摘要：文章以供配电线路电弧故障为研究对象，分析电弧故障检测系统构建以及电弧故障对整个供配电系统的影响。基于供配电线路中电弧故障的时频特征，以电弧故障电流特征量为辨识依据，设计电弧故障的检测方法。设计供配电线路电弧故障检测电路，并利用C语言开发检测程序，并基于单片机开发供配电线路电弧故障检测系统。电弧故障检测系统的研究对供配电线路的火灾预防有着重要的意义。
关键词：供配电线路；电弧故障；传感器检测；PICI8F25K80单片机
1供配电线路电弧故障检测系统构建
1.1供配电线路电弧故障检测系统构建
影响电力系统中供配电线路故障因素有很多，通过对供配电线路电弧故障的物理特征和电学特征进行分析，构建电弧故障检测系统。
电弧故障检测系统构建主要包括交流电源、开关、保险丝、负载、电弧故障发生装置和示波器。
构建系统的交流电源电压220V、频率50Hz，示波器是对电弧故障数据的采集装置，霍尔传感器对线路中电流的提取，超声波声音传感器探测弧声，光电传感器检测弧光。另外，还有电弧故障发生装置，主要由碳石墨电极棒制成的固定电极和由铜棒制成的移动电极组成。
1.2供配电线路电弧故障中弧声和弧光试验研究
因为电弧故障发生影响因素很多，这里从不同形状的放电极和不同放电间距对其进行试验研究，研究方案如下：①不同形状电极以及电极间隙试验。以尖形、棒形、球形三种代表性电极进行放电试验，电极直径分别为10毫米、10毫米、50毫米。根据不同形状的放电电极，选取不同放电间距进行多次试验。电极间的电压值达到交流220V之后，就发生了电弧故障，且弧声早于弧光。②不同电压和传感器间距试验。选用尖形电极进行试验，电极间距定位10毫米，通过调节电压和传感器与电弧的距离来检测分析传感器的最佳距离[15]。
通过两个实验研究发现，电弧故障时，弧光会产生大量波长在280纳米至400纳米的紫外线；弧声发出的超声波频率一般在25KHz至40KHz[16]。这两个特点均可以作为电弧故障发生条件的判断依据。
2供配电线路故障电弧传感器检测原理
多传感器融合技术融合了信号处理、概率统计、模式识别、人工智能等多门理论，在军事和民事领域广泛应用。与传统的单传感器相比，多传感器在探测、跟踪以及目标识别等方面，数据可信度高、鲁棒性强，而且增加了系统的实时性功能。多传感器对数据处理模式是基于人脑处理信息设计的，通过多个传感器的合理分配和利用，对电弧故障进行检测。故障电弧传感器检测原理如下：多个不同类型的传感器对电弧对应特性进行探测并进行数据采集；对传感器输出的数据进行特征提取的变换；对经过特征变换的数据的特征矢量进行目标识别；根据传感器识别的目标数据进行关联；最后对每一组目标采集的数据进行合成，总结特征量的规律性。
3硬件设计分析
3.1供配电线路故障电弧探测装置硬件各个环节设计
3.4.1故障电弧探测装置总体结构设计
根据电弧故障的特征量，以及判断线路电弧故障发生的依据，对供配电线路电弧故障探测装置硬件设计包含电源电路、数据采集、CAV通讯、报警装置等模块。探测装置的主控芯片采用的是PICI8F25K80单片机，AD模块将接收的信号转化进行融合处理。装置检测到电弧故障就会启动报警装置并将该数据存储到FLASH中。还可以通过键盘对装置将进行操作。
3.4.2系统核心模块设计
核心模块设计采用的是PICI8F系列单片机，该芯片移植方便，具有12位A/D转换器，具有存储器选项，还有丰富的扩展指令集。该芯片能够满足电弧故障特征量采集的需求。而且，还有内置总线控制器，使操作更便捷。
3.4.3系统数据采集模块
1）弧光信号采集设计
