基于近场测量的串联故障电弧传感器*

杨 卓, 蔡晓斌, 吴 波, 谭向宇, 唐立军,张文斌

(1.云南电网有限责任公司电力科学研究院,云南 昆明 650504;2.昆明理工大学 机电工程学院,云南 昆明 650504)

0 引 言

在现代电力系统中，电缆材料的绝缘老化、接线操作不规范等都会导致供电线路中串联故障电弧的发生[1]。同时,故障电弧的产生伴随着大量的热量，并且极易导致周围易燃易爆物品发生燃烧，甚至发生爆炸[2]。供电线路中的电流通常会小于电弧断路器的额定电流，并且在检测的过程中也不易将其与正常电弧区分[3～5]。为了防止误动作的发生，亟需一种故障电弧传感器，当电弧发生时，通过电弧故障检测的方法，可以正确识别出故障电弧，进而避免灾害的发生。

电弧故障断路器(arc-fault circuit interrupters,AFCI)是一种可以识别故障电弧并及时切断电路的电气保护装置。通过把已有的数据训练成一个分类器，并将该分类器移植到AFCI中，形成故障电弧识别模块[6]。但分类器在进行电弧判断时，不可避免地会发生误判、漏判的情况。目前，针对线路中故障电弧的检测方法很多是通过提取电流特征量来实现的[7～9]。文献[10]通过提取前后4个周期电流峰值的差值进行电弧故障的判定;文献[11]以电流数据周期均值变化率为交流电弧检测的判据进行电弧故障判定；文献[12]提出了一种基于支持向量机的串联故障电弧识别方法；文献[7]通过提取电弧的电流变化率，检测电流突变点实现电弧故障判定；文献[13]提取电流信号的基波分量，并比较相邻周期基波幅值大小进行电弧故障判定；文献[14]基于电弧电流相平面信息维数以及电弧零休时间这2个特征量，采用支持向量机方法建立电弧故障识别模型；文献[15]以网格分形理论为基础，通过比较相邻网格电弧电流的变化率之间的关系，确定电弧电流畸变点，从而实现电弧故障识别。以上这些方法虽可以实现故障电弧的识别与检测，但需要提取电弧信号的电流信号，并且需要根据负载类型进行电弧识别，易受电弧的随机性和不稳定性影响。

基于此，本文提出了一种基于电场检测的故障电弧传感器，能够对故障电弧直接进行准确测量，无需区分负载类型，可以直接实现故障电弧的检测，但需要安装在负载与易发生电弧的线路之间。

1 故障电弧传感器的结构与原理

本文采用非接触式电容分压的原理实现电场信号的测量，以配电线路中电弧信号为例，测量原理示意图如图1所示。

图1 电容分压测量原理

将被测线路从电弧传感器的中心穿过，传感器的上极板作为感应极板，感应交变电场引起的电流变化，耦合被测线路的电压，下极板与大地相连，通过采样电容进行测量上极板与下极板的电压信号，将测量到的电压信号输入至调理电路中进行信号调理。

电容分压测量系统的等效电路图如图2所示。其中，C1由传感器上极板、空气组成，C2由传感器下极板、大地及中间绝缘介质构成，R为示波器的输入阻抗，DL为同轴电缆。忽略同轴电缆及杂散参数对测量系统的影响，得到测量系统的传递函数如式(1)所示

(1)

图2 电容分压原理的等效电路

根据电容分压测量原理的传递函数，当jωR(C1+C2)≫1时，得到系统的稳态分压比k与低频截止频率f1为

(2)

(3)

由于C1≪C2，故式(2)与式(3)可以简化为

(4)

(5)

在不考虑系统杂散参数以及电磁波的折反射对测量造成的影响的条件下，电容分压器的分压比主要由C1与C2决定，低频性能主要由时间常数τ=R(C1+C2)决定，增加时间常数τ可以降低测量系统的低频截止频率。

2 故障电弧传感器设计

故障电弧传感器的性能与尺寸密切相关。在线路中测试故障电弧时是将被测线路从传感器中穿过，此时传感器采用柔性印制线路(flexible printed circuit,FPC)压延铜工艺实现。其中，感应极板与接地外壳的材料设为铜，中间绝缘介质为聚酰亚胺，频率在1 GHz以下的介电损耗和相对介电常数相对稳定，其介电常数为3.4，聚酰亚胺薄膜厚度为50 μm。

环形柔性印刷电路板(PCB)传感器的安装位置位于被检测电弧发生线段与负载之间，通过故障电弧传感器分段布局的方法实现所需监测线路的故障电弧监测。根据实际电弧故障保护器的尺寸要求，所设计的传感器极板尺寸需小于保护器尺寸，因此选择传感器的尺寸为长90 mm，宽149 mm，厚20 mm，焊盘喷镀采用有机保焊膜(organic solderability preservatives，OSP)工艺，铜箔厚度为17.5 μm。为了降低传感器边缘效应及干扰信号，将接地外壳布置在感应极板周围，从而提高传感器的测量精度。传感器结构示意图如图3所示。环形柔性传感器PCB图如图4所示。

图3 传感器结构示意

图4 环形柔性传感器PCB

环形柔性PCB传感器的上感应极板耦合被测线路的电压，下极板与地相连。通过近场感应的原理采集上极板的电压信号，由于正负半周期信号基本是对称性的，加之微控制器只能采集正极性信号，这里只做正半周期信号处理。将传感器采集到的信号经模数转换模块发送给处理单元，处理单元根据处理后的电压信号是否出现故障电弧特征来判断被测电路是否出现故障电弧。其实物图与安装示意图分别如图5所示。

图5 电弧传感器实物及安装位置示意

3 实验测试与分析

通过电弧检测传感器获取其电压值，然后再通过电压波形进行电弧异常的判断。此时微控制器采集到的波形如图6所示。

图6 单片机采集到的波形

由图6可知，无电弧故障时，为工频正半周期平滑信号。当故障电弧发生时，电压波形会发生急剧变化，产生高频畸变波形，类似于双峰，通过对其幅值、发生位置、发生个数等信息进行判断，从而可以得出电弧是否发生的判断依据。

系统实物图如图7所示，应用该装置对已知负载的电弧故障进行电弧故障试验，实验负载分别为电热水壶、电暖器、移动电源、大型电动机、开关电源、开关动作以及全部用电器。将电路正确连接并施加额定电压，通过电弧发生器产生故障电弧,并验证电路中连接不同负载时,突然出现故障电弧的误判率与识别率。

图7 系统实物

对固定负载的电弧故障检测如表1所示。电弧测试主要为显示不同负载情况时，电弧程序部分对电弧的识别、误判率。

表1 不同负载电弧测试结果 %

其中，误判率=开关开断次数/总开关次数×0.7+正常运行时误判次数×10 s/正常运行时间×0.3；识别率=识别电弧次数/总电弧次数。

无电弧下的波形基本如图6(a),(c)所示，并且与相连的感性、容性负载无关。测试负载下的电弧波形如图6(b)所示，但会根据负载功率的大小而出现高频畸变波的幅值、相位变化。

4 结 论

经过实验验证，在故障电弧模拟实验中，通过对不同负载进行测试，当电路连上已知负载时，对故障电弧的识别率均在75 %以上，误判率平均为3 %。该装置能够直接对电路中的电弧故障进行有效的识别，无须其他复杂的算法，并且具有准确的检测功能，但需要安装在负载与易发生电弧的线路之间。