用合适的继电器及后续执行机构的情况下，可满足保护动作在100ms以内及时切除故障，防止弧光短路故障进一步扩大，是一种理想的中、低压开关柜的电弧故障保护系统。

13.2.3.2 基于电压电流波形检测的电弧故障断路器的工作原理

基于电压电流波形检测的电弧故障断路器是终端线路电弧故障保护的理想方案，它主要通过检测电弧故障电压和电流波形的特征来检测电弧。根据13.2.1节所述，电弧故障的电压电流波形具有以下主要特征：

1）每个周期在电弧熄灭过零和重燃期间，电弧的电流波形会出现两个电流短暂为零的肩部平坦的波形；

2）电弧故障电压和电流的波形是不稳定的和随机的；

3）电压和电流的波形包含有高频噪声；

4）电弧电流di/dt高于正常电流波形；(www.xing528.com)

5）除电弧熄灭和重燃部分外，电弧的电压波形近似于矩形。

因此，电弧故障断路器主要的工作原理是如何提取电弧波形的特征，并识别正常电弧和电弧故障的差异，确保AFDD正确动作。从国内外公司的研究成果来看，根据电弧特征的提取方式和数据处理方式不同，目前大致有以下几种工作原理。

1.施耐德公司（Square D公司）电弧故障检测系统的工作原理

图13-13是施耐德公司（Square D公司）电弧故障检测系统的工作原理框图，电弧故障检测系统包括了接地故障检测和电弧故障检测。原理框图的左边表示电气装置，电弧故障检测系统安装在电气装置中，用以监视电气装置中的接地故障和电弧故障。原理框图的右边虚线框内的部分是电弧故障检测系统展开示意图，电弧故障检测系统如与断开机构组装就构成电弧故障断路器。

电弧故障检测系统由di/dt传感器、带通滤波器和信号检测器（电弧故障检测电路）、积分器（电流测量电路）、电压过零检测电路、接地故障传感器、接地故障放大器、微处理器（包括A-D转换和运算器）等组成。

图13-13 施耐德公司（SquareD公司）电弧故障检测系统的工作原理框图

di/dt传感器用来检测电气装置中的电流变化率，电气装置的相导线穿过di/dt传感器，传感器铁心由磁性材料制成，例如由铁淦氧、铁或导磁粉末模压制成，以便感应快速变化的磁通。传感器铁心的磁导率应适当减小，以便在较大的电弧电流通过时不会使铁心饱和，确保其能检测电弧。di/dt传感器二次回路输出的感应电压与一次回路电流的瞬时变化率成正比。调整di/dt传感器的参数，使其输出信号的范围和频谱很容易地将电弧从负载中区分出来。

di/dt传感器的输出信号分两路：一路提供给由带通滤波器和信号检测器组成的电弧故障检测电路；另一路提供给测量电流的积分器。带通滤波器是一个宽频噪声检测器，由一个或几个带通滤波器组成，用以接收di/dt传感器的信号。选择带通滤波器的频率范围，以便检测代表电弧故障典型频谱的频段噪声，带通滤波器将通过带通滤波器的频段信号传送给信号检测器。带通滤波器至少为两个，频率范围为10～100kHz。例如，在一个实施例中，采用两个带通滤波器，其中心频率分别为33～58kHz。带通滤波器的输出信号进入信号检测器（比较器）与基准电平相比较，如达到足够的电平，则输出一个脉冲。比较器输出脉冲的触发电平通过分析非电弧负载的特征确定。带通滤波器的信号送入一个与门，如果几个带通滤波器同时输出脉冲，则与门送出一个脉冲至微处理器，由微处理器计数并用于电弧检测运算。di/dt传感器的另一路信号送入积分电路测量电流，积分电路由无源阻容电路和带放大的积分器组成，积分电路的输出与电路的交流电流成正比。积分器的输出信号由A-D转换器采样，A-D转换器可内置于微处理器中，A-D转换至少输出一组8位字节的采样数据，每半周期32次采样。采样电流被转换成电流峰值、电流区域、di/dt最大值等信号储存于每半周期电压。

为防止频率漂移的影响，通过电压过零检测电路检测电压过零点，并通过内置定时器测量电压过零点之间的时间，修正采样频率，确保每个周期的采样数恒定。电压过零电路用一个低通滤波器（转移频率为1kHz）和一个比较器来实现，当电压高于0V时，输出数字“1”，当电压低于0V时，输出数字“0”。微处理器接收逻辑电平，测定系统频率的变化，并调整采样频率保持每个周期64次采样。

微处理器接收带通滤波器的脉冲信号，每半周期的电流峰值、电流区域、最大di/dt、电流波动等信号，根据预定的方式进行运算，确定是否发生电弧故障。如确定发生电弧故障，发出脱扣指令使断路器断开电路。

