高速公路隧道配電網線路故障電弧監測系統的設計分析

李欣

（中鐵一局集團電務工程有限公司，陜西西安 710038）

0 引言

由于我國高速公路總里程的快速增加，對應的高速公路隧道配電網也日漸復雜，負載種類也呈現多樣化趨勢。加之隧道多建設于山區野外，對配電網運行的安全監測任務也十分的繁重[1]。對于配電網而言，故障電弧是引起電氣火災的主要原因之一，其主要的作用機理是：低壓配電網線路產生故障電弧時，電弧電流小于過流保護裝置設置的動作電流，保護裝置無法對線路形成有效的保護，又由于故障電弧溫度極高，容易引發電氣火災[2]。高速公路隧道巡視人員負責范圍較廣，一旦發生火災很難在第一時間發現，容易造成火災迅速蔓延的危險局面。

鑒于此，本文結合高速公路隧道配電網的具體特點，針對故障電弧的發生規律，構建了一套故障電弧智能監測系統，便于實現對故障電弧的檢測、判定和報警，構建安全生產的一道重要防線。

1 電弧的概念

電弧在日常生活和工業生產中十分常見，是由于兩個不同電位的導體相互靠近時發生的噪聲、亮光、熱量釋放的電離現象，在此過程中會產生大量的熱量，是導致電氣火災的重大隱患[3]。

1.1 電弧的區域

電弧的放電過程非常不穩定，能量分布也不均勻，整體上可以分為3 個區域，其特點如表1 所示[4]。

表1 電弧的放電區域和特點

1.2 故障電弧的特點和分類

按照電弧發生的地點可以將故障電弧分為串聯故障電弧、并聯故障電弧和接地故障電弧，其中串聯故障電弧的發生頻率最高。低壓配電網的正常工作電流在5～30A 之間，并聯故障電弧的電流是工作電流的10 倍以上，串聯故障電弧基本與正常工作電流相同，有時會略微減小，很難僅從電流這一個變量去判定是否產生故障電弧，故串聯故障電弧的危險最大，且不易察覺[5]。本文主要針對串聯故障電弧進行分析，并構建監測系統[6]。

電弧發生后，線路的電流、電壓等特征會出現畸變，一般的電弧特征為：電流經過零點時，故障電弧會短暫熄滅，經過零點后又會重燃，即電弧電流在零點附近出現小段的平緩時期，稱為“休零區”。故障電弧的電壓或電流的波形中含高頻噪聲，波形不平滑，電壓的波形類似于矩形，且沿著電弧會有所降低[7]。電弧電流在經過零點后的一段區域電流上升率要明顯高于正常值。

2 高速公路隧道配電網電弧監測系統設計要求

2.1 系統基本功能需求

根據國家電氣火災監控設備的標準要求，結合高速公路隧道配電網的具體情況，本文擬定出電弧監測系統的功能要求，如圖1 所示。

圖1 高速公路隧道配電網線路故障電弧監測系統的基本功能

2.2 監測系統總體架構

根據國家相關規范，并考慮到高速公路配電網分支節點眾多、需要監測的節點數量龐大、通信傳輸距離大于500m 等因素，設計了一套系統架構方案，如圖2 所示。

圖2 高速公路隧道配電網線路故障電弧監測系統結構圖

該故障電弧監測系統主要分為3 級：上級為故障電弧監測主機，中級為故障電弧中繼器，下級為故障電弧探測節點。故障電弧探測節點對電弧的情況進行實地實時監測，故障電弧中繼器讀取各個探測節點的數據并傳遞至故障電弧監測主機，主機操作每個中繼器的存儲數據，間接地對電弧故障情況進行監測。

該監測系統的基本原理是：首先，故障電弧探測節點通過采集電流信息，采用故障電弧算法判定電路中是否有故障電弧，一旦監測有故障電弧發生，則立即將信息發送至故障電弧中繼器，并控制線路斷電；其次，通過RS-485 總線技術將信息傳遞至故障電弧監測主機；最后，將信息顯示在主界面上，用戶可以通過主界面查詢歷史信息、數據以及各個節點的工作狀態。

3 系統設計

3.1 硬件總體設計

根據監測系統的總體方案，設計監測系統的硬件系統和主要組成，如圖3 所示。

圖3 監測系統的硬件系統

3.1.1 故障電弧監測主機

故障電弧監測主機是整個系統的核心，功能主要包括巡檢、報警、查詢、監控、數據存儲，實現智能化管理。主機采用TQ6410 開發板為核心主板，該主板預留PC 通信接口，可以通過RS-232 串口與外圍按鍵、LED 顯示屏等外圍電路進行通信。該主機通過消防電源供電并配有備用電池，保證主機10h 的正常工作，最多可以掛載32 個故障電弧中繼器。

