基于断路器的故障电弧识别技术分析

刘长俊

（黄浦区消防救援支队，上海 200011）

0 引言

随着我国经济高速发展，电气设备、通信设备应用得越来越多，广大居民日常用电量及各行各业的用电量急剧增长，在电网的电负荷大幅度增加的情况下，电气原因引发的火灾问题日益突出。根据相关统计数据，2020 年共接报火灾24.3 万起、死亡人数1 338 人，受伤838 人，直接经济损失高达38.15 亿元。特别需要注意的是，近年来，在住宅发生的火灾事故中，电气原因造成的火灾占比居高不下。数据显示由电气因素引发的火灾大约占火灾总数的半数以上，特别是各种家电、电动车以及电动汽车等各类线路故障导致的火灾发生频率逐年上升，成为需要社会各界广泛关注的焦点问题。

在住宅火灾中，很多都是由电气引发的，其中已经查明原因的火灾中有52%是由电气引发的。

电气火灾出现的原因通常有如下2 种：1）电流原因。例如短路故障、过载现象等因素导致的电气问题引发火灾。2）故障电弧的原因。例如系统中的电气零部件出现接触问题、接地不良等情况引起的电弧或者电火花所导致的电气问题的火灾。在上述火灾原因中，因为电流信号在实际工作中的检测比较容易，所以相关技术人员对于电流相关特性的研究结果比较成熟。由于故障电弧本身的特性导致其很难被技术人员检测到，电弧在供电网络线路中发生频率较高，并且电弧的表面温度非常高，出现险情的可能性大，因此对于消防安全的危害非常严重，是造成电气火灾的主要因素。出现故障电弧的原因是供电线路布置设计的不合理或使用时间过长带来老化等问题，用电设备的线路或零件的绝缘效果不佳也是比较重要的因素。

1 故障电弧的分类和主要特点

1.1 故障电弧的概念

电弧是指一类气体分子在游离状态下出现放电的物理现象，属于一类等离子体。电弧中产生电流的现象从微观角度来说，是由于相位电子和正价离子在电磁场作用下产生位移，其中电流的主体结构是发生位移的相位电子。电弧的主要特征为电流数值较小，且存在周期较短，如果发生击穿现象就会反复产生电弧。在产生电弧的过程中，环境温度会持续提高，同时放出巨量的热量，该条件极易使周围的物质出现燃烧现象。

根据电弧故障产生的位置可以将其划分为3 类：接地不良引起的故障电弧、并联引起的故障电弧及串联引起的故障电弧。

1.1.1 接地不良引起的故障电弧

接地不良引起的故障电弧是将相关供电网络的故障电流，从供电线缆导入大地构成泄漏电流的回路现象。低电压供电网络普遍使用的剩余电量保护装置能够检测到泄漏电流，进而迅速断开总电源开关，防止泄漏电流导致的电弧现象发生，从而减少火灾出现。

1.1.2 并联引起的故障电弧

系统中的电流由于在并联负载上的导线内流动，因此无接地泄漏电流。并联引起的故障电弧只与初始故障电流数值及故障电抗的数值有关。如果故障电弧处于低电抗状态，系统内的过载保护装置会发出断开电源的指令。如果故障电弧处于高电抗状态，在该情况下不会触发过载保护装置。

1.1.3 串联引起的故障电弧

系统中的电流由断点处的导线通过负载装置，无接地泄漏的电流存在。串联引起的故障电弧出现时波动区间较大，该情况下，故障电弧的检测过程比较困难。并且串联式的故障电弧的检测过程通常可能被环境中的其他用电装置发生的谐波所影响，例如电源开关、日光灯、电视机及空调等[1]。

1.2 故障电弧的特点

低压的配电线路属于交流电路系统。 交流电路系统中的串联故障电弧的产生是1 个动态过程，该过程的伏安特性过程也存在相应的动态特征。故障电弧的电流在该过程的半周期处起始的时候，系统电压快速上升到最大值，该数值即为燃弧的电压值，然后电压数值即会快速下降到可以保持电弧进行连续燃烧的幅值；在系统的半周期马上就要完成的时候，系统电压数值重新上升达到熄弧电压的数值，然后急速下降到零值。交流式串联的故障，电弧发生的时候，电流的波形存在畸变的可能性。交流式电流发生周期性的交替变化，保证系统中的电弧电流在所有的半周期中都会出现1次零点值。因为当电流值为零值时，电弧隙的能量数值为零值，所以电弧的温度降低有利于熄弧操作的进行。电流通过零值之前时幅值高速降低；在直接通过零值位置的时候，电流数值的下降趋势将会变得比较缓慢，最小可能为零值，此时电流的幅值保持为某个相对较小的数值，产生了比较缓慢的变化区域，即为“零休”的数值区域。

