李欣

（中鐵一局集團(tuán)電務(wù)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(yīng)的高速公路隧道配電網(wǎng)也日漸復(fù)雜，負(fù)載種類也呈現(xiàn)多樣化趨勢。加之隧道多建設(shè)于山區(qū)野外，對配電網(wǎng)運(yùn)行的安全監(jiān)測任務(wù)也十分的繁重[1]。對于配電網(wǎng)而言，故障電弧是引起電氣火災(zāi)的主要原因之一，其主要的作用機(jī)理是：低壓配電網(wǎng)線路產(chǎn)生故障電弧時，電弧電流小于過流保護(hù)裝置設(shè)置的動作電流，保護(hù)裝置無法對線路形成有效的保護(hù)，又由于故障電弧溫度極高，容易引發(fā)電氣火災(zāi)[2]。高速公路隧道巡視人員負(fù)責(zé)范圍較廣，一旦發(fā)生火災(zāi)很難在第一時間發(fā)現(xiàn)，容易造成火災(zāi)迅速蔓延的危險局面。

鑒于此，本文結(jié)合高速公路隧道配電網(wǎng)的具體特點(diǎn)，針對故障電弧的發(fā)生規(guī)律，構(gòu)建了一套故障電弧智能監(jiān)測系統(tǒng)，便于實(shí)現(xiàn)對故障電弧的檢測、判定和報警，構(gòu)建安全生產(chǎn)的一道重要防線。

1 電弧的概念

電弧在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中十分常見，是由于兩個不同電位的導(dǎo)體相互靠近時發(fā)生的噪聲、亮光、熱量釋放的電離現(xiàn)象，在此過程中會產(chǎn)生大量的熱量，是導(dǎo)致電氣火災(zāi)的重大隱患[3]。

1.1 電弧的區(qū)域

電弧的放電過程非常不穩(wěn)定，能量分布也不均勻，整體上可以分為3 個區(qū)域，其特點(diǎn)如表1 所示[4]。

表1 電弧的放電區(qū)域和特點(diǎn)

1.2 故障電弧的特點(diǎn)和分類

按照電弧發(fā)生的地點(diǎn)可以將故障電弧分為串聯(lián)故障電弧、并聯(lián)故障電弧和接地故障電弧，其中串聯(lián)故障電弧的發(fā)生頻率最高。低壓配電網(wǎng)的正常工作電流在5～30A 之間，并聯(lián)故障電弧的電流是工作電流的10 倍以上，串聯(lián)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(chǎn)生故障電弧，故串聯(lián)故障電弧的危險最大，且不易察覺[5]。本文主要針對串聯(lián)故障電弧進(jìn)行分析，并構(gòu)建監(jiān)測系統(tǒng)[6]。

電弧發(fā)生后，線路的電流、電壓等特征會出現(xiàn)畸變，一般的電弧特征為：電流經(jīng)過零點(diǎn)時，故障電弧會短暫熄滅，經(jīng)過零點(diǎn)后又會重燃，即電弧電流在零點(diǎn)附近出現(xiàn)小段的平緩時期，稱為“休零區(qū)”。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(jīng)過零點(diǎn)后的一段區(qū)域電流上升率要明顯高于正常值。

2 高速公路隧道配電網(wǎng)電弧監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

2.1 系統(tǒng)基本功能需求

根據(jù)國家電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)要求，結(jié)合高速公路隧道配電網(wǎng)的具體情況，本文擬定出電弧監(jiān)測系統(tǒng)的功能要求，如圖1 所示。

圖1 高速公路隧道配電網(wǎng)線路故障電弧監(jiān)測系統(tǒng)的基本功能

2.2 監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)

根據(jù)國家相關(guān)規(guī)范，并考慮到高速公路配電網(wǎng)分支節(jié)點(diǎn)眾多、需要監(jiān)測的節(jié)點(diǎn)數(shù)量龐大、通信傳輸距離大于500m 等因素，設(shè)計(jì)了一套系統(tǒng)架構(gòu)方案，如圖2 所示。

圖2 高速公路隧道配電網(wǎng)線路故障電弧監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

該故障電弧監(jiān)測系統(tǒng)主要分為3 級：上級為故障電弧監(jiān)測主機(jī)，中級為故障電弧中繼器，下級為故障電弧探測節(jié)點(diǎn)。故障電弧探測節(jié)點(diǎn)對電弧的情況進(jìn)行實(shí)地實(shí)時監(jiān)測，故障電弧中繼器讀取各個探測節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)并傳遞至故障電弧監(jiān)測主機(jī)，主機(jī)操作每個中繼器的存儲數(shù)據(jù)，間接地對電弧故障情況進(jìn)行監(jiān)測。

該監(jiān)測系統(tǒng)的基本原理是：首先，故障電弧探測節(jié)點(diǎn)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(jiān)測有故障電弧發(fā)生，則立即將信息發(fā)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(shù)將信息傳遞至故障電弧監(jiān)測主機(jī)；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(shù)據(jù)以及各個節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件總體設(shè)計(jì)

