高速公路隧道配电网线路故障电弧监测系统的设计分析

李欣

（中铁一局集团电务工程有限公司，陕西西安 710038）

0 引言

由于我国高速公路总里程的快速增加，对应的高速公路隧道配电网也日渐复杂，负载种类也呈现多样化趋势。加之隧道多建设于山区野外，对配电网运行的安全监测任务也十分的繁重[1]。对于配电网而言，故障电弧是引起电气火灾的主要原因之一，其主要的作用机理是：低压配电网线路产生故障电弧时，电弧电流小于过流保护装置设置的动作电流，保护装置无法对线路形成有效的保护，又由于故障电弧温度极高，容易引发电气火灾[2]。高速公路隧道巡视人员负责范围较广，一旦发生火灾很难在第一时间发现，容易造成火灾迅速蔓延的危险局面。

鉴于此，本文结合高速公路隧道配电网的具体特点，针对故障电弧的发生规律，构建了一套故障电弧智能监测系统，便于实现对故障电弧的检测、判定和报警，构建安全生产的一道重要防线。

1 电弧的概念

电弧在日常生活和工业生产中十分常见，是由于两个不同电位的导体相互靠近时发生的噪声、亮光、热量释放的电离现象，在此过程中会产生大量的热量，是导致电气火灾的重大隐患[3]。

1.1 电弧的区域

电弧的放电过程非常不稳定，能量分布也不均匀，整体上可以分为3 个区域，其特点如表1 所示[4]。

表1 电弧的放电区域和特点

1.2 故障电弧的特点和分类

按照电弧发生的地点可以将故障电弧分为串联故障电弧、并联故障电弧和接地故障电弧，其中串联故障电弧的发生频率最高。低压配电网的正常工作电流在5～30A 之间，并联故障电弧的电流是工作电流的10 倍以上，串联故障电弧基本与正常工作电流相同，有时会略微减小，很难仅从电流这一个变量去判定是否产生故障电弧，故串联故障电弧的危险最大，且不易察觉[5]。本文主要针对串联故障电弧进行分析，并构建监测系统[6]。

电弧发生后，线路的电流、电压等特征会出现畸变，一般的电弧特征为：电流经过零点时，故障电弧会短暂熄灭，经过零点后又会重燃，即电弧电流在零点附近出现小段的平缓时期，称为“休零区”。故障电弧的电压或电流的波形中含高频噪声，波形不平滑，电压的波形类似于矩形，且沿着电弧会有所降低[7]。电弧电流在经过零点后的一段区域电流上升率要明显高于正常值。

2 高速公路隧道配电网电弧监测系统设计要求

2.1 系统基本功能需求

根据国家电气火灾监控设备的标准要求，结合高速公路隧道配电网的具体情况，本文拟定出电弧监测系统的功能要求，如图1 所示。

图1 高速公路隧道配电网线路故障电弧监测系统的基本功能

2.2 监测系统总体架构

根据国家相关规范，并考虑到高速公路配电网分支节点众多、需要监测的节点数量庞大、通信传输距离大于500m 等因素，设计了一套系统架构方案，如图2 所示。

图2 高速公路隧道配电网线路故障电弧监测系统结构图

该故障电弧监测系统主要分为3 级：上级为故障电弧监测主机，中级为故障电弧中继器，下级为故障电弧探测节点。故障电弧探测节点对电弧的情况进行实地实时监测，故障电弧中继器读取各个探测节点的数据并传递至故障电弧监测主机，主机操作每个中继器的存储数据，间接地对电弧故障情况进行监测。

该监测系统的基本原理是：首先，故障电弧探测节点通过采集电流信息，采用故障电弧算法判定电路中是否有故障电弧，一旦监测有故障电弧发生，则立即将信息发送至故障电弧中继器，并控制线路断电；其次，通过RS-485 总线技术将信息传递至故障电弧监测主机；最后，将信息显示在主界面上，用户可以通过主界面查询历史信息、数据以及各个节点的工作状态。

3 系统设计

3.1 硬件总体设计

根据监测系统的总体方案，设计监测系统的硬件系统和主要组成，如图3 所示。

图3 监测系统的硬件系统

3.1.1 故障电弧监测主机

故障电弧监测主机是整个系统的核心，功能主要包括巡检、报警、查询、监控、数据存储，实现智能化管理。主机采用TQ6410 开发板为核心主板，该主板预留PC 通信接口，可以通过RS-232 串口与外围按键、LED 显示屏等外围电路进行通信。该主机通过消防电源供电并配有备用电池，保证主机10h 的正常工作，最多可以挂载32 个故障电弧中继器。

