基于斷路器的故障電弧識別技術分析

劉長俊

（黃浦區消防救援支隊，上海 200011）

0 引言

隨著我國經濟高速發展，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的用電量急劇增長，在電網的電負荷大幅度增加的情況下，電氣原因引發的火災問題日益突出。根據相關統計數據，2020 年共接報火災24.3 萬起、死亡人數1 338 人，受傷838 人，直接經濟損失高達38.15 億元。特別需要注意的是，近年來，在住宅發生的火災事故中，電氣原因造成的火災占比居高不下。數據顯示由電氣因素引發的火災大約占火災總數的半數以上，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的，其中已經查明原因的火災中有52%是由電氣引發的。

電氣火災出現的原因通常有如下2 種：1）電流原因。例如短路故障、過載現象等因素導致的電氣問題引發火災。2）故障電弧的原因。例如系統中的電氣零部件出現接觸問題、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，電弧在供電網絡線路中發生頻率較高，并且電弧的表面溫度非常高，出現險情的可能性大，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下出現放電的物理現象，屬于一類等離子體。電弧中產生電流的現象從微觀角度來說，是由于相位電子和正價離子在電磁場作用下產生位移，其中電流的主體結構是發生位移的相位電子。電弧的主要特征為電流數值較小，且存在周期較短，如果發生擊穿現象就會反復產生電弧。在產生電弧的過程中，環境溫度會持續提高，同時放出巨量的熱量，該條件極易使周圍的物質出現燃燒現象。

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

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象。低電壓供電網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象發生，從而減少火災出現。

1.1.2 并聯引起的故障電弧

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

1.1.3 串聯引起的故障電弧

系統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。串聯引起的故障電弧出現時波動區間較大，該情況下，故障電弧的檢測過程比較困難。并且串聯式的故障電弧的檢測過程通?？赡鼙画h境中的其他用電裝置發生的諧波所影響，例如電源開關、日光燈、電視機及空調等[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。 交流電路系統中的串聯故障電弧的產生是1 個動態過程，該過程的伏安特性過程也存在相應的動態特征。故障電弧的電流在該過程的半周期處起始的時候，系統電壓快速上升到最大值，該數值即為燃弧的電壓值，然后電壓數值即會快速下降到可以保持電弧進行連續燃燒的幅值；在系統的半周期馬上就要完成的時候，系統電壓數值重新上升達到熄弧電壓的數值，然后急速下降到零值。交流式串聯的故障，電弧發生的時候，電流的波形存在畸變的可能性。交流式電流發生周期性的交替變化，保證系統中的電弧電流在所有的半周期中都會出現1次零點值。因為當電流值為零值時，電弧隙的能量數值為零值，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值，產生了比較緩慢的變化區域，即為“零休”的數值區域。

因為故障電弧本身存在一定的阻抗，串聯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，電弧引發的電流數值無法達到觸發常規的保護裝置的量級，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和瞬態的。所以需要對電路的情況進行實時監測，用來監控相關故障，預防潛在的電氣問題，避免火災現象發生。

2 故障電弧的檢測技術研究

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

2.1 信息熵和短期傅里葉變換方式的串聯故障電弧的檢測解決方案

根據信息熵和短期傅里葉變換方式進行的串聯故障電弧的檢測解決方案最初是借助sym5 小波數據包對于串聯故障電弧出現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，比較串聯故障電弧出現時間段的各類組合信號的信息熵數值的改變。因為信息熵數值的改變量越明顯，表明相關系統組成信號信息包括串聯故障電弧的相關信息量越大，所以挑選信息熵數值改變量最大的組合信號，設置為特征組合信號數值，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的研究，從研究的結果中可以獲得串聯故障電弧相關的電流信號信息中的時域特征，從而達到對于串聯故障電弧相關信息測量識別的目的[2]。

2.2 小波數據近似熵和支持向量機的串聯故障電弧的檢測解決方案

根據小波數據的近似熵和支持向量機進行的串聯故障電弧的識別和檢測方案是先采用db5 小波數據的變換過程對串聯故障電弧出現時間段左右的電流數據信號四段拆分、組合，并且確定相關方程的近似系數值與各層級的細節相關系數數值，用來獲取系統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。因為近似熵數值能夠體現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值導入支持向量機內部，對串聯故障電弧實施檢測和識別操作。由于串聯故障電弧的出現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值改變量作為串聯故障電弧識別和檢測的主要依據時，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，設置各種不同數值的負載時，將線路的運行情況和串聯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，使用經過訓練之后的支持向量機對串聯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故障電弧的檢測解決方案

根據信息熵數值和短期傅里葉變換方法進行的串聯故障電弧識別方案指的是使用小波數據包解析電流信息信號。因為小波數據包解析操作能夠預先指定分解的層級數量，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值為特征組合信號信息的挑選過程提供了相關理論依據，所以該方案能夠體現出串聯故障電弧數據信息的特征頻率區間段，只對特征頻率區間段實施研究可以檢測并且識別串聯故障電弧信號，在某種層面上降低了相關設備的工作量。由于小波數據包解析的數值計算工作量比較大，因此小波數據基必須預先指定，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也必須預先指定。如果只是對信息熵數值變更過程進行最明顯的組合信號實施分析工作，相關的串聯故障電弧的某些特征數據信息可能會缺失。

2.4 希爾伯特黃變換、信息熵和短期傅里葉變換的串聯式故障電弧識別解決方案

根據希爾伯特黃的變換、信息熵和短期傅里葉變換進行的串聯式故障電弧的識別解決方案來源于本身的特征參數信號對應的時頻參數信息，雖然時頻特征中的頻譜幅值可以設置適當的閾值即為串聯式故障電弧進行識別的主要根據，但是由于其自身特點造成故障監測識別的正確性和時效性相對不高。根據小波數據包的近似熵和支持向量機進行的串聯式故障電弧的識別和解決方案為，將收集的小波數據進行拆解之后，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，因此其幅值出現相互抵消的情況。具體表現為在時域區間上的電信號的近似值為0。在故障電弧出現時引發了一組脈沖波形，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，根據剩余電流捕捉及峰值的脈沖檢測的方案，對數量較大的家用負載設備的相關數據進行分析，可以得到以下2 個結論。1）系統出現串聯故障電弧的時候，線路的總體阻抗值將會減小，介質的損耗 （剩余）電流增加，線路的運行剩余電流信號數值近似值為0。該2 種參數在時域范圍內的區別比較明顯，經過峰值標識、脈沖數值分析以及選擇科學的指標閾值參數值，能夠迅速識別出正常值和故障電弧數值。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，是現階段串聯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

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。根據實際用電情況，采用合適規格的MCB和RCD 可以很好地檢測并聯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生故障時切斷電源，而且還能夠將電路使用信息與火災發生的系統之間進行信息共享，同時向警報中心傳遞事故發生的時間與地點信息，檢測火災的設備并根據事故信息與數據進行分析，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短路、過流、過載保護功能；零序互感器2 與脫鉤機構實現漏電保護功能；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，隨著網絡技術的發展，算法單元可以將疑似故障電弧的數據樣本通過網絡上傳到云端，在云端識別算法庫中調用在線識別算法對上傳的樣本進行分析，然后將結果下載到檢測單元，如果識別到某類故障電弧發生概率明顯偏高，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框架圖

4 結語

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，并分析了串聯電弧檢測技術及其優點和缺點?；跀嗦菲鲗崿F了故障電弧的檢測識別，并提出采用云端協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智能化，為全局性的故障電弧識別系統提供了一個實現思路。