اكتشاف القوس الكهربائي المتسلسل والتعرف على الحمل

ضرورة اكتشاف القوس الكهربائي المتسلسل والتعرف على الحمل

في الولايات المتحدة وحدها، هناك أكثر من (61000) حريق سنوياً بسبب الأعطال الكهربائية أو الأعطال في المتوسط ​، ووفقاً لبيانات من الجمعية الوطنية للحماية من الحرائق (NFPA)، وفي هذه الحالة يمثل الانحناء والشرارة في التركيبات المنزلية خطراً على المباني السكنية، وتقليدياً يتم استخدام الصمامات وأجهزة التيار المتبقي (RCDs) ودوائر الحالة المصبوبة لتقليل مخاطر نشوب حريق عن طريق اكتشاف التيار الزائد أو تيار التسرب الناجم عن أعطال مثل ماس كهربائي وقوس متوازي.

ومع ذلك؛ فإنها تفشل في القضاء على أعطال القوس المتسلسلة التي تحدثها جهات الاتصال والمحطات الفضفاضة وسوء التوصيل والكابلات المكسورة وما إلى ذلك؛ ونظراً لأن مقاومة القوس المتسلسل تجعل تيار الحمل منخفضاً ويصعب تحديده، ولمنع الحرائق الكهربائية يقترح القانون الوطني للكهرباء (NEC) ومختبرات التأمين (UL) قاطعات دائرة أعطال القوس الكهربائي (AFCIs) في الولايات المتحدة واللجنة الكهرو تقنية الدولية (IEC)، كما تنصح أجهزة الكشف عن أعطال القوس الكهربائي (AFDD) للأسر المعيشية و استخدامات مماثلة في أوروبا.

وبناءً على الكشف عن أعطال القوس الكهربائي المتسلسل، تم إجراء العديد من الخوارزميات والدراسات لتحسين دقة وحساسية أعطال القوس الكهربائي المتسلسلة، ونظراً لأنه من السهل حساب المعلمات المستندة إلى الوقت؛ فمن المحتمل أن يتم تضمينها وتحقيقها في وحدة الميكرو كونترولر (MCU) في وقت مبكر.

كما تعود الدراسات ذات الصلة إلى التسعينيات، بحيث تم اقتراح طريقة للكشف عن القوس عن طريق قياس التغير في الذروة الحالية، وبعد ذلك تم تحسين بعض الخوارزميات المستندة إلى خصائص المجال الزمني للقوس المتسلسل، بما في ذلك معامل الارتباط التلقائي للتيار وعامل القمة ومتوسط القيم الحالية وما إلى ذلك، ومع ذلك؛ فإن أشكال الموجة للقوس المتسلسل معقدة للغاية بحيث لا يمكن تمييزها لدرجة أن دقة الكشف عن القوس المتسلسل منخفضة للغاية وغير مستقرة.

ونظراً لتطوير التقنيات ذات الصلة وتحسين الأجهزة، تمت تجربة نهجين لتحسين اكتشاف القوس المتسلسل، بحيث استخدام أجهزة استشعار جديدة وطرق معالجة الإشارات بناءً على تحليل مجال التردد الكهربائي، بحيث يستخدم مستشعر (TMR) (المقاومة المغناطيسية للنفق) لقياس تغير المجال المغناطيسي للقوس وحساب الكثافة الطيفية للطاقة لاكتشاف القوس.

تجربة اجراء القوس الكهربائي ومعالجة البيانات

انشاء خطأ الانحناء: تم تصميم منصة تجربة القوس كما هو موضح في الشكل التالي (1)، بحيث تم تصميم مولد القوس وفقاً لمعيار (IEC 62606: 2013)، كما ويتضمن قاعدة وإلكترونين، وهما قطب واحد يتكون من قضيب جرافيت كربون بقطر (6 مم ± 0.5 مم) و القطب الآخر هو قضيب نحاسي، وهي نوع الأجهزة الأخرى مُدرج أدناه.

• المسبار الحالي: النوع: (TCP303 و TCPA300) من إنتاج شركة تكترونكس.

• راسم الذبذبات: النوع: (MDO 3034) من إنتاج شركة تكترونكس.

كما أن عرض النطاق الترددي للمسبار الحالي هو (0-15) ميجاهرتز والدقة (± 1٪)، وهو أقل تيار قابل للقياس (بدقة ± 3٪ عند التيار المستمر) وهو (5) مللي أمبير، كذلك عرض نطاق راسم الذبذبات هو من (0-500 MHz) ومعدل أخذ العينات الأقصى لقناة واحدة هو (2.5 GS / s).

