近年来，国外已经研发出一些弧光监测与保护系统，典型产品包括德国 Moelle 公司的 ARCON 故障电弧保护系统，ABB 公司的 ARC Guard System 保护系统和芬兰 Vaasa 公司的 VAMP 保护系统等。这些系统是基于监测电弧故障时发出的弧光以及过流双判据，以提供快速而安全的母线保护，为限制电弧故障损坏提供了有效的解决方案[9]。但这些系统往往比较复杂，实现起来难度较大，价格高昂，因而限制了其的推广使用。
相对于国外在这一领域的研究，国内在电弧诊断与保护方面仍处于起步实验研究阶段。西安交通大学开发了基于光纤传感器和弧光信号监测单元的弧光单判据监测系统，这是国内首次开发成功的开关柜内部电弧在线监测和保护装置。此外国内也有基于电弧光谱中紫外线来分析故障电弧的装置[10-11]以及基于电弧电磁能量[12]和压力特性[13]等的故障电弧监测保护装置，但上述一般均采用单判据监测方法，可靠性仍有待论证，暂时还无法推广到工程实践中去。因此在现有研究成果的基础上，针对矿用开关柜的特殊要求，提出一套可靠性高，抗干扰性强，动作快速，使用简便，成本低廉的故障电弧监测和保护装置是非常有必要的。基于此背景，本文提出了一种基于故障电流和故障电弧弧光双判据的监测方法以实现故障电弧定位监测和保护的双重功能，结构简单，具有较强的稳定性和可靠性。
系统总体方案
本系统由故障电流监测模块、弧光监测模块、柜内温湿度监测模块以及中央控制单元构成。其中，故障电流监测模块用于监测开关柜的进线侧电流；故障电弧监测模块用于监测开关柜的弧光信号；温湿度监测模块对开关柜母线室和电缆室温湿度实时监测。中央控制单元搜集上述 3 个模块的监测信息，运用专家系统进行综合判断，识别并定位故障电弧，输出保护控制信号及故障信息数据。系统的结构框图如图 1 所示。如何通过搜集得到的电流、弧光和柜内温湿度信号，准确预测并识别电弧故障，是系统研究的关键点。故障电弧产生的时候，进线侧电流会瞬间变大，因此，同时监测到弧光信号与电流瞬间增强，可准确判断电弧故障的发生，避免单一监测可能带来的误判。当同时检测到故障电流和弧光信号时，发出跳闸指令；当仅检测到两者之一时，发出报警信号。故障电弧保护原理如图 2 所示。另外，柜内温湿度过大是造成电弧故障的一个重要因素，因此，当柜内温湿度过大时，自动启动风扇实现降温除湿；如果温湿度依然过高，启动报警。
系统硬件设计
1.故障电流监测模块:故障电流监测模块完成故障电流的采集和辨识，为开关设备的动作提供依据。电流互感器对开关设备每相进线上的电流进行监测，实时动态地输出所监测到的电流信号，依次经过整流分压电路单元、信号转换单元、电平判断单元、积分单元、输出单元，产生开关设备的故障电弧信号，送入中央控制模块进行分析和存储。
2.故障电弧监测模块:故障电弧采集模块完成对弧光信号的调理和采集功能，包含安装于开关设备母线室内用于采集弧光信号的凸透镜，以及依次串联的弧光感测电路、比较电路、锁存电路、多路选择开关。凸透镜按照像距和物距的位置放置于开关设备母线室需要监测的位置。本系统根据母线室和电缆室内的位置布局和易于发生故障电弧的所在地，将 8 个不同焦距的透镜分别安装在母线室和电缆室内，以全面监测可能产生的电弧光信号。经过透镜后的电弧成像光路如图 3 所示。弧光感测元件为光敏三极管阵列，本设计中将其组成 8×8 的阵列，将从凸透镜聚焦的光信号转换为电信号。图 4 为利用虚拟仪器技术模拟的电弧成像分布图。图中圆圈代表感光元件，阴影部分为故障电弧的成像，根据凸透镜、弧光故障位置和光敏三极管之间的位置关系即可换算出设备中发生电弧故障的位置，因而可以很好地反映电弧的发生、发展过程，为后续的弧光故障分析提供很好的依据。