因为故障电弧本身存在一定的阻抗，串联式故障电弧的电流一般会比负载设定的额定电流稍微低一些，电弧引发的电流数值无法达到触发常规的保护装置的量级，例如过载保护装置与接地的故障电路的中断装置。即上述的保护措施无法用于故障电弧的电路保护工作。并且故障电弧一般是随机出现和瞬态的。所以需要对电路的情况进行实时监测，用来监控相关故障，预防潜在的电气问题，避免火灾现象发生。

2 故障电弧的检测技术研究

系统中的串联式故障电弧出现时，电流信号将会发生某种程度的畸变。导致该情况出现的原因主要是因为电流信号在经过零点数值时，电弧可能出现火焰的熄灭和重新点燃的情况，使相关电弧的等效电阻数值出现非线性的改变，最终导致回路中的电流发生非线性的改变。如何检测到相关变化的特征数值是串联式故障电弧检测工作的核心内容。

2.1 信息熵和短期傅里叶变换方式的串联故障电弧的检测解决方案

根据信息熵和短期傅里叶变换方式进行的串联故障电弧的检测解决方案最初是借助sym5 小波数据包对于串联故障电弧出现的时间点附近的相关电流信息实施四段拆分、组合及综合统一化的操作。然后核算组合后的信号包括的信息熵的值，比较串联故障电弧出现时间段的各类组合信号的信息熵数值的改变。因为信息熵数值的改变量越明显，表明相关系统组成信号信息包括串联故障电弧的相关信息量越大，所以挑选信息熵数值改变量最大的组合信号，设置为特征组合信号数值，进行下一步的研究工作。在流程的最后使用短期傅里叶变换对挑选的特征组合信号实施时域内的研究，从研究的结果中可以获得串联故障电弧相关的电流信号信息中的时域特征，从而达到对于串联故障电弧相关信息测量识别的目的[2]。

2.2 小波数据近似熵和支持向量机的串联故障电弧的检测解决方案

根据小波数据的近似熵和支持向量机进行的串联故障电弧的识别和检测方案是先采用db5 小波数据的变换过程对串联故障电弧出现时间段左右的电流数据信号四段拆分、组合，并且确定相关方程的近似系数值与各层级的细节相关系数数值，用来获取系统的较低频率的分量及较高频率的分量的组合信号的相关信息。因为近似熵数值能够体现所有组合信号信息的随机程度，所以将获取的所有组合信号信息的近似熵视为其方程的特征向量。然后将相关特征向量的数值导入支持向量机内部，对串联故障电弧实施检测和识别操作。由于串联故障电弧的出现对于各个频率层级均有不同程度的影响，当把某些组合信号信息的近似熵数值改变量作为串联故障电弧识别和检测的主要依据时，准确程度不高。因此，综合智能化的识别算法方案——配合向量机进行后续操作，将全部的组合信号的近似熵设置为匹配向量机的输入信号，设置各种不同数值的负载时，将线路的运行情况和串联故障电弧情况设置为相关标签。对于支持向量机的工作实施训练操作，使用经过训练之后的支持向量机对串联的故障电弧实施相关的识别操作。

2.3 信息熵和短期傅里叶变换的串联故障电弧的检测解决方案

根据信息熵数值和短期傅里叶变换方法进行的串联故障电弧识别方案指的是使用小波数据包解析电流信息信号。因为小波数据包解析操作能够预先指定分解的层级数量，解析后获得的各个分量处在对应的频率段，同时引入的信息熵数值为特征组合信号信息的挑选过程提供了相关理论依据，所以该方案能够体现出串联故障电弧数据信息的特征频率区间段，只对特征频率区间段实施研究可以检测并且识别串联故障电弧信号，在某种层面上降低了相关设备的工作量。由于小波数据包解析的数值计算工作量比较大，因此小波数据基必须预先指定，然后再进行傅里叶变换的操作。其中短期傅里叶变换过程的窗函数也必须预先指定。如果只是对信息熵数值变更过程进行最明显的组合信号实施分析工作，相关的串联故障电弧的某些特征数据信息可能会缺失。

