基于斷路器的故障電弧識別技術分析

劉長俊

（黃浦區(qū)消防救援支隊，上海 200011）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟高速發(fā)展，電氣設備、通信設備應用得越來越多，廣大居民日常用電量及各行各業(yè)的用電量急劇增長，在電網(wǎng)的電負荷大幅度增加的情況下，電氣原因引發(fā)的火災問題日益突出。根據(jù)相關統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2020 年共接報火災24.3 萬起、死亡人數(shù)1 338 人，受傷838 人，直接經(jīng)濟損失高達38.15 億元。特別需要注意的是，近年來，在住宅發(fā)生的火災事故中，電氣原因造成的火災占比居高不下。數(shù)據(jù)顯示由電氣因素引發(fā)的火災大約占火災總數(shù)的半數(shù)以上，特別是各種家電、電動車以及電動汽車等各類線路故障導致的火災發(fā)生頻率逐年上升，成為需要社會各界廣泛關注的焦點問題。

在住宅火災中，很多都是由電氣引發(fā)的，其中已經(jīng)查明原因的火災中有52%是由電氣引發(fā)的。

電氣火災出現(xiàn)的原因通常有如下2 種：1）電流原因。例如短路故障、過載現(xiàn)象等因素導致的電氣問題引發(fā)火災。2）故障電弧的原因。例如系統(tǒng)中的電氣零部件出現(xiàn)接觸問題、接地不良等情況引起的電弧或者電火花所導致的電氣問題的火災。在上述火災原因中，因為電流信號在實際工作中的檢測比較容易，所以相關技術人員對于電流相關特性的研究結(jié)果比較成熟。由于故障電弧本身的特性導致其很難被技術人員檢測到，電弧在供電網(wǎng)絡線路中發(fā)生頻率較高，并且電弧的表面溫度非常高，出現(xiàn)險情的可能性大，因此對于消防安全的危害非常嚴重，是造成電氣火災的主要因素。出現(xiàn)故障電弧的原因是供電線路布置設計的不合理或使用時間過長帶來老化等問題，用電設備的線路或零件的絕緣效果不佳也是比較重要的因素。

1 故障電弧的分類和主要特點

1.1 故障電弧的概念

電弧是指一類氣體分子在游離狀態(tài)下出現(xiàn)放電的物理現(xiàn)象，屬于一類等離子體。電弧中產(chǎn)生電流的現(xiàn)象從微觀角度來說，是由于相位電子和正價離子在電磁場作用下產(chǎn)生位移，其中電流的主體結(jié)構是發(fā)生位移的相位電子。電弧的主要特征為電流數(shù)值較小，且存在周期較短，如果發(fā)生擊穿現(xiàn)象就會反復產(chǎn)生電弧。在產(chǎn)生電弧的過程中，環(huán)境溫度會持續(xù)提高，同時放出巨量的熱量，該條件極易使周圍的物質(zhì)出現(xiàn)燃燒現(xiàn)象。

根據(jù)電弧故障產(chǎn)生的位置可以將其劃分為3 類：接地不良引起的故障電弧、并聯(lián)引起的故障電弧及串聯(lián)引起的故障電弧。

1.1.1 接地不良引起的故障電弧

接地不良引起的故障電弧是將相關供電網(wǎng)絡的故障電流，從供電線纜導入大地構成泄漏電流的回路現(xiàn)象。低電壓供電網(wǎng)絡普遍使用的剩余電量保護裝置能夠檢測到泄漏電流，進而迅速斷開總電源開關，防止泄漏電流導致的電弧現(xiàn)象發(fā)生，從而減少火災出現(xiàn)。

1.1.2 并聯(lián)引起的故障電弧

系統(tǒng)中的電流由于在并聯(lián)負載上的導線內(nèi)流動，因此無接地泄漏電流。并聯(lián)引起的故障電弧只與初始故障電流數(shù)值及故障電抗的數(shù)值有關。如果故障電弧處于低電抗狀態(tài)，系統(tǒng)內(nèi)的過載保護裝置會發(fā)出斷開電源的指令。如果故障電弧處于高電抗狀態(tài)，在該情況下不會觸發(fā)過載保護裝置。