弧光信号采集选用的是TP-6UV硅光电二极管，即紫外光电传感器。该传感器具有对紫外线光谱的感知范围广（280nm～400nm），灵敏度好（峰值波长330nm）等特点。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆紫外光电传感器的暗电压是0.2mV，正常工作下可以忽略，U22为低电平；在感知到弧光紫外光时，U21输出一个高电平，放大后U22也输出高电平，通过放大就增强了紫外光强度。就可以根据输出电压值对电弧故障是否发生进行部分决策。
2）弧声信号采集设计
弧声采集过程中会受到电力系统的噪声干扰，电弧故障发出的声波的现场频段会被噪声掩盖，但是发出超声波的部分频段不会掩盖。针对超声波的频率选择1640T/R超声波传感器，该传感器的中心频率为40KHz，接收灵敏度超过-70分贝，探测距离在0.2米至10米之间。
3）电流信号采集设计
电流信号采集设计选用霍尔电流传感器，因为其具有性能稳定、寿命长、非线性误差小等特点。其输入输出电流均在±40A之间，工作电压为±5V，测量精度为±1%。该电路的电流信号经整流得到的输出电压送入A/D采样模块，进而得到电流的数值。
3.4.4系统CAN通讯模块设计
在供配电线路电弧故障探测装置中设计CAN通讯模块是为了便于对电弧实时监控。通讯模块选用CAN总线是因为工作是多主机方式，不会浪费资源；很好的容错功能，保证通信收发性能稳定；而且CAN通信协议比较成熟。
3.4.5系统电源电路设计
系统的外部供电电压应该为220V的交流电，工作频率为50Hz；系统还需要提供控制芯片的5V供电电压。系统使用的芯片的功耗均以毫安为单位，整个探测装置的最大功率不超过10W。该电路将220V交流电压整流输出，然后经过直流稳压电路转换成5V电压。直流稳压电路使用的是LM2576芯片。
4软件设计分析
4.1供配电线路故障电弧探测装置软件各个环节设计
4.5.1主程序设计
主程序的运行是先对所有功能进行初始化设置，避免上电后数据紊乱；然后对电弧故障特征量弧声、弧光和电流波形，采集数据，将数据调理然后送入单片机。所有数据融合后对电弧故障是否发生进行判决。如果未发生故障，程序对数据重新采集；如果发生故障，就会报警，同时数据经FLASH存储，LCD显示。
4.5.2数据采集程序设计
数据采集模块即A/D采样模块，该模块是主芯片自带的。该模块能将输入的模拟信号转化为12位相应的数字信号，且通过差分形式扩大信号采集范围，加快采样速度。
4.5.3电弧故障测程序设计
通过多次试验，采集数据，根据不同传感器检测的区域对实际探测区域进行划分。电弧故障检测程序分为两步来进行，一是数据采集分析阶段，另一个是数据验证阶段。数据验证，是将程序烧写到单片机中，将采集到的数据进行归类，根据某个区域的概率综合判断电弧故障是否发生。
4.5.4CAN通讯程序设计
探测装置需要将探测到的信息实时发送到上位机，就需要通过CAN总线来实现，CAN总线要接收下位机传输的信号，并将信号传输到上位机。下位机接受信号通过中断程序来完成。整个发送接收过程要保证数据的实时性。
结语
随着我国电气设备的增加，电网系统的复杂度和规模不断地增加，电气的火灾事故率也与日俱增。因此，设计供配电线路故障检测系统是必要的。根据对供配电线路电弧特征进行分析，从而构建电弧故障检测系统。该系统的构建，提取了电弧故障的基本特征，并找到了检测依据。
参考文献：
[1]万聪.一种新型故障电弧探测装置的设计与研究[D].武汉理工大学，2014.
[2]张兴斌.电弧故障检测装置功能指标测试系统研究[D].华侨大学，2016.
作者简介：
毕文进（1995.1-），男，辽宁葫芦岛人，沈阳工程学院农业电气化学士，，单位：中核辽宁核电有限公司，邮编125200。
论文作者:毕文进
论文发表刊物:《电力设备》2017年第25期
论文发表时间:2017/12/30
标签：电弧论文; 故障论文; 传感器论文; 线路论文; 供配电论文; 电极论文; 弧光论文; 《电力设备》2017年第25期论文;