劉長(zhǎng)俊

（黃浦區(qū)消防救援支隊(duì)，上海 200011）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，電氣設(shè)備、通信設(shè)備應(yīng)用得越來越多，廣大居民日常用電量及各行各業(yè)的用電量急劇增長(zhǎng)，在電網(wǎng)的電負(fù)荷大幅度增加的情況下，電氣原因引發(fā)的火災(zāi)問題日益突出。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2020 年共接報(bào)火災(zāi)24.3 萬起、死亡人數(shù)1 338 人，受傷838 人，直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)38.15 億元。特別需要注意的是，近年來，在住宅發(fā)生的火災(zāi)事故中，電氣原因造成的火災(zāi)占比居高不下。數(shù)據(jù)顯示由電氣因素引發(fā)的火災(zāi)大約占火災(zāi)總數(shù)的半數(shù)以上，特別是各種家電、電動(dòng)車以及電動(dòng)汽車等各類線路故障導(dǎo)致的火災(zāi)發(fā)生頻率逐年上升，成為需要社會(huì)各界廣泛關(guān)注的焦點(diǎn)問題。

在住宅火災(zāi)中，很多都是由電氣引發(fā)的，其中已經(jīng)查明原因的火災(zāi)中有52%是由電氣引發(fā)的。

電氣火災(zāi)出現(xiàn)的原因通常有如下2 種：1）電流原因。例如短路故障、過載現(xiàn)象等因素導(dǎo)致的電氣問題引發(fā)火災(zāi)。2）故障電弧的原因。例如系統(tǒng)中的電氣零部件出現(xiàn)接觸問題、接地不良等情況引起的電弧或者電火花所導(dǎo)致的電氣問題的火災(zāi)。在上述火災(zāi)原因中，因?yàn)殡娏餍盘?hào)在實(shí)際工作中的檢測(cè)比較容易，所以相關(guān)技術(shù)人員對(duì)于電流相關(guān)特性的研究結(jié)果比較成熟。由于故障電弧本身的特性導(dǎo)致其很難被技術(shù)人員檢測(cè)到，電弧在供電網(wǎng)絡(luò)線路中發(fā)生頻率較高，并且電弧的表面溫度非常高，出現(xiàn)險(xiǎn)情的可能性大，因此對(duì)于消防安全的危害非常嚴(yán)重，是造成電氣火災(zāi)的主要因素。出現(xiàn)故障電弧的原因是供電線路布置設(shè)計(jì)的不合理或使用時(shí)間過長(zhǎng)帶來老化等問題，用電設(shè)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(diǎn)

1.1 故障電弧的概念

電弧是指一類氣體分子在游離狀態(tài)下出現(xiàn)放電的物理現(xiàn)象，屬于一類等離子體。電弧中產(chǎn)生電流的現(xiàn)象從微觀角度來說，是由于相位電子和正價(jià)離子在電磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生位移，其中電流的主體結(jié)構(gòu)是發(fā)生位移的相位電子。電弧的主要特征為電流數(shù)值較小，且存在周期較短，如果發(fā)生擊穿現(xiàn)象就會(huì)反復(fù)產(chǎn)生電弧。在產(chǎn)生電弧的過程中，環(huán)境溫度會(huì)持續(xù)提高，同時(shí)放出巨量的熱量，該條件極易使周圍的物質(zhì)出現(xiàn)燃燒現(xiàn)象。

根據(jù)電弧故障產(chǎn)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(lián)引起的故障電弧及串聯(lián)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(guān)供電網(wǎng)絡(luò)的故障電流，從供電線纜導(dǎo)入大地構(gòu)成泄漏電流的回路現(xiàn)象。低電壓供電網(wǎng)絡(luò)普遍使用的剩余電量保護(hù)裝置能夠檢測(cè)到泄漏電流，進(jìn)而迅速斷開總電源開關(guān)，防止泄漏電流導(dǎo)致的電弧現(xiàn)象發(fā)生，從而減少火災(zāi)出現(xiàn)。