1.1.3 串聯(lián)引起的故障電弧

系統(tǒng)中的電流由斷點處的導線通過負載裝置，無接地泄漏的電流存在。串聯(lián)引起的故障電弧出現(xiàn)時波動區(qū)間較大，該情況下，故障電弧的檢測過程比較困難。并且串聯(lián)式的故障電弧的檢測過程通?？赡鼙画h(huán)境中的其他用電裝置發(fā)生的諧波所影響，例如電源開關、日光燈、電視機及空調(diào)等[1]。

1.2 故障電弧的特點

低壓的配電線路屬于交流電路系統(tǒng)。 交流電路系統(tǒng)中的串聯(lián)故障電弧的產(chǎn)生是1 個動態(tài)過程，該過程的伏安特性過程也存在相應的動態(tài)特征。故障電弧的電流在該過程的半周期處起始的時候，系統(tǒng)電壓快速上升到最大值，該數(shù)值即為燃弧的電壓值，然后電壓數(shù)值即會快速下降到可以保持電弧進行連續(xù)燃燒的幅值；在系統(tǒng)的半周期馬上就要完成的時候，系統(tǒng)電壓數(shù)值重新上升達到熄弧電壓的數(shù)值，然后急速下降到零值。交流式串聯(lián)的故障，電弧發(fā)生的時候，電流的波形存在畸變的可能性。交流式電流發(fā)生周期性的交替變化，保證系統(tǒng)中的電弧電流在所有的半周期中都會出現(xiàn)1次零點值。因為當電流值為零值時，電弧隙的能量數(shù)值為零值，所以電弧的溫度降低有利于熄弧操作的進行。電流通過零值之前時幅值高速降低；在直接通過零值位置的時候，電流數(shù)值的下降趨勢將會變得比較緩慢，最小可能為零值，此時電流的幅值保持為某個相對較小的數(shù)值，產(chǎn)生了比較緩慢的變化區(qū)域，即為“零休”的數(shù)值區(qū)域。

因為故障電弧本身存在一定的阻抗，串聯(lián)式故障電弧的電流一般會比負載設定的額定電流稍微低一些，電弧引發(fā)的電流數(shù)值無法達到觸發(fā)常規(guī)的保護裝置的量級，例如過載保護裝置與接地的故障電路的中斷裝置。即上述的保護措施無法用于故障電弧的電路保護工作。并且故障電弧一般是隨機出現(xiàn)和瞬態(tài)的。所以需要對電路的情況進行實時監(jiān)測，用來監(jiān)控相關故障，預防潛在的電氣問題，避免火災現(xiàn)象發(fā)生。

2 故障電弧的檢測技術研究

系統(tǒng)中的串聯(lián)式故障電弧出現(xiàn)時，電流信號將會發(fā)生某種程度的畸變。導致該情況出現(xiàn)的原因主要是因為電流信號在經(jīng)過零點數(shù)值時，電弧可能出現(xiàn)火焰的熄滅和重新點燃的情況，使相關電弧的等效電阻數(shù)值出現(xiàn)非線性的改變，最終導致回路中的電流發(fā)生非線性的改變。如何檢測到相關變化的特征數(shù)值是串聯(lián)式故障電弧檢測工作的核心內(nèi)容。

2.1 信息熵和短期傅里葉變換方式的串聯(lián)故障電弧的檢測解決方案

根據(jù)信息熵和短期傅里葉變換方式進行的串聯(lián)故障電弧的檢測解決方案最初是借助sym5 小波數(shù)據(jù)包對于串聯(lián)故障電弧出現(xiàn)的時間點附近的相關電流信息實施四段拆分、組合及綜合統(tǒng)一化的操作。然后核算組合后的信號包括的信息熵的值，比較串聯(lián)故障電弧出現(xiàn)時間段的各類組合信號的信息熵數(shù)值的改變。因為信息熵數(shù)值的改變量越明顯，表明相關系統(tǒng)組成信號信息包括串聯(lián)故障電弧的相關信息量越大，所以挑選信息熵數(shù)值改變量最大的組合信號，設置為特征組合信號數(shù)值，進行下一步的研究工作。在流程的最后使用短期傅里葉變換對挑選的特征組合信號實施時域內(nèi)的研究，從研究的結(jié)果中可以獲得串聯(lián)故障電弧相關的電流信號信息中的時域特征，從而達到對于串聯(lián)故障電弧相關信息測量識別的目的[2]。