3.1.2 故障電弧中繼器

故障電弧中繼器的主要作用是增加通信長度和監控負載的數量，通過聲光報警定位故障電弧的位置。該系統采用Modbus 協議RS-485 總線與監測主機通信，外圍電路包括蜂鳴器報警電路、按鍵、擴展功能電路等，一個中繼器可以掛載12 個故障電弧探測節點。

故障電弧中繼器硬件電路主要包括：最小系統電路、電源、AD 采樣電路、RS-485 通信電路、顯示電路、外圍擴展功能接口電路、按鍵和蜂鳴器報警。其硬件組成如圖4 所示。

圖4 故障電弧中繼器硬件組成框圖

3.1.3 故障電弧探測節點

故障電弧探測節點的主要功能是采集低壓線路中的電流信號，轉換為電壓信號后經濾波放大處理，再由節點內主控芯片內部故障電弧檢測算法對信號進行分析判斷，判斷線路中是否存在故障電弧。同時，將采集后的電流數據發送給故障電弧中繼器，實現兩個子系統之間的通信，若有故障電弧則發出報警信號。探測節點的硬件主要包括：數據采集電路、主控電路、聲光報警和恒流源輸出電路。

3.2 系統的芯片選型

芯片選型是系統硬件設計的一個重要環節，決定了系統的穩定性及數據處理速度。

3.2.1 監測主機的核心主控處理器芯片

核心主控板是整個系統的核心部分，主要功能為工作界面的顯示、數據處理和存儲、通信等，決定了整個系統的性能和功能類別。由于高速公路配電網的線路較長，設備的種類也較多，需要監測的節點數量龐大，要求主處理器有較高的處理速度。

目前，市面上常用的控制器包括單片機、DSP 芯片、ARM 芯片3 種，各自具有優缺點。單片機是最傳統的控制器，價格低廉，性能穩定，但是處理速度較慢；DSP 芯片的數據處理功能強大，多用于算法實現方面，但是無法移植操作系統和輕量型的數據庫，在數據查詢和存儲方面無法滿足系統的功能需要。嵌入式的ARM 芯片可以嵌入多個操作系統，多任務的處理功能和頁面顯示功能強大，與實際的工程需求相吻合，故選擇ARM 芯片。該系統的主頻要求為500MHz，考慮到穩定可靠性和成本，直接選用市場上成熟的開發板作為核心主控板，故選擇TQ6410 開發板。

3.2.2 功能板和中繼器主控芯片

由于該系統中要求監測主機核心主控板分別需要和功能板、中繼器進行串口和實時通信，兩個主控芯片之間的通信速率要求在4800Hz 以上，速率要求相對較高。市面上能夠滿足該功能的芯片有ARM 系列、DSP 系列、STM32 系列等，考慮到成本和編程的難易程度，選擇STM32 系列STM32F103 作為功能板和中繼器的主控芯片。STM32F103 基于Cortex-M3 內核構架，處理器的工作頻率為72MHz，集成度較高，性能和功耗可以媲美嵌入式系統。

3.3 軟件系統的總體設計

根據系統硬件系統的構成，可以將軟件系統分為3 個部分，整體設計如圖5 所示。

圖5 監測系統的軟件整體設計框圖

根據系統的功能特點，主機程序采取多線程設計，包括用戶界面線程、主機通信線程、按鍵讀取線程。其中，用戶界面線程通過在液晶屏上刷新各個節點的工作狀態、報警信息等，向用戶提供直觀的現場情況，供用戶修改參數等。按照故障電弧中繼器的功能，其程序主要分為采集程序和通信程序。電弧采集程序負責完成故障電弧探測節點的數據采集，通信程序實現中繼器和監測主機的通信。探測節點的程序分為AD 采樣程序、故障電弧的判定算法程序、故障報警等子程序。

4 結語

故障電弧是影響配電網安全的主要隱患之一，高速公路隧道的配電網對運行安全的等級要求更高，本文通過分析電弧的基本概念和特點，結合最新的數據處理和監測技術，搭建了一套故障電弧的監測系統，對系統的硬軟件構成和主芯片的選型分別進行了詳細的介紹。系統投入使用后可以保證提前發現和及時處理故障，為高速公路的安全運行提供可靠保障。