1.1.2 并聯(lián)引起的故障電弧

系統(tǒng)中的電流由于在并聯(lián)負(fù)載上的導(dǎo)線內(nèi)流動(dòng)，因此無接地泄漏電流。并聯(lián)引起的故障電弧只與初始故障電流數(shù)值及故障電抗的數(shù)值有關(guān)。如果故障電弧處于低電抗?fàn)顟B(tài)，系統(tǒng)內(nèi)的過載保護(hù)裝置會(huì)發(fā)出斷開電源的指令。如果故障電弧處于高電抗?fàn)顟B(tài)，在該情況下不會(huì)觸發(fā)過載保護(hù)裝置。

1.1.3 串聯(lián)引起的故障電弧

系統(tǒng)中的電流由斷點(diǎn)處的導(dǎo)線通過負(fù)載裝置，無接地泄漏的電流存在。串聯(lián)引起的故障電弧出現(xiàn)時(shí)波動(dòng)區(qū)間較大，該情況下，故障電弧的檢測(cè)過程比較困難。并且串聯(lián)式的故障電弧的檢測(cè)過程通常可能被環(huán)境中的其他用電裝置發(fā)生的諧波所影響，例如電源開關(guān)、日光燈、電視機(jī)及空調(diào)等[1]。

1.2 故障電弧的特點(diǎn)

低壓的配電線路屬于交流電路系統(tǒng)。 交流電路系統(tǒng)中的串聯(lián)故障電弧的產(chǎn)生是1 個(gè)動(dòng)態(tài)過程，該過程的伏安特性過程也存在相應(yīng)的動(dòng)態(tài)特征。故障電弧的電流在該過程的半周期處起始的時(shí)候，系統(tǒng)電壓快速上升到最大值，該數(shù)值即為燃弧的電壓值，然后電壓數(shù)值即會(huì)快速下降到可以保持電弧進(jìn)行連續(xù)燃燒的幅值；在系統(tǒng)的半周期馬上就要完成的時(shí)候，系統(tǒng)電壓數(shù)值重新上升達(dá)到熄弧電壓的數(shù)值，然后急速下降到零值。交流式串聯(lián)的故障，電弧發(fā)生的時(shí)候，電流的波形存在畸變的可能性。交流式電流發(fā)生周期性的交替變化，保證系統(tǒng)中的電弧電流在所有的半周期中都會(huì)出現(xiàn)1次零點(diǎn)值。因?yàn)楫?dāng)電流值為零值時(shí)，電弧隙的能量數(shù)值為零值，所以電弧的溫度降低有利于熄弧操作的進(jìn)行。電流通過零值之前時(shí)幅值高速降低；在直接通過零值位置的時(shí)候，電流數(shù)值的下降趨勢(shì)將會(huì)變得比較緩慢，最小可能為零值，此時(shí)電流的幅值保持為某個(gè)相對(duì)較小的數(shù)值，產(chǎn)生了比較緩慢的變化區(qū)域，即為“零休”的數(shù)值區(qū)域。

因?yàn)楣收想娀”旧泶嬖谝欢ǖ淖杩?，串?lián)式故障電弧的電流一般會(huì)比負(fù)載設(shè)定的額定電流稍微低一些，電弧引發(fā)的電流數(shù)值無法達(dá)到觸發(fā)常規(guī)的保護(hù)裝置的量級(jí)，例如過載保護(hù)裝置與接地的故障電路的中斷裝置。即上述的保護(hù)措施無法用于故障電弧的電路保護(hù)工作。并且故障電弧一般是隨機(jī)出現(xiàn)和瞬態(tài)的。所以需要對(duì)電路的情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，用來監(jiān)控相關(guān)故障，預(yù)防潛在的電氣問題，避免火災(zāi)現(xiàn)象發(fā)生。

2 故障電弧的檢測(cè)技術(shù)研究

系統(tǒng)中的串聯(lián)式故障電弧出現(xiàn)時(shí)，電流信號(hào)將會(huì)發(fā)生某種程度的畸變。導(dǎo)致該情況出現(xiàn)的原因主要是因?yàn)殡娏餍盘?hào)在經(jīng)過零點(diǎn)數(shù)值時(shí)，電弧可能出現(xiàn)火焰的熄滅和重新點(diǎn)燃的情況，使相關(guān)電弧的等效電阻數(shù)值出現(xiàn)非線性的改變，最終導(dǎo)致回路中的電流發(fā)生非線性的改變。如何檢測(cè)到相關(guān)變化的特征數(shù)值是串聯(lián)式故障電弧檢測(cè)工作的核心內(nèi)容。