2.2 小波數(shù)據(jù)近似熵和支持向量機的串聯(lián)故障電弧的檢測解決方案

根據(jù)小波數(shù)據(jù)的近似熵和支持向量機進行的串聯(lián)故障電弧的識別和檢測方案是先采用db5 小波數(shù)據(jù)的變換過程對串聯(lián)故障電弧出現(xiàn)時間段左右的電流數(shù)據(jù)信號四段拆分、組合，并且確定相關方程的近似系數(shù)值與各層級的細節(jié)相關系數(shù)數(shù)值，用來獲取系統(tǒng)的較低頻率的分量及較高頻率的分量的組合信號的相關信息。因為近似熵數(shù)值能夠體現(xiàn)所有組合信號信息的隨機程度，所以將獲取的所有組合信號信息的近似熵視為其方程的特征向量。然后將相關特征向量的數(shù)值導入支持向量機內(nèi)部，對串聯(lián)故障電弧實施檢測和識別操作。由于串聯(lián)故障電弧的出現(xiàn)對于各個頻率層級均有不同程度的影響，當把某些組合信號信息的近似熵數(shù)值改變量作為串聯(lián)故障電弧識別和檢測的主要依據(jù)時，準確程度不高。因此，綜合智能化的識別算法方案——配合向量機進行后續(xù)操作，將全部的組合信號的近似熵設置為匹配向量機的輸入信號，設置各種不同數(shù)值的負載時，將線路的運行情況和串聯(lián)故障電弧情況設置為相關標簽。對于支持向量機的工作實施訓練操作，使用經(jīng)過訓練之后的支持向量機對串聯(lián)的故障電弧實施相關的識別操作。

2.3 信息熵和短期傅里葉變換的串聯(lián)故障電弧的檢測解決方案

根據(jù)信息熵數(shù)值和短期傅里葉變換方法進行的串聯(lián)故障電弧識別方案指的是使用小波數(shù)據(jù)包解析電流信息信號。因為小波數(shù)據(jù)包解析操作能夠預先指定分解的層級數(shù)量，解析后獲得的各個分量處在對應的頻率段，同時引入的信息熵數(shù)值為特征組合信號信息的挑選過程提供了相關理論依據(jù)，所以該方案能夠體現(xiàn)出串聯(lián)故障電弧數(shù)據(jù)信息的特征頻率區(qū)間段，只對特征頻率區(qū)間段實施研究可以檢測并且識別串聯(lián)故障電弧信號，在某種層面上降低了相關設備的工作量。由于小波數(shù)據(jù)包解析的數(shù)值計算工作量比較大，因此小波數(shù)據(jù)基必須預先指定，然后再進行傅里葉變換的操作。其中短期傅里葉變換過程的窗函數(shù)也必須預先指定。如果只是對信息熵數(shù)值變更過程進行最明顯的組合信號實施分析工作，相關的串聯(lián)故障電弧的某些特征數(shù)據(jù)信息可能會缺失。

2.4 希爾伯特黃變換、信息熵和短期傅里葉變換的串聯(lián)式故障電弧識別解決方案

根據(jù)希爾伯特黃的變換、信息熵和短期傅里葉變換進行的串聯(lián)式故障電弧的識別解決方案來源于本身的特征參數(shù)信號對應的時頻參數(shù)信息，雖然時頻特征中的頻譜幅值可以設置適當?shù)拈撝导礊榇?lián)式故障電弧進行識別的主要根據(jù)，但是由于其自身特點造成故障監(jiān)測識別的正確性和時效性相對不高。根據(jù)小波數(shù)據(jù)包的近似熵和支持向量機進行的串聯(lián)式故障電弧的識別和解決方案為，將收集的小波數(shù)據(jù)進行拆解之后，把各個重新組合后的信號的近似熵當成支持向量機的初始輸入量來檢測。

負載設備工作過程中余下的互感器中流過的電流，由于交替進出，因此其幅值出現(xiàn)相互抵消的情況。具體表現(xiàn)為在時域區(qū)間上的電信號的近似值為0。在故障電弧出現(xiàn)時引發(fā)了一組脈沖波形，由于該波形的差別較明顯，因此負載中工作電流的波形對其不會有顯著的影響，避免了非線性的負載設備中特殊電流導致的煩瑣處理的過程。