3.1.2 故障电弧中继器

故障电弧中继器的主要作用是增加通信长度和监控负载的数量，通过声光报警定位故障电弧的位置。该系统采用Modbus 协议RS-485 总线与监测主机通信，外围电路包括蜂鸣器报警电路、按键、扩展功能电路等，一个中继器可以挂载12 个故障电弧探测节点。

故障电弧中继器硬件电路主要包括：最小系统电路、电源、AD 采样电路、RS-485 通信电路、显示电路、外围扩展功能接口电路、按键和蜂鸣器报警。其硬件组成如图4 所示。

图4 故障电弧中继器硬件组成框图

3.1.3 故障电弧探测节点

故障电弧探测节点的主要功能是采集低压线路中的电流信号，转换为电压信号后经滤波放大处理，再由节点内主控芯片内部故障电弧检测算法对信号进行分析判断，判断线路中是否存在故障电弧。同时，将采集后的电流数据发送给故障电弧中继器，实现两个子系统之间的通信，若有故障电弧则发出报警信号。探测节点的硬件主要包括：数据采集电路、主控电路、声光报警和恒流源输出电路。

3.2 系统的芯片选型

芯片选型是系统硬件设计的一个重要环节，决定了系统的稳定性及数据处理速度。

3.2.1 监测主机的核心主控处理器芯片

核心主控板是整个系统的核心部分，主要功能为工作界面的显示、数据处理和存储、通信等，决定了整个系统的性能和功能类别。由于高速公路配电网的线路较长，设备的种类也较多，需要监测的节点数量庞大，要求主处理器有较高的处理速度。

目前，市面上常用的控制器包括单片机、DSP 芯片、ARM 芯片3 种，各自具有优缺点。单片机是最传统的控制器，价格低廉，性能稳定，但是处理速度较慢；DSP 芯片的数据处理功能强大，多用于算法实现方面，但是无法移植操作系统和轻量型的数据库，在数据查询和存储方面无法满足系统的功能需要。嵌入式的ARM 芯片可以嵌入多个操作系统，多任务的处理功能和页面显示功能强大，与实际的工程需求相吻合，故选择ARM 芯片。该系统的主频要求为500MHz，考虑到稳定可靠性和成本，直接选用市场上成熟的开发板作为核心主控板，故选择TQ6410 开发板。

3.2.2 功能板和中继器主控芯片

由于该系统中要求监测主机核心主控板分别需要和功能板、中继器进行串口和实时通信，两个主控芯片之间的通信速率要求在4800Hz 以上，速率要求相对较高。市面上能够满足该功能的芯片有ARM 系列、DSP 系列、STM32 系列等，考虑到成本和编程的难易程度，选择STM32 系列STM32F103 作为功能板和中继器的主控芯片。STM32F103 基于Cortex-M3 内核构架，处理器的工作频率为72MHz，集成度较高，性能和功耗可以媲美嵌入式系统。

3.3 软件系统的总体设计

根据系统硬件系统的构成，可以将软件系统分为3 个部分，整体设计如图5 所示。

图5 监测系统的软件整体设计框图

根据系统的功能特点，主机程序采取多线程设计，包括用户界面线程、主机通信线程、按键读取线程。其中，用户界面线程通过在液晶屏上刷新各个节点的工作状态、报警信息等，向用户提供直观的现场情况，供用户修改参数等。按照故障电弧中继器的功能，其程序主要分为采集程序和通信程序。电弧采集程序负责完成故障电弧探测节点的数据采集，通信程序实现中继器和监测主机的通信。探测节点的程序分为AD 采样程序、故障电弧的判定算法程序、故障报警等子程序。

4 结语

故障电弧是影响配电网安全的主要隐患之一，高速公路隧道的配电网对运行安全的等级要求更高，本文通过分析电弧的基本概念和特点，结合最新的数据处理和监测技术，搭建了一套故障电弧的监测系统，对系统的硬软件构成和主芯片的选型分别进行了详细的介绍。系统投入使用后可以保证提前发现和及时处理故障，为高速公路的安全运行提供可靠保障。