2.1 信息熵和短期傅里葉變換方式的串聯(lián)故障電弧的檢測(cè)解決方案

根據(jù)信息熵和短期傅里葉變換方式進(jìn)行的串聯(lián)故障電弧的檢測(cè)解決方案最初是借助sym5 小波數(shù)據(jù)包對(duì)于串聯(lián)故障電弧出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)附近的相關(guān)電流信息實(shí)施四段拆分、組合及綜合統(tǒng)一化的操作。然后核算組合后的信號(hào)包括的信息熵的值，比較串聯(lián)故障電弧出現(xiàn)時(shí)間段的各類組合信號(hào)的信息熵?cái)?shù)值的改變。因?yàn)樾畔㈧財(cái)?shù)值的改變量越明顯，表明相關(guān)系統(tǒng)組成信號(hào)信息包括串聯(lián)故障電弧的相關(guān)信息量越大，所以挑選信息熵?cái)?shù)值改變量最大的組合信號(hào)，設(shè)置為特征組合信號(hào)數(shù)值，進(jìn)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(duì)挑選的特征組合信號(hào)實(shí)施時(shí)域內(nèi)的研究，從研究的結(jié)果中可以獲得串聯(lián)故障電弧相關(guān)的電流信號(hào)信息中的時(shí)域特征，從而達(dá)到對(duì)于串聯(lián)故障電弧相關(guān)信息測(cè)量識(shí)別的目的[2]。

2.2 小波數(shù)據(jù)近似熵和支持向量機(jī)的串聯(lián)故障電弧的檢測(cè)解決方案

根據(jù)小波數(shù)據(jù)的近似熵和支持向量機(jī)進(jìn)行的串聯(lián)故障電弧的識(shí)別和檢測(cè)方案是先采用db5 小波數(shù)據(jù)的變換過程對(duì)串聯(lián)故障電弧出現(xiàn)時(shí)間段左右的電流數(shù)據(jù)信號(hào)四段拆分、組合，并且確定相關(guān)方程的近似系數(shù)值與各層級(jí)的細(xì)節(jié)相關(guān)系數(shù)數(shù)值，用來獲取系統(tǒng)的較低頻率的分量及較高頻率的分量的組合信號(hào)的相關(guān)信息。因?yàn)榻旗財(cái)?shù)值能夠體現(xiàn)所有組合信號(hào)信息的隨機(jī)程度，所以將獲取的所有組合信號(hào)信息的近似熵視為其方程的特征向量。然后將相關(guān)特征向量的數(shù)值導(dǎo)入支持向量機(jī)內(nèi)部，對(duì)串聯(lián)故障電弧實(shí)施檢測(cè)和識(shí)別操作。由于串聯(lián)故障電弧的出現(xiàn)對(duì)于各個(gè)頻率層級(jí)均有不同程度的影響，當(dāng)把某些組合信號(hào)信息的近似熵?cái)?shù)值改變量作為串聯(lián)故障電弧識(shí)別和檢測(cè)的主要依據(jù)時(shí)，準(zhǔn)確程度不高。因此，綜合智能化的識(shí)別算法方案——配合向量機(jī)進(jìn)行后續(xù)操作，將全部的組合信號(hào)的近似熵設(shè)置為匹配向量機(jī)的輸入信號(hào)，設(shè)置各種不同數(shù)值的負(fù)載時(shí)，將線路的運(yùn)行情況和串聯(lián)故障電弧情況設(shè)置為相關(guān)標(biāo)簽。對(duì)于支持向量機(jī)的工作實(shí)施訓(xùn)練操作，使用經(jīng)過訓(xùn)練之后的支持向量機(jī)對(duì)串聯(lián)的故障電弧實(shí)施相關(guān)的識(shí)別操作。