أيضاً هناك عدد لا يحصى من الأحمال المنزلية، لكن الأشكال الموجية لنفس النوع من الأحمال لها خصائص متشابهة للغاية، سواء في المجال الزمني أو مجال التردد الكهربائي، لذلك تم اختيار أربعة أحمال نموذجية للتجربة، كما وترد قوة كل أحمال في الجدول التالي (1)، بحيث يتم توصيل راسم الذبذبات بجهاز كمبيوتر ويتم التحكم فيه بواسطة (LabVIEW)، وبهذه الطريقة يمكن حفظ قدر كبير من أشكال الموجة بسرعة وبشكل تلقائي.

استراتيجية التنفيذ: استناداً إلى النظام الأساسي لتجربة القوس والأحمال المختارة عادةً، يظهر مخططنا العام في الشكل التالي (2)، وهي الطريقة التي تعتمد على المجال الزمني سهلة الحساب وتمثل دقة جيدة في بعض الأحمال الكهربائية، لذلك تم استخراج الكميات المميزة الثلاث التالية لوصف معلومات المجال الزمني للأحمال المختلفة، وهي الحد الأقصى لفرق الانزلاق (MSD) وفترة التيار الصفري (ZCP) والحد الأقصى للمسافة الإقليدية (MED).

وفي الوقت نفسه؛ فإنه من الضروري الحصول على مزيد من التفاصيل والمعلومات عن الأحمال وظاهرة الانحناء التسلسلي المحتملة على أساس مجال التردد، مما لا شك فيه أنه كلما تم النظر إلى معلمات مجال الوقت والتردد بشكل شامل، كما زادت دقة تحديد القوس المتسلسل.

ومع ذلك؛ فإنه يتطلب قدراً كبيراً من التكلفة الحسابية ووقت الاستجابة مع مراعاة عدد من حسابات المجال الزمني وتحليل مجال التردد، كما ومن الصعب ضمان كفاءة الحساب، ولحل المشكلة يتم استخدام تحليل المكونات الرئيسية (PCA) كطريقة لتقليل الأبعاد للاحتفاظ بالمعلومات الأصلية الجديرة بالثناء.

تحليل المجال الزمني: يعتبر تردد أخذ العينات المعتمد في هذه التجربة هو (100) كيلو هرتز وفترة أخذ العينات هي (T = 5)، لذلك كل فترة لها (k = 2000) نقطة و (n = 10000)، وهي نقطة في المجموع، كما تم جمع (200) مجموعة من الأشكال الموجية لكل حمل، كما وتم بجمع (N = 800) مجموعة من الأشكال الموجية في النهاية، وذلك من خلال أخذ عينات كثيرة من أشكال الموجة، بحيث يمكن تقليل تأثير عشوائية الأقواس.

وبالنسبة الى الأشكال الموجية الحالية للأحمال المختلفة في الوضع الطبيعي والانحناء موضحة في الشكل التالي (3) من أجل تقييم الفرق بين شكل الموجة العادي وشكل موجة الصدع القوسي، بحيث تمت تسوية جميع البيانات في وحدة عشوائية (au).

كم يتم وضع القيمة القصوى للقيمة المطلقة للتيار على (1) وتقسم القيمة الحالية لبقية النقاط في العينة على القيمة القصوى، بحيث يحتوي مكواة اللحام الكهربائية على حالتين للعمل، أيضاً وضع التسخين ووضع درجة حرارة ثابتة، مما يؤدي إلى خمسة أشكال موجية مختلفة في أربعة أحمال.

تحليل مجال التردد الكهربائي: يعتبر من أكثر طرق تحليل الطيف شيوعاً هي طريقة تحويل فورييه (FT) في التطبيقات العملية، كما يتم أخذ عينات من الإشارات المستمرة إلى إشارات منفصلة، لذلك يمكن حساب الطيف بواسطة تحويل فورييه المنفصل (DFT).

وكما ذكر أعلاه؛ فإن تردد أخذ العينات الذي حددته التجربة هو (100) كيلو هرتز وعدد نقاط أخذ العينات هو (10000) نقطة، وبالتالي؛ فإن دقة التردد هي (10) هرتز، كما تتم مزامنة أخذ العينات بحيث لا يكون هناك تسرب للطيف، ويتم الحصول على معلومات الطيف بدقة، بحيث يظهر في الشكل التالي (4) المحتوى التوافقي المتكامل لكل من ظروف العمل الطبيعي وظروف الانحناء التسلسلي الأقل من (10) مرات.

وعندما يحدث خطأ القوس؛ فإن تغييرات المحتوى التوافقي للأحمال المختلفة ليست متسقة، مما يثبت أهمية التعرف على الحمل، بالنسبة لحمل المصباح ينخفض محتوى الموجة الأساسي ويزداد المحتوى التوافقي، وبالنسبة لتحميل (LED)، يزداد المحتوى التوافقي بشكل واضح، وبالنسبة لحديد اللحام الكهربائي (وضع درجة حرارة ثابتة)، يزداد محتوى الموجة الأساسي ومحتوى التوافقيات الخمسة الأولى بشكل كبير.