根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)的總體方案，設(shè)計(jì)監(jiān)測系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)和主要組成，如圖3 所示。

圖3 監(jiān)測系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)

3.1.1 故障電弧監(jiān)測主機(jī)

故障電弧監(jiān)測主機(jī)是整個系統(tǒng)的核心，功能主要包括巡檢、報警、查詢、監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲，實(shí)現(xiàn)智能化管理。主機(jī)采用TQ6410 開發(fā)板為核心主板，該主板預(yù)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(jìn)行通信。該主機(jī)通過消防電源供電并配有備用電池，保證主機(jī)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(jiān)控負(fù)載的數(shù)量，通過聲光報警定位故障電弧的位置。該系統(tǒng)采用Modbus 協(xié)議RS-485 總線與監(jiān)測主機(jī)通信，外圍電路包括蜂鳴器報警電路、按鍵、擴(kuò)展功能電路等，一個中繼器可以掛載12 個故障電弧探測節(jié)點(diǎn)。

故障電弧中繼器硬件電路主要包括：最小系統(tǒng)電路、電源、AD 采樣電路、RS-485 通信電路、顯示電路、外圍擴(kuò)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(jié)點(diǎn)

故障電弧探測節(jié)點(diǎn)的主要功能是采集低壓線路中的電流信號，轉(zhuǎn)換為電壓信號后經(jīng)濾波放大處理，再由節(jié)點(diǎn)內(nèi)主控芯片內(nèi)部故障電弧檢測算法對信號進(jìn)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(shù)據(jù)發(fā)送給故障電弧中繼器，實(shí)現(xiàn)兩個子系統(tǒng)之間的通信，若有故障電弧則發(fā)出報警信號。探測節(jié)點(diǎn)的硬件主要包括：數(shù)據(jù)采集電路、主控電路、聲光報警和恒流源輸出電路。

3.2 系統(tǒng)的芯片選型

芯片選型是系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的一個重要環(huán)節(jié)，決定了系統(tǒng)的穩(wěn)定性及數(shù)據(jù)處理速度。

3.2.1 監(jiān)測主機(jī)的核心主控處理器芯片

核心主控板是整個系統(tǒng)的核心部分，主要功能為工作界面的顯示、數(shù)據(jù)處理和存儲、通信等，決定了整個系統(tǒng)的性能和功能類別。由于高速公路配電網(wǎng)的線路較長，設(shè)備的種類也較多，需要監(jiān)測的節(jié)點(diǎn)數(shù)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(jī)、DSP 芯片、ARM 芯片3 種，各自具有優(yōu)缺點(diǎn)。單片機(jī)是最傳統(tǒng)的控制器，價格低廉，性能穩(wěn)定，但是處理速度較慢；DSP 芯片的數(shù)據(jù)處理功能強(qiáng)大，多用于算法實(shí)現(xiàn)方面，但是無法移植操作系統(tǒng)和輕量型的數(shù)據(jù)庫，在數(shù)據(jù)查詢和存儲方面無法滿足系統(tǒng)的功能需要。嵌入式的ARM 芯片可以嵌入多個操作系統(tǒng)，多任務(wù)的處理功能和頁面顯示功能強(qiáng)大，與實(shí)際的工程需求相吻合，故選擇ARM 芯片。該系統(tǒng)的主頻要求為500MHz，考慮到穩(wěn)定可靠性和成本，直接選用市場上成熟的開發(fā)板作為核心主控板，故選擇TQ6410 開發(fā)板。

3.2.2 功能板和中繼器主控芯片

由于該系統(tǒng)中要求監(jiān)測主機(jī)核心主控板分別需要和功能板、中繼器進(jìn)行串口和實(shí)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(nèi)核構(gòu)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(tǒng)。

3.3 軟件系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)硬件系統(tǒng)的構(gòu)成，可以將軟件系統(tǒng)分為3 個部分，整體設(shè)計(jì)如圖5 所示。

圖5 監(jiān)測系統(tǒng)的軟件整體設(shè)計(jì)框圖

根據(jù)系統(tǒng)的功能特點(diǎn)，主機(jī)程序采取多線程設(shè)計(jì)，包括用戶界面線程、主機(jī)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(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)、報警信息等，向用戶提供直觀的現(xiàn)場情況，供用戶修改參數(shù)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(fù)責(zé)完成故障電弧探測節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集，通信程序?qū)崿F(xiàn)中繼器和監(jiān)測主機(jī)的通信。探測節(jié)點(diǎn)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(jié)語

故障電弧是影響配電網(wǎng)安全的主要隱患之一，高速公路隧道的配電網(wǎng)對運(yùn)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(diǎn)，結(jié)合最新的數(shù)據(jù)處理和監(jiān)測技術(shù)，搭建了一套故障電弧的監(jiān)測系統(tǒng)，對系統(tǒng)的硬軟件構(gòu)成和主芯片的選型分別進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。系統(tǒng)投入使用后可以保證提前發(fā)現(xiàn)和及時處理故障，為高速公路的安全運(yùn)行提供可靠保障。