基于近場測量的串聯故障電弧傳感器*

楊 卓, 蔡曉斌, 吳 波, 譚向宇, 唐立軍,張文斌

(1.云南電網有限責任公司電力科學研究院,云南 昆明 650504;2.昆明理工大學 機電工程學院,云南 昆明 650504)

0 引 言

在現代電力系統中，電纜材料的絕緣老化、接線操作不規范等都會導致供電線路中串聯故障電弧的發生[1]。同時,故障電弧的產生伴隨著大量的熱量，并且極易導致周圍易燃易爆物品發生燃燒，甚至發生爆炸[2]。供電線路中的電流通常會小于電弧斷路器的額定電流，并且在檢測的過程中也不易將其與正常電弧區分[3～5]。為了防止誤動作的發生，亟需一種故障電弧傳感器，當電弧發生時，通過電弧故障檢測的方法，可以正確識別出故障電弧，進而避免災害的發生。

電弧故障斷路器(arc-fault circuit interrupters,AFCI)是一種可以識別故障電弧并及時切斷電路的電氣保護裝置。通過把已有的數據訓練成一個分類器，并將該分類器移植到AFCI中，形成故障電弧識別模塊[6]。但分類器在進行電弧判斷時，不可避免地會發生誤判、漏判的情況。目前，針對線路中故障電弧的檢測方法很多是通過提取電流特征量來實現的[7～9]。文獻[10]通過提取前后4個周期電流峰值的差值進行電弧故障的判定;文獻[11]以電流數據周期均值變化率為交流電弧檢測的判據進行電弧故障判定；文獻[12]提出了一種基于支持向量機的串聯故障電弧識別方法；文獻[7]通過提取電弧的電流變化率，檢測電流突變點實現電弧故障判定；文獻[13]提取電流信號的基波分量，并比較相鄰周期基波幅值大小進行電弧故障判定；文獻[14]基于電弧電流相平面信息維數以及電弧零休時間這2個特征量，采用支持向量機方法建立電弧故障識別模型；文獻[15]以網格分形理論為基礎，通過比較相鄰網格電弧電流的變化率之間的關系，確定電弧電流畸變點，從而實現電弧故障識別。以上這些方法雖可以實現故障電弧的識別與檢測，但需要提取電弧信號的電流信號，并且需要根據負載類型進行電弧識別，易受電弧的隨機性和不穩定性影響。

基于此，本文提出了一種基于電場檢測的故障電弧傳感器，能夠對故障電弧直接進行準確測量，無需區分負載類型，可以直接實現故障電弧的檢測，但需要安裝在負載與易發生電弧的線路之間。

1 故障電弧傳感器的結構與原理

本文采用非接觸式電容分壓的原理實現電場信號的測量，以配電線路中電弧信號為例，測量原理示意圖如圖1所示。

圖1 電容分壓測量原理

將被測線路從電弧傳感器的中心穿過，傳感器的上極板作為感應極板，感應交變電場引起的電流變化，耦合被測線路的電壓，下極板與大地相連，通過采樣電容進行測量上極板與下極板的電壓信號，將測量到的電壓信號輸入至調理電路中進行信號調理。

電容分壓測量系統的等效電路圖如圖2所示。其中，C1由傳感器上極板、空氣組成，C2由傳感器下極板、大地及中間絕緣介質構成，R為示波器的輸入阻抗，DL為同軸電纜。忽略同軸電纜及雜散參數對測量系統的影響，得到測量系統的傳遞函數如式(1)所示

(1)

圖2 電容分壓原理的等效電路

根據電容分壓測量原理的傳遞函數，當jωR(C1+C2)?1時，得到系統的穩態分壓比k與低頻截止頻率f1為

(2)

(3)

由于C1?C2，故式(2)與式(3)可以簡化為

(4)

(5)

在不考慮系統雜散參數以及電磁波的折反射對測量造成的影響的條件下，電容分壓器的分壓比主要由C1與C2決定，低頻性能主要由時間常數τ=R(C1+C2)決定，增加時間常數τ可以降低測量系統的低頻截止頻率。