2.3 信息熵和短期傅里葉變換的串聯(lián)故障電弧的檢測(cè)解決方案

根據(jù)信息熵?cái)?shù)值和短期傅里葉變換方法進(jìn)行的串聯(lián)故障電弧識(shí)別方案指的是使用小波數(shù)據(jù)包解析電流信息信號(hào)。因?yàn)樾〔〝?shù)據(jù)包解析操作能夠預(yù)先指定分解的層級(jí)數(shù)量，解析后獲得的各個(gè)分量處在對(duì)應(yīng)的頻率段，同時(shí)引入的信息熵?cái)?shù)值為特征組合信號(hào)信息的挑選過程提供了相關(guān)理論依據(jù)，所以該方案能夠體現(xiàn)出串聯(lián)故障電弧數(shù)據(jù)信息的特征頻率區(qū)間段，只對(duì)特征頻率區(qū)間段實(shí)施研究可以檢測(cè)并且識(shí)別串聯(lián)故障電弧信號(hào)，在某種層面上降低了相關(guān)設(shè)備的工作量。由于小波數(shù)據(jù)包解析的數(shù)值計(jì)算工作量比較大，因此小波數(shù)據(jù)基必須預(yù)先指定，然后再進(jìn)行傅里葉變換的操作。其中短期傅里葉變換過程的窗函數(shù)也必須預(yù)先指定。如果只是對(duì)信息熵?cái)?shù)值變更過程進(jìn)行最明顯的組合信號(hào)實(shí)施分析工作，相關(guān)的串聯(lián)故障電弧的某些特征數(shù)據(jù)信息可能會(huì)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(lián)式故障電弧識(shí)別解決方案

根據(jù)希爾伯特黃的變換、信息熵和短期傅里葉變換進(jìn)行的串聯(lián)式故障電弧的識(shí)別解決方案來源于本身的特征參數(shù)信號(hào)對(duì)應(yīng)的時(shí)頻參數(shù)信息，雖然時(shí)頻特征中的頻譜幅值可以設(shè)置適當(dāng)?shù)拈撝导礊榇?lián)式故障電弧進(jìn)行識(shí)別的主要根據(jù)，但是由于其自身特點(diǎn)造成故障監(jiān)測(cè)識(shí)別的正確性和時(shí)效性相對(duì)不高。根據(jù)小波數(shù)據(jù)包的近似熵和支持向量機(jī)進(jìn)行的串聯(lián)式故障電弧的識(shí)別和解決方案為，將收集的小波數(shù)據(jù)進(jìn)行拆解之后，把各個(gè)重新組合后的信號(hào)的近似熵當(dāng)成支持向量機(jī)的初始輸入量來檢測(cè)。

負(fù)載設(shè)備工作過程中余下的互感器中流過的電流，由于交替進(jìn)出，因此其幅值出現(xiàn)相互抵消的情況。具體表現(xiàn)為在時(shí)域區(qū)間上的電信號(hào)的近似值為0。在故障電弧出現(xiàn)時(shí)引發(fā)了一組脈沖波形，由于該波形的差別較明顯，因此負(fù)載中工作電流的波形對(duì)其不會(huì)有顯著的影響，避免了非線性的負(fù)載設(shè)備中特殊電流導(dǎo)致的煩瑣處理的過程。

對(duì)于當(dāng)前的串聯(lián)式故障電弧主干線路中電流識(shí)別方案存在的相關(guān)缺陷，根據(jù)剩余電流捕捉及峰值的脈沖檢測(cè)的方案，對(duì)數(shù)量較大的家用負(fù)載設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以得到以下2 個(gè)結(jié)論。1）系統(tǒng)出現(xiàn)串聯(lián)故障電弧的時(shí)候，線路的總體阻抗值將會(huì)減小，介質(zhì)的損耗 （剩余）電流增加，線路的運(yùn)行剩余電流信號(hào)數(shù)值近似值為0。該2 種參數(shù)在時(shí)域范圍內(nèi)的區(qū)別比較明顯，經(jīng)過峰值標(biāo)識(shí)、脈沖數(shù)值分析以及選擇科學(xué)的指標(biāo)閾值參數(shù)值，能夠迅速識(shí)別出正常值和故障電弧數(shù)值。2）該方案避免了對(duì)于線路中各類負(fù)載設(shè)備運(yùn)行特殊電信號(hào)的相關(guān)操作，并且算法簡(jiǎn)易，閾值隨負(fù)載變動(dòng)的波動(dòng)小，是現(xiàn)階段串聯(lián)式故障電弧識(shí)別的一類新方案。

