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技术论文

初探AFDD断路器与大数据

作者:罗雷,波官勇,李佩


一、AFDD相关知识

1AFDD是什么?

AFDD是英文 Arc Fault Detection Devices 字头缩写,可翻译成“电弧故障检测设备电弧故障断路器,在北美称之为AFCI(Arc Fault Circuit Interrupt),就是电弧故障断路器。

2AFDD如何工作?

AFDD断路器中有高性能的微处理器(MCU, MCU 将采集的电流和电压参数进行运算处理,判断下游线路上是否有电弧故障,根据我国最新GB/T31143-2014产品标准,在AC线路上,当AFDD0.5秒内察觉到8~14个半周的故障电弧(坏弧),且负载电流大于3A时,AFDD断路器执行脱扣,切断AC 电源从发现第一半波的电弧故障到脱扣时间一般小于0.2秒,防止电气火灾非常有效根据美国消防部门统计,美国自2002使用AFDD/AFCI断路器以来防止了大约75%的电气火灾。

AFDD的产品标准

1)我国AFDD的产品国家标准是2014年由工信部上海电科院制定的GB/T31143-2014,是规范我国AFDD产品的唯一权威标准,2015年4月1日正式实施。目前在国际上还有美国的UL1699标准和欧盟的IEC62606标准,并且美国 NEC 2008 规范,强制在特定场所安装AFDD断路器,目前欧盟也出台了强制安装的规范。

2)电弧测试方式:

根据GB/T31143的标准,测试基本上由5部分组成,就是

碳化路径的电弧故障检验测试(串联电弧测试),

碳棒与锥形铜棒的不良接触的电弧故障测试(串联电弧测试),

铡刀测试(并联电弧测试)

隐蔽型电弧故障测试

正常负载的误动作测试。

从以上测试内容可以看出,AFDD技术含量是非常高的,要能通过上述的测试我们要做很多的努力。

三、电弧故障

1什么是电弧

电弧是指电流穿过绝缘层时发光的放电现象,在放电的同时伴有热的产生,热量可以使得局部温度迅速上升到3000度,金属可以被融化。

2电弧分类

线路上的电弧可分为两种,一种是正常的操作弧,称《好弧》;另一种是故障电弧,称《坏弧》

《好弧》是指电机旋转时电极电刷产生的弧,如电钻,吸尘器等。另外当人们开关电器,插拔电器时产生的弧也是《好弧》。

《坏弧》是故障电弧,故障电弧的类型基本上可分三类。A类,B类和C类。A类称串型电弧,B类称并型电弧,C类称对地电弧(因C类弧也是漏电的故障,故在此不讨论)A,B图示如下:

                A类:                        B类:

B类电弧的电流较大,通常在过流时,普通的断路器不能立刻断电,所以造成火灾的概率也大。据公安部的统计,电线路老化、破损、虚接等造成的火灾在所有火灾事故中占有最高的比例,约占30%以上。

AFDD技术特点

    AFDD在查找下游线路的电弧故障时,要对负载的电流,电压和高频分量等进行高密度采样、比较和判断,以准确地识别电弧故障,有些负载的电流曲线与电弧故障的电流曲线很类似,这就需要我们收集尽可能多的负载曲线防止误判。目前关于AFDD的电弧故障的识别的算法有很多,如:快速傅立叶算法、小波变换算法、三周期算法等等。但是无论什么算法都需要我们采集电流和电压等电气参数,如果我们利用这个特点,将电流和电压参数收集和利用,就可以实现互联网和大数据的应用。

以下是AFDD可以保护的曲线

1保护曲线

1:断路器的保护曲线


ZIGBEE 技术

AFDD要实现大数据的应用,就要将AFDD断路器的采样数据发送出来,我们首选采用无线连接的ZIGBEE技术,将AFDD内置一个ZIGBEE模块,实现数据的实时外送功能

ZIGBEE是一种无线连接,可工作在2.4GHz(全球流行)868MHz(欧洲流行)915 MHz3个频段上分别具有最高250kbit/s20kbit/s40kbit/s的传输速率,它的传输距离在10-75m的范围内,但可以继续增加。作为一种无线通信技术,ZIGBEE具有如下特点:

(1) 低功耗: 由于ZIGBEE的传输速率低,发射功率仅为1mW,而且采用了休眠模式,功耗低,因此ZIGBEE设备非常省电。据估算,ZIGBEE设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间,这是其它无线设备望尘莫及的。

(2) 成本低:ZIGBEE芯片初始成本8元左右,估计很快就能降到45, 并且ZIGBEE协议是免专利费的。低成本对于ZIGBEE也是一个关键的因素。

(3) 时延短:通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短,典型的搜索设备时延30ms,休眠激活的时延是15ms, 活动设备信道接入的时延为15ms。因此ZIGBEE技术适用于对时延要求苛刻的无线控制(如工业控制场合等)应用。

(4) 网络容量大: 一个星型结构的ZIGBEE网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备, 一个区域内可以同时存在最多100ZIGBEE网络, 而且网络组成灵活。

(5) 可靠: 采取了碰撞避免策略,同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输模式, 每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发。

(6) 安全: ZIGBEE提供了基于循环冗余校验(CRC)的数据包完整性检查功能,支持鉴权和认证, 采用了AES-128加密算法,各个应用可以灵活确定其安全属性。

下图是有关ZIGBEE的多种网络结构:


3ZIGBEE的多种网络结构

六、有关大数据

我们通过各个AFDD断路器的ZIGBEE模块,就可以很容易的将各个电气支路的电气参数上传到一个路由器,再上传到服务器,包括当前电流、电压、电能用量、故障情况、功率因数等等,0.5S上传1组数据,这样就可以满足大树据的基本要求。

1大数据的概念

大数据是一个较为抽象的概念,正如信息学领域大多数新兴概念,大数据至今尚无确切、统一的定义。根据维基百科的定义:大数据是指无法在可承受的时间范围内用常规软件工具进行捕捉、管理和处理的数据集合。但是这也并不是一个精确的定义,可承受的时间范围也是个概略的描述。IDC在对大数据作出的定义为:大数据一般会涉及2种或2以上数据形式。它要收集超过100TB的数据,并且是高速、实时数据流;或者是从小数据开始,但数据每年会增长60%以上。这个定义给出了量化标准,但只强调数据量大,种类多,增长快等数据本身的特征。研究机构Gartner给出了这样的定义:大数据是需要新处理模式才能具有更强的决策力洞察发现力和流程优化能力的海量、高增长率和多样化的信息资产这当然也是一个描述性的定义,在对数据描述的基础上加入了处理此类数据的一些特征,用这些特征来描述大数据。

2大数据展现与应用技术

大数据技术能够将隐藏于海量数据中的信息和知识挖掘出来,为人类的社会经济活动提供依据,从而提高各个领域的运行效率,大大提高整个社会经济的集约化程度。在我国,大数据将重点应用于以下三大领域:商业智能、政府决策、公共服务。例如:商业智能技术政府决策技术电信数据信息处理与挖掘技术电网数据信息处理与挖掘技术气象信息分析技术环境监测技术警务云应用系统(道路监控、视频监控、网络监控、智能交通、反电信诈骗、指挥调度等公安信息系统)大规模基因序列分析比对技术Web信息挖掘技术终端智能电网其他各种行业的云计算和海量数据处理应用技术等。

3大数据的特点

海量

快速

多样


4:大数据的特点

结束语

通过以上内容,大概说明了电弧故障的危害,AFDD的功能以及AFDD断路器的技术可以很方便地应用于网络时代的大数据,我们希望在不久的将来,AFDD产品可以在用电安全、网络、大数据方面为人类造福

参考文献:

[1]罗雷,刘晖.家用电弧断路器(AFCI)的开发[J].建筑电气期刊,2006.02.

[2]曾元超.防范电气火灾新技术[J].Taiwan 台电月刊. 2008.09.

[3]AFDD 电弧故障断路器国家标准GB/T31143.

[4]UL1699 Standard. 1999-2008.

[5]美国NEC2008 电气规范.

[6]马建光,姜巍.大数据的概念、特征及其应用[J].国防科技,2013.(04).

[7]赵应国.大数据技术的应用[M].贵州大学:统计学前沿专题,2015.

[8]陈丹.大数据的应用综述[J].科教导刊(电子版),2015.08.


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