家庭配电线路故障电弧检测及分析
本文以家庭配电线路串联电弧为研究对象，在Labview开发平台上设计故障电弧采集系统，利用Matlab对采集故障电弧电流进行小波分析，比较分析形态学小波的故障电弧滤波技术。综合利用小波变换在突变信号检测的优势，引入了基于三次B样条的小波故障电弧电流检测技术，提出了故障电弧发生时负载端电压的检测方案。
【关键词】故障电弧 Labview Matlab
在家庭配电线路中，参考UL1699标准规定的故障电弧测试电路，根据串联电弧的发生原理，采用自制的电弧发生器来模拟线路发生电弧的现象。将它和各种负载设备串联接入线路，以研究不同负载下发生故障电弧的特性。测试电路采用电流传感器HCT215（5A/5mA）检测电流并将其进行电流-电压转换等信号调理，利用电压隔离传感器（400V/3.5V）感应负载端电压，最后通过信号采集卡PCI1711L对电弧信号进行采样。其中，采集模块是基于Labview平台而设计的，并将故障电流信号存储于高速数据流文件（TDMS）用于离线分析。本文充分利用Labview平台与其它主流软件开发技术相融合的优势，如利用与Matlab数据传输的接口，对采集信号可进行多方面的数据分析。
1 采集系统的软件设计
本文采用Labview作为采集电路的开发平台，通过软件的方式来实现对参数波形的采集、保存、分析处理和显示。硬件系统设计上所采用的器件包括由研华公司开发的PCI型多功能数据采集卡1711L、配套的接线端子板和电缆组成。故障电弧采集系统的主要包含了参数设置、采集存储、查看历史波形及停止采集几个功能，在程序中都分别链接到各自对应的子VI。
2 检测系统的滤波器设计
故障信号检测常受到电路器件、电路测量等产生大量噪声的干扰，为了提高诊断的准确性，在故障分析之前需要先对信号进行滤波处理。在抑制噪声方面，小波滤波与形态滤波各具优缺点。对白噪声的抑制效果小波多尺度滤波强于形态滤波器，但是对正、负脉冲的抑制形态滤波器比小波滤波算法更合适，且其算法的复杂程度较低。由于形态学滤波和小波滤波对两种噪声滤波各具优缺点，因此本文采用形态学滤波器作为小波变换的前置滤波器组合形成----形态小波滤波器，这样可同时兼顾二者的优点，同时滤除两种噪声。
3 故障电弧电流分析
3.1 故障特征量的选取
低压配电线路中故障电弧电流波形和负载有着密切的关系。常见负载下，配电线路故障电弧电流一般伴随着以下明显的特征，如电流“零休”现象、电流正负半周不对称、波形失去周期性以及具有丰富的高频谐波等。为了有效地区分负载启动、额定运行与故障电弧状态，本文采用三次B样条函数作为小波基函数，对故障电流进行Mallat算法快速分解，以提取相应的故障电弧特征值。对滤波后的故障电弧电流信号进行五层小波分量分解，经比较第四尺度小波分量在区分故障电弧电流和额定电流的效果最佳，可明显反映故障电弧电流局部奇异特征，本文选取cd4作为表征故障电弧信号的特征量。
不同负载由于额定功率及阻抗特性的差异，不仅表现出额定运行电流或故障电弧电流值存在一定程度的差异，还存在不同负载额定电流与故障电弧电流的小波分量值差异较大的现象。因此，以几种典型常见的负载为例，经过故障电弧实验与多尺度小波分析，得出如表1所示的第四尺度下不同负载额定电流和故障电弧电流的小波分量数值。
由表1可知，低压配电线路故障电弧电流的第4尺度小波分量明显大于额定电流的该尺度小波分量，即可将第4尺度小波分量作为特征值，以有效地判断低压配电线路处于额定运行还是故障电弧产生。
3.2 故障电弧电流的小波分解