接地故障检测电路的工作原理在第12章中已详述，这里不再赘述。

2.美国德州仪器公司检测电弧故障设备的工作原理

图13-14所示是德州仪器公司检测电弧故障设备的原理框图。由原理框图可见，检测电弧故障设备由电流传感器、输入感测电路、电弧感测电路、电源、脱扣（触发）电路、处理单元和机电接口（开关装置）组成。电流传感器用以监视经过机电接口（开关装置）的电流和电功率，并检测电流中的高频分量提供给输入感测电路，输入感测电路对交流信号进行滤波和整流，并将经过整流的信号提供给电弧感测电路。接着，电弧感测电路将有可能发生电弧的电压电平和数字信号提供给处理单元，随后在处理单元中测量电压电平，并使用一种或多种算法分析电压测量结果和数字信号，以确定该信号是电弧故障还是干扰负载产生的信号，如判定该信号是电弧故障信号，处理单元触发脱扣电路，使机电接口开关装置断开被保护电路。

图13-14 德州仪器公司检测电弧故障设备的原理框图

德州仪器公司检测电弧故障设备的电路结构如图13-15所示，电流传感器为互感器TR₁，监视负载的交流电流，将电流的高频分量从一次绕组L₁耦合到L₂，TR₁为弱耦合互感器，互导约为20～50μH。输入感测电路由电容器C₁，电阻R₁、R₂及二极管VD₁～VD₆组成，电流传感器的二次绕组L₂连接在电容器C₁与电阻R₂之间，电容器C₁对L₂输出的AC信号进行高通滤波。电阻R₁和R₂连接后接地，为二次绕组L₂提供接地基准。二极管VD₁、VD₂和VD₄、VD₅组成全波整流桥，在S点输出全波整流信号。二极管VD₃～VD₆和电弧感测电路的电容C₂形成记录电路，使S点的输出电平与输入感测电路的输入成正比。电弧感测电路由电容器C₂、积分电容器C₃、电阻R₃～R₇、运算放大器OPA以及二极管VD₇组成。电容器C₂和电阻R₄连接在电弧感测电路输入端S与地之间。运算放大器OPA与电阻R₅、R₆形成非反相放大器，电容器C₂连接到运算放大器的正相输入端，运算放大器输出端连接二极管VD₇、电阻R₇和积分电容器C₃，C₃一端接地一端与微处理器的引脚9连接。电阻R₇和电容器C₃，构成低通滤波器，以过滤高频噪声。电弧感测电路的作用是将电容器C₂的电压变化转换为一定宽度的响应有效di/dt（电弧事件）脉冲，电弧事件增加，电容器C₃上的积分电压也增加。微处理器采用MSP430F1122或其他任何合适的微处理器，微处理器的引脚9在每个线电压半周期靠近电压过零处测量一次电容器C₃上的电压U_C3，即积分电容器C₃上所累积的电压和，也可以每个线电压半周期测量二次或多次积分电容器电压U_C3，并且在每次测量后将电容器C₃上的电压置零。微处理器将测量电压经过A-D转换，转换为数字数据，并存储在存储器中。运算放大器OPA的输出直接连接到微处理器的引脚13，向微处理器提供脉冲计数信号，微处理器使用内部计数器监视脉冲计数信号，以跟踪信号内发生的脉冲，微处理器存储与测量电压和脉冲计数有关的数据，并使用一种或多种算法处理数据，以确定所述的电压/脉冲是电弧故障还是干扰负载。重置电路由电容器C₄、电阻R₈～R₁₀、稳压管VD₈以及按钮PB₁组成。PB₁一端与电源相线连接，另一端经过R₉、R₁₀连接至微处理器引脚12，相电压经过R₈～R₁₀降压后输入至微处理器引脚12，稳压管VD₈和电容器C₄并接在引脚12与地之间，以限制输入引脚12的电压，并过滤高频噪声。按下按钮PB₁测试时，微处理器在引脚10提供脉冲宽度增加的感测测试信号，随着脉冲宽度的增加，微处理器通过R₃向电容器C₂施加增加的电压，从而在不同的电压产生模拟电弧，测试电弧故障检测设备的功能。脱扣电路由电容器C₅～C₇、电阻R₁₁与R₁₂、二极管VD₉、晶闸管VT₁组成。电容器C₇和C₆用来防止因du/dt引起晶闸管VT₁的误脱扣，VT₁的门极通过R₁₁和C₅连接至微处理器的引脚14，机电接口由整流桥VD₁₂～VD₁₅、脱扣线圈、压敏电阻MOV₁组成。电源电压经过脱扣线圈连接到整流桥，整流桥输出一端经过二极管VD₈与脱扣电路的晶闸管VT₁阳极连接。当微处理器检测到电弧故障时，在引脚14输出一个高电平，VT₁导通，脱扣线圈通以电流，使机电接口（开关装置）脱扣。电源部分由电阻R₁₃～R₂₀、电容器C₈～C₁₀、二极管VD₁₀和稳压管VD₁₁组成。R₁₃～R₁₅限制通过VD₁₁的电流，稳压管VD₁₁经过电阻R₂₀与微处理器引脚2（Ucc正端）连接，给微处理器提供电源，滤波电容器C₉接在VD₁₀和VD₁₁连接处与地之间，VD₁₀防止电容器C₉流出反向电流。电容器C₁₀接在微处理器引脚2与地之间，减少高频电流对电源的干扰。R₁₆和R₁₇连接在R₁₄、R₁₅连接处与地之间，C₈接在R₁₆、R₁₇连接处与地之间，并向微处理器引脚8提供基准电压（U_REF），电容器C₈上电压与整流桥VD₁₂～VD₁₅成正比，即与电路的线电压成正比，因而微处理器通过U_REF可监视电路的线电压，从而确定何时测量电容器C₃的电压。