如图 4 所示，每个凸透镜后面有 64 个光敏三极管阵列，而每个光敏三极管都对应着独自的信号处理电路。如图 5 所示，先经过信号放大，再通过比较电路与设定的基准电平比较，确定电弧成像有没有到达后方相应的弧光感测电路光敏元件所在区域，从而形成电弧图像信号；锁存电路锁存电弧图像信号，并通过多路开关与中央控制单元进行数据传输，而后送入监控后台进行模拟电弧成像处理。本系统中 8 路弧光信号通过或门或多路选择器循环采样，任何一路发生弧光即可产生故障信号。
3.温湿度监测模块:本系统采用温湿度传感器 SHT71 实现对母线室和电缆室的温湿度监测。SHT71 是一款基于两线数字输出的集成温湿度传感器，能同时测量温度和相对湿度，具有露点值计算输出功能。传感器中还集成了 14 位的 A/D 转换器、标定数据存储器和稳压电路，输出数字信号可以直接送到微控制器，无需元件，测量精度高，抗干扰性好。
4.中央控制模块:中央控制模块完成对故障电流监测模块，故障电弧采集模块和温湿度监测模块输入信号的分析，准确判断故障电弧是否产生，并利用故障电弧图像反向定位电弧发生位置。同时，通过 CAN 总线实现与上位机通信，发出故障信息与动作指令（包括启动风扇）。本设计中 STM32 系列 ARM 处理器作为主控芯片，共采集 3 路进线电流信号，8 路弧光信号，2 路温湿度信号。主控板的整体硬件结构如图 6 所示。
系统软件设计
中央控制模块完成的主要任务包括电流信号，弧光信号，温湿度信号的采集分析并与监控后台的CAN 总线通信。主程序流程图如图 7 所示。系统启动后，首先进行初始化，然后运行主程序。主程序是一个无限循环的采集、判断与通信过程。通过对弧光、电流、柜内温湿度信号的采集并与设定值简单比较，如果超过设定值即启动专家系统进行智能化分析。如果发现异常，则根据异常情况启动风扇、报警及跳闸。每一次监测与判断完成后，都通过 CAN 总线将监测结果及故障分析与处理结果上传给后台 PC 机。本系统建立了故障电弧监测专家系统，用于对监测信息进行智能化分析和处理，其原理框图如图8 所示。电弧故障发生时，进线电流的突变与电弧之间的相互关系可以通过仿真与实验来得到，这将作为专家知识写到系统中。另外，设备使用过程中的老化，比如传感器本身感测能力的下降，以及对温湿度敏感程度的增加，在系统中都加以考察，从而使故障判断阈值柔性化，更能准确的识别、定位电弧故障并实现保护功能。系统采用 CAN总线实现与后台机的信息交互。CAN 总线的仲裁模式，可以保障信息按优先级别实现主动上传，及时反映故障信息。发送与接收程序流程图如图 9 所示。发送时，将待发送信息按特定格式组合成一帧报文，送入发送缓冲区中，启动发送位，即可发送报文。当监测到接收缓冲器中存在有效报文后，接收子程序将缓冲器中的内容读入CPU 的数据存储区，完成接收后检查总线状态及溢出情况等并做相应处理。#p#分页标题#e#
结论
本文从目前矿用高压开关柜故障电弧监测和保护的需求出发，分析比较了目前国内外常见的监测手段，提出了一种基于电弧弧光信号和电流信号的双判据监测和保护方法，克服了单一故障电弧监测方法易产生误判的不足之处。采用光敏三极管阵列实现电弧故障的定位，并可以分析故障的发展趋势。采用ARM为核心的控制单元结合专家系统分析方法，可以及时有效地检测到故障电弧的产生并对其进行定位，有助于提高开关设备的寿命和安全性，具有较大的实用价值。(本文图略)
本文作者：张杰 马宏伟 单位：西安科技大学机械工程学院 银川神华宁夏煤业集团有限责任公司