由表1可知，发生故障时的电弧电流特征量是其额定电流特征量4倍以上，因此，以不同负载的额定电流对应的小波分量cd4作为基值，将典型负载故障电弧电流小波特征量的标幺值设置为1.8，以判断配电线路负载额定运行或故障电弧。对上述几种负载进行实验分析如下：
3.2.1 阻性负载分析
如图1所示，实验采用1000W的烧水壶作为负载，图1中可见，故障电弧发生时在其零休处的小波分量都呈现较大的值。
3.2.2 感性负载分析
如图2所示采用冰箱作为负载进行测量，故障电弧的电流比额定电流值大，电流上升率明显大于额定电流的上升率，同时还具有和阻性负载一样的“零休电流”现象，这些因素都使得感性负载在故障电弧区域的小波分量出现较大的值。
3.2.3 非线性负载分析
如图3所示，非线性负载以微波炉为例，由图可见该负载的额定电流波形呈现非正弦特征，在其转折处对应的小波分量会出现一些相对较大的值，然而当发生故障电弧时，其出现突变的程度将大于额定运行的，使得其对应的小波分量数值也大于额定状态的，因此，设定一定的阈值将可把故障和额定运行时情况区分开来。
4 故障电弧电压分析
对故障电弧进行研究，电弧电压具有很多明显的特征，但因故障发生的地点在家庭配电线路中的具体位置很难确定，因此从电弧电压进行监测在实际应用中无法实现。而电路中发生故障时，电弧电压uh与负载端电压ul呈现串联的关系接到电源端us，即us=uh+ul；故对故障电弧时负载端的电压进行分析可以间接反应了电弧电压的特性。下面从不同负载对端电压进行分析：
作为阻性负载烧水壶在发生故障电弧下，其两端电压波形和电弧电流波形相似，在过零后都出现比较平稳的零休信号，电压的峰值和额定电压峰值相同。仍采用小波第四尺度细节分量对故障信号进行分解，在每个平肩部分都出现比较大的分量值。较容易将其与额定运行时的电压信号区分开来。感性负载以冰箱为例，发生故障电弧时电压的波形可能会缺少半波，局部信号会出现突变，用其对应的小波分解分量来判断也可较明显将其与额定运行情况区分开来。非线性负载以微波炉为例，发生故障电弧时，出现不平稳的平肩电压波形，电压峰值也出现较大的波动；微波炉故障时负载端电压类似感性负载的。
从上述几种负载端电压可见，可通过检测负载端电压来诊断故障电弧，实验的分析结果表明对于不同负载小波分量可以有效地区分故障电弧和用电电器额定运行的情况，并且采用电压来检测电弧不存在电器设备启动可能带来误判问题，且采用电压检测比电流检测的效果来得明显。
5 总结
本文参照UL标准设计了串联电弧产生的模拟实验平台与基于Labview的故障采集系统，且结合Matlab开发设计了故障电弧检测系统。以形态滤波器作为信号检测的前置单元，选择三次B样条光滑函数的一阶导数作为小波基，对故障电弧电流电压进行二进制小波变换。通过建立形态小波模型来检测故障电弧可以有效地抑制实验线路的噪声干扰。将该模型对电流信号加以分析，分析结果也证明了小波算法对低压配电线路故障电弧进行检测的可行性及有效性，同时也给出了实时在线监测保护装置研制的检测阈值及决策判据。此外，仿真分析了负载端故障电弧电压具有显著的故障特征及有效可靠诊断的特点，可在一定程度上应用于现场特定或重要机电设备的电气安全监测。
参考文献
[1]陈丽安.低压电器的短路故障早期检测及实现的研究[D].福州大学，2004.
[2]陈丽安，张培铭.小波分析及数学形态学在电力系统故障暂态信号处理中的应用[J].福建电力与电工，2007，27（3）：4-8.
[3]宋政湘，李东玮，陈会林.低压故障电弧的研究与分析[J].低压电器，2009（17）：1-4.
作者单位
福建电力职业技术学院 福建省泉州市 362000