2 故障電弧傳感器設計

故障電弧傳感器的性能與尺寸密切相關。在線路中測試故障電弧時是將被測線路從傳感器中穿過，此時傳感器采用柔性印制線路(flexible printed circuit,FPC)壓延銅工藝實現。其中，感應極板與接地外殼的材料設為銅，中間絕緣介質為聚酰亞胺，頻率在1 GHz以下的介電損耗和相對介電常數相對穩定，其介電常數為3.4，聚酰亞胺薄膜厚度為50 μm。

環形柔性印刷電路板(PCB)傳感器的安裝位置位于被檢測電弧發生線段與負載之間，通過故障電弧傳感器分段布局的方法實現所需監測線路的故障電弧監測。根據實際電弧故障保護器的尺寸要求，所設計的傳感器極板尺寸需小于保護器尺寸，因此選擇傳感器的尺寸為長90 mm，寬149 mm，厚20 mm，焊盤噴鍍采用有機保焊膜(organic solderability preservatives，OSP)工藝，銅箔厚度為17.5 μm。為了降低傳感器邊緣效應及干擾信號，將接地外殼布置在感應極板周圍，從而提高傳感器的測量精度。傳感器結構示意圖如圖3所示。環形柔性傳感器PCB圖如圖4所示。

圖3 傳感器結構示意

圖4 環形柔性傳感器PCB

環形柔性PCB傳感器的上感應極板耦合被測線路的電壓，下極板與地相連。通過近場感應的原理采集上極板的電壓信號，由于正負半周期信號基本是對稱性的，加之微控制器只能采集正極性信號，這里只做正半周期信號處理。將傳感器采集到的信號經模數轉換模塊發送給處理單元，處理單元根據處理后的電壓信號是否出現故障電弧特征來判斷被測電路是否出現故障電弧。其實物圖與安裝示意圖分別如圖5所示。

圖5 電弧傳感器實物及安裝位置示意

3 實驗測試與分析

通過電弧檢測傳感器獲取其電壓值，然后再通過電壓波形進行電弧異常的判斷。此時微控制器采集到的波形如圖6所示。

圖6 單片機采集到的波形

由圖6可知，無電弧故障時，為工頻正半周期平滑信號。當故障電弧發生時，電壓波形會發生急劇變化，產生高頻畸變波形，類似于雙峰，通過對其幅值、發生位置、發生個數等信息進行判斷，從而可以得出電弧是否發生的判斷依據。

系統實物圖如圖7所示，應用該裝置對已知負載的電弧故障進行電弧故障試驗，實驗負載分別為電熱水壺、電暖器、移動電源、大型電動機、開關電源、開關動作以及全部用電器。將電路正確連接并施加額定電壓，通過電弧發生器產生故障電弧,并驗證電路中連接不同負載時,突然出現故障電弧的誤判率與識別率。

圖7 系統實物

對固定負載的電弧故障檢測如表1所示。電弧測試主要為顯示不同負載情況時，電弧程序部分對電弧的識別、誤判率。

表1 不同負載電弧測試結果 %

其中，誤判率=開關開斷次數/總開關次數×0.7+正常運行時誤判次數×10 s/正常運行時間×0.3；識別率=識別電弧次數/總電弧次數。

無電弧下的波形基本如圖6(a),(c)所示，并且與相連的感性、容性負載無關。測試負載下的電弧波形如圖6(b)所示，但會根據負載功率的大小而出現高頻畸變波的幅值、相位變化。

4 結 論

經過實驗驗證，在故障電弧模擬實驗中，通過對不同負載進行測試，當電路連上已知負載時，對故障電弧的識別率均在75 %以上，誤判率平均為3 %。該裝置能夠直接對電路中的電弧故障進行有效的識別，無須其他復雜的算法，并且具有準確的檢測功能，但需要安裝在負載與易發生電弧的線路之間。