對于當前的串聯(lián)式故障電弧主干線路中電流識別方案存在的相關缺陷，根據(jù)剩余電流捕捉及峰值的脈沖檢測的方案，對數(shù)量較大的家用負載設備的相關數(shù)據(jù)進行分析，可以得到以下2 個結(jié)論。1）系統(tǒng)出現(xiàn)串聯(lián)故障電弧的時候，線路的總體阻抗值將會減小，介質(zhì)的損耗 （剩余）電流增加，線路的運行剩余電流信號數(shù)值近似值為0。該2 種參數(shù)在時域范圍內(nèi)的區(qū)別比較明顯，經(jīng)過峰值標識、脈沖數(shù)值分析以及選擇科學的指標閾值參數(shù)值，能夠迅速識別出正常值和故障電弧數(shù)值。2）該方案避免了對于線路中各類負載設備運行特殊電信號的相關操作，并且算法簡易，閾值隨負載變動的波動小，是現(xiàn)階段串聯(lián)式故障電弧識別的一類新方案。

3 基于斷路器的故障電弧探測實現(xiàn)

斷路器（MCB）和剩余電流保護斷路器（RCD）在配電線路中廣泛應用。根據(jù)實際用電情況，采用合適規(guī)格的MCB和RCD 可以很好地檢測并聯(lián)電弧故障和對地故障電弧并實施保護。AFCI 技術是1 種用來檢測故障的方法，關鍵時刻使用該技術能夠起到防止火災的效果。當電氣在使用的過程中產(chǎn)生故障電弧時，AFCI 就會自動切斷電源，連接到火災預警裝置上，發(fā)出火災警報的聲音，從而更好地保證電氣線路的安全。在進行電氣檢測的過程中，故障電弧檢測裝置不僅可以在電路發(fā)生故障時切斷電源，而且還能夠?qū)㈦娐肥褂眯畔⑴c火災發(fā)生的系統(tǒng)之間進行信息共享，同時向警報中心傳遞事故發(fā)生的時間與地點信息，檢測火災的設備并根據(jù)事故信息與數(shù)據(jù)進行分析，最后得出相關的事故報告[3]。

故障電弧探測單元原理圖如圖1 所示。在小型斷路器L線穿入1 個電流互感器，在L 和N 線穿入2 個零序互感器，同時將L 和N 線接入電壓互感器。其中瞬時脫扣線圈與雙金屬片和脫扣機構實現(xiàn)短路、過流、過載保護功能；零序互感器2 與脫鉤機構實現(xiàn)漏電保護功能；零序互感器1、電流互感器、電壓互感器、ADC 單元以及算法單元實現(xiàn)故障電弧檢測，當檢測到已知的電弧故障時，通過通信電路上報故障，必要時驅(qū)動脫扣機構進行斷路保護。過電流與漏電流保護以及故障電弧檢測并行執(zhí)行，相互不影響。

由于在線檢測故障電弧的時效性以及算法單元的運算能力有限性，算法單元不能識別未知的故障電弧。因此，隨著網(wǎng)絡技術的發(fā)展，算法單元可以將疑似故障電弧的數(shù)據(jù)樣本通過網(wǎng)絡上傳到云端，在云端識別算法庫中調(diào)用在線識別算法對上傳的樣本進行分析，然后將結(jié)果下載到檢測單元，如果識別到某類故障電弧發(fā)生概率明顯偏高，可以將對應的識別算法，通過熱更新的方法替換故障電弧檢測單元的算法，使之在本地快速完成識別。通過該方法可以保持檢測單元的有效性，同時可以逐步提高運算識別算法的識別成功率并且豐富識別方法。故障電弧探測單元云端系統(tǒng)框架圖如圖2 所示。

圖1 故障電弧探測單元原理圖

圖2 故障電弧探測單元云端系統(tǒng)框架圖

4 結(jié)語

綜上所述，該文分析了引起電氣火災的故障電弧的種類與特征，并分析了串聯(lián)電弧檢測技術及其優(yōu)點和缺點?；跀嗦菲鲗崿F(xiàn)了故障電弧的檢測識別，并提出采用云端協(xié)同的方式來提高檢測單元的識別成功率，采用熱更新的方式提升檢測單元的適應性。該種云端協(xié)同的方式同時也能豐富云端識別算法，使故障電弧識別系統(tǒng)智能化，為全局性的故障電弧識別系統(tǒng)提供了一個實現(xiàn)思路。