从上述说明可以看出，检测电弧故障的关键是如何处理检测到的信号。德州仪器公司采用的一种算法是三周期算法（TCA），可以减少误动作发生。三周期算法是：计算周期1的数值（U_[n-1]）减去周期2的数值（U_[n]），并取绝对值，得到第一计算值；计算周期3的数值（U_[n+1]）减去周期2的数值（U_[n]），并取绝对值，得到第二计算值；计算周期3的数值（U_[n+1]）减去周期1的数值（U_[n-1]），取绝对值，得到第三计算值，接着计算第一值加第二值减去第三值，并取绝对值，即TCA步骤如下式所示：

图13-15 德州仪器公司检测电弧故障设备的电路结构

TCA计算的每个求和代表在各自采样周期内发生的电弧总数，如采样周期终点确定的求和超过预定的最大阈值，则认为检测到电弧故障，微处理器触发VT₁，使机电接口断开负载的电源。

微处理器对信号进行处理和计算的流程如图13-16所示。

图13-16 微处理器信号处理和计算流程

3.宁波习羽电子发展公司电弧故障检测装置工作原理

图13-17所示为宁波习羽电子发展公司电弧故障检测装置的原理图（兼有漏电保护），该装置具有电弧检测和漏电检测功能，包括电源电路、信号放大电路、信号分析处理电路、故障检测电路、驱动电路和脱扣装置等。

宁波习羽电子发展公司电弧故障检测装置的电路如图13-18所示。信号检测电路包括电弧故障检测电路和漏电检测电路。漏电检测电路由剩余电流互感器、信号处理电路U₃等组成，其工作原理在这里不再赘述，重点分析电弧检测电路的工作原理。

电弧故障检测电路（包括过电流检测）由电弧检测互感器L₃、信号负载电阻R₁₆、限流电阻R₂₃、信号耦合电容C₁₄、C₁₅、信号放大晶体管V₃、电阻R₁₅～R₁₈、稳压管VD₃等组成。电弧检测互感器L₃采用铁硅铝材料制成，串接在交流电源的相线或零线上。铁硅铝材料具有低损耗、频率响应好、相对饱和度高等特点，适用于检测电弧的高频特性。互感器L₃的二次输出回路并联采样电阻R₁₆。

交流电源经过电压敏电阻RY₁和电容C₁₆组成的浪涌保护电路及开关触头S₁、S₂，然后经脱扣线圈L₁再与整流桥VD₁连接，VD₁直流输出端与晶闸管VT的阳极和阴极并联，VT的门极经过电阻R₁和VD₄与微处理器U₂的引脚5连接，接收U₂发送的高电平脱扣信号。VD₁直流输出端还并联电阻R₂和发光二极管VD₂，作为电源通电的指示。VD₁直流输出端另外一路与电阻R₃～R₁₀、电容器C₃～C₅、三端电压基准模块U₁（TL431）、高耐压晶体管V₂组成线性电源电路。U₁通过R极的电压反馈改变阳极A和阴极K之间的内阻，从而调节U₁阴极K端电压和V₂的输出电压，确保对微处理器引脚1的电压稳定（3.6V）。

测试电路由电阻R₁₉、R₂₀和测试按钮SW₁组成，整流桥VD₁经SW₁将R₁₉、R₂₀接入晶体管V₃的基极再与U₂的引脚6相连。按下测试按钮SW₁，电路接通，V₃基极得到信号，向U₂引脚6送入一个低电平，U₂的引脚5输出一个高电平给VT的门极，VT导通，脱扣线圈通电脱扣切断电路。