3 基于斷路器的故障電弧探測(cè)實(shí)現(xiàn)

斷路器（MCB）和剩余電流保護(hù)斷路器（RCD）在配電線路中廣泛應(yīng)用。根據(jù)實(shí)際用電情況，采用合適規(guī)格的MCB和RCD 可以很好地檢測(cè)并聯(lián)電弧故障和對(duì)地故障電弧并實(shí)施保護(hù)。AFCI 技術(shù)是1 種用來檢測(cè)故障的方法，關(guān)鍵時(shí)刻使用該技術(shù)能夠起到防止火災(zāi)的效果。當(dāng)電氣在使用的過程中產(chǎn)生故障電弧時(shí)，AFCI 就會(huì)自動(dòng)切斷電源，連接到火災(zāi)預(yù)警裝置上，發(fā)出火災(zāi)警報(bào)的聲音，從而更好地保證電氣線路的安全。在進(jìn)行電氣檢測(cè)的過程中，故障電弧檢測(cè)裝置不僅可以在電路發(fā)生故障時(shí)切斷電源，而且還能夠?qū)㈦娐肥褂眯畔⑴c火災(zāi)發(fā)生的系統(tǒng)之間進(jìn)行信息共享，同時(shí)向警報(bào)中心傳遞事故發(fā)生的時(shí)間與地點(diǎn)信息，檢測(cè)火災(zāi)的設(shè)備并根據(jù)事故信息與數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，最后得出相關(guān)的事故報(bào)告[3]。

故障電弧探測(cè)單元原理圖如圖1 所示。在小型斷路器L線穿入1 個(gè)電流互感器，在L 和N 線穿入2 個(gè)零序互感器，同時(shí)將L 和N 線接入電壓互感器。其中瞬時(shí)脫扣線圈與雙金屬片和脫扣機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)短路、過流、過載保護(hù)功能；零序互感器2 與脫鉤機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)漏電保護(hù)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(shí)現(xiàn)故障電弧檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到已知的電弧故障時(shí)，通過通信電路上報(bào)故障，必要時(shí)驅(qū)動(dòng)脫扣機(jī)構(gòu)進(jìn)行斷路保護(hù)。過電流與漏電流保護(hù)以及故障電弧檢測(cè)并行執(zhí)行，相互不影響。

由于在線檢測(cè)故障電弧的時(shí)效性以及算法單元的運(yùn)算能力有限性，算法單元不能識(shí)別未知的故障電弧。因此，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，算法單元可以將疑似故障電弧的數(shù)據(jù)樣本通過網(wǎng)絡(luò)上傳到云端，在云端識(shí)別算法庫中調(diào)用在線識(shí)別算法對(duì)上傳的樣本進(jìn)行分析，然后將結(jié)果下載到檢測(cè)單元，如果識(shí)別到某類故障電弧發(fā)生概率明顯偏高，可以將對(duì)應(yīng)的識(shí)別算法，通過熱更新的方法替換故障電弧檢測(cè)單元的算法，使之在本地快速完成識(shí)別。通過該方法可以保持檢測(cè)單元的有效性，同時(shí)可以逐步提高運(yùn)算識(shí)別算法的識(shí)別成功率并且豐富識(shí)別方法。故障電弧探測(cè)單元云端系統(tǒng)框架圖如圖2 所示。

圖1 故障電弧探測(cè)單元原理圖

圖2 故障電弧探測(cè)單元云端系統(tǒng)框架圖

4 結(jié)語

綜上所述，該文分析了引起電氣火災(zāi)的故障電弧的種類與特征，并分析了串聯(lián)電弧檢測(cè)技術(shù)及其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。基于斷路器實(shí)現(xiàn)了故障電弧的檢測(cè)識(shí)別，并提出采用云端協(xié)同的方式來提高檢測(cè)單元的識(shí)別成功率，采用熱更新的方式提升檢測(cè)單元的適應(yīng)性。該種云端協(xié)同的方式同時(shí)也能豐富云端識(shí)別算法，使故障電弧識(shí)別系統(tǒng)智能化，為全局性的故障電弧識(shí)別系統(tǒng)提供了一個(gè)實(shí)現(xiàn)思路。