2.4 希尔伯特黄变换、信息熵和短期傅里叶变换的串联式故障电弧识别解决方案

根据希尔伯特黄的变换、信息熵和短期傅里叶变换进行的串联式故障电弧的识别解决方案来源于本身的特征参数信号对应的时频参数信息，虽然时频特征中的频谱幅值可以设置适当的阈值即为串联式故障电弧进行识别的主要根据，但是由于其自身特点造成故障监测识别的正确性和时效性相对不高。根据小波数据包的近似熵和支持向量机进行的串联式故障电弧的识别和解决方案为，将收集的小波数据进行拆解之后，把各个重新组合后的信号的近似熵当成支持向量机的初始输入量来检测。

负载设备工作过程中余下的互感器中流过的电流，由于交替进出，因此其幅值出现相互抵消的情况。具体表现为在时域区间上的电信号的近似值为0。在故障电弧出现时引发了一组脉冲波形，由于该波形的差别较明显，因此负载中工作电流的波形对其不会有显著的影响，避免了非线性的负载设备中特殊电流导致的烦琐处理的过程。

对于当前的串联式故障电弧主干线路中电流识别方案存在的相关缺陷，根据剩余电流捕捉及峰值的脉冲检测的方案，对数量较大的家用负载设备的相关数据进行分析，可以得到以下2 个结论。1）系统出现串联故障电弧的时候，线路的总体阻抗值将会减小，介质的损耗 （剩余）电流增加，线路的运行剩余电流信号数值近似值为0。该2 种参数在时域范围内的区别比较明显，经过峰值标识、脉冲数值分析以及选择科学的指标阈值参数值，能够迅速识别出正常值和故障电弧数值。2）该方案避免了对于线路中各类负载设备运行特殊电信号的相关操作，并且算法简易，阈值随负载变动的波动小，是现阶段串联式故障电弧识别的一类新方案。

3 基于断路器的故障电弧探测实现

断路器（MCB）和剩余电流保护断路器（RCD）在配电线路中广泛应用。根据实际用电情况，采用合适规格的MCB和RCD 可以很好地检测并联电弧故障和对地故障电弧并实施保护。AFCI 技术是1 种用来检测故障的方法，关键时刻使用该技术能够起到防止火灾的效果。当电气在使用的过程中产生故障电弧时，AFCI 就会自动切断电源，连接到火灾预警装置上，发出火灾警报的声音，从而更好地保证电气线路的安全。在进行电气检测的过程中，故障电弧检测装置不仅可以在电路发生故障时切断电源，而且还能够将电路使用信息与火灾发生的系统之间进行信息共享，同时向警报中心传递事故发生的时间与地点信息，检测火灾的设备并根据事故信息与数据进行分析，最后得出相关的事故报告[3]。

故障电弧探测单元原理图如图1 所示。在小型断路器L线穿入1 个电流互感器，在L 和N 线穿入2 个零序互感器，同时将L 和N 线接入电压互感器。其中瞬时脱扣线圈与双金属片和脱扣机构实现短路、过流、过载保护功能；零序互感器2 与脱钩机构实现漏电保护功能；零序互感器1、电流互感器、电压互感器、ADC 单元以及算法单元实现故障电弧检测，当检测到已知的电弧故障时，通过通信电路上报故障，必要时驱动脱扣机构进行断路保护。过电流与漏电流保护以及故障电弧检测并行执行，相互不影响。

由于在线检测故障电弧的时效性以及算法单元的运算能力有限性，算法单元不能识别未知的故障电弧。因此，随着网络技术的发展，算法单元可以将疑似故障电弧的数据样本通过网络上传到云端，在云端识别算法库中调用在线识别算法对上传的样本进行分析，然后将结果下载到检测单元，如果识别到某类故障电弧发生概率明显偏高，可以将对应的识别算法，通过热更新的方法替换故障电弧检测单元的算法，使之在本地快速完成识别。通过该方法可以保持检测单元的有效性，同时可以逐步提高运算识别算法的识别成功率并且丰富识别方法。故障电弧探测单元云端系统框架图如图2 所示。

图1 故障电弧探测单元原理图

图2 故障电弧探测单元云端系统框架图

4 结语

综上所述，该文分析了引起电气火灾的故障电弧的种类与特征，并分析了串联电弧检测技术及其优点和缺点。基于断路器实现了故障电弧的检测识别，并提出采用云端协同的方式来提高检测单元的识别成功率，采用热更新的方式提升检测单元的适应性。该种云端协同的方式同时也能丰富云端识别算法，使故障电弧识别系统智能化，为全局性的故障电弧识别系统提供了一个实现思路。