信号处理单元U₂采用P89LPCL901芯片，用于对电弧故障信号进行处理和判别，其引脚1接电源，引脚2、3、4悬空；引脚5与脱扣电路连接，输出脱扣高电平信号，引脚6是高低电平检测输入端，与电弧、过电流检测电路和漏电检测电路相连，接收采样电路的信号，引脚7是比较器的正向输入端，与信号检测电路相连接，引脚8接地。电弧检测互感器L₃二次输出回路一端经过限流电阻R₂₃和信号放大晶体管V₃以后连接至U₂的引脚6，L₃的该端再经过并联后的电阻R₁₅和电容C₁₄与稳压管VD₃的公共端一起接至U₂的引脚7，L₃二次回路的另一端接于R₁₇、R₁₈的连接点，电阻R₁₇的另一端与VD₃的阴极一起接入U₂的电源正端引脚1，VD₃的阳极接地，起过电压保护作用，电阻R₁₈与电容C₁₅并联后接地。因此，电阻R₁₇和R₁₈的连接点提供了一个分压，使L₃的二次回路浮动在分压点上。电流互感器L₃检测到电弧或过电流信号，在采样电阻R₁₆上将感应电流转化为采样电压，信号电压叠加分压点电压后经过R₁₅和C₁₄将脉冲信号送至U₂的引脚7。分压不能太高，高了会导致电路误动作，低了会影响灵敏度。如信号极性相反，则通过VD₃的阳极1和公共端3脚泄放电流，或者当电压信号过高时，通过VD₃公共端3脚和阴极2脚向电源正端泄放电流，钳制信号电平。当L₃检测的电流大到一定程度（过电流），R₂₃和R₁₁的分压使V₃导通，U₂引脚6呈现一定周期的低电平，U₂引脚5输出高电平，使V₁驱动脱扣。微处理器通过检测是否有达到预先设定的电压脉冲来进行判断，如果有达到设定的脉冲出现，则认为检测到电弧故障，并通过引脚5输出一个高电平，使脱扣装置动作，切断电源。如果没有达到设定的脉冲，U₂返回原来的状态重新检测。微处理器U₂判断的依据是信号脉冲是否大于等于8次有弧电流半周期/s，如果是，则发出信号使脱扣装置脱扣，切断电源。如果脉冲小于8次有弧电流半周期/s，则计数器清空，微处理器U₂返回重新等待。

图13-17 宁波习羽电子发展公司的电弧故障检测装置的原理框图

图13-18 电弧故障检测装置的电路

从上述几种电弧故障检测方式可以看出，基于电压电流波形检测的检测原理主要有以下几项关键技术：

1）采用电流互感器采集电弧电流的高频信号，尤其是电压过零区域电弧电流突变的高频信号，作为采集电弧电流的最主要依据，将高频信号送入微处理器进行处理和判断。因此，采集电弧电流的电流互感器一次回路只有一根相导线或中性线通过。为了采集高频信号和保证检测电流的范围，要求电流互感器具有一定的高频响应特性、低铁损耗、高饱和磁通密度和较好的稳定性。因此，电流互感器的铁心材料一般采用铁氧体、铁硅铝等高频特性较好的材料制成。必要时铁心的截面上可以开槽，以提高铁心的饱和度。

2）采集电弧电压信号，将电弧电压的高频信号及变化状况作为判断和计算的依据之一，同时作为基准电压输入微处理器，用于采集、处理电流高频信号和确定电流电压相位的时间基准，采样信号存储于微处理器中，作为计算的依据。

3）信号处理电路，采用微处理器和合适的软件进行处理，这是电弧故障检测的核心技术。从上述检测原理可见，利用电流和电压检测电弧的存在，相对来讲还比较容易，只要根据电弧电流过零肩部平坦的波形的特征就可以判别。但要将电弧故障从各种类似的电弧或正常电弧负载中区分开来，就比较困难。信号处理电路的关键是如何提取电弧故障的特征，将其从类似的波形中区分开来。微处理器根据检测回路输入的电弧电流和电压波形的数据，例如电流和电压的峰值、di/dt、电弧电流变化趋势、电压与电流的相位角等特性数据，采用合适的算法进行计算，提取电弧电流和电压波形的特征，与存储的负载特性进行比较，由此确定检测到的电弧是电弧故障还是正常电弧。目前，常用的算法有三周期算法，计算电弧电流变化的趋势；采用傅里叶分解来分析电弧电流的谐波成分；采用小波变换分析方法分析电流中周期性的奇异点来判断是否发生电弧故障等，也有学者提出可将非线性的混沌理论和分形理论运用到电弧故障的特征信息提取之中。相信随着对电弧故障算法和各种正常电弧负载研究的深入和数据的积累，采用电流电压波形检测电弧故障的准确度会越来越高，使电弧故障断路器的可靠性进一步提高。