近年來，國外已經研發出一些弧光監測與保護系統，典型產品包括德國 Moelle 公司的 ARCON 故障電弧保護系統，ABB 公司的 ARC Guard System 保護系統和芬蘭 Vaasa 公司的 VAMP 保護系統等。這些系統是基于監測電弧故障時發出的弧光以及過流雙判據，以提供快速而安全的母線保護，為限制電弧故障損壞提供了有效的解決方案[9]。但這些系統往往比較復雜，實現起來難度較大，價格高昂，因而限制了其的推廣使用。

相對于國外在這一領域的研究，國內在電弧診斷與保護方面仍處于起步實驗研究階段。西安交通大學開發了基于光纖傳感器和弧光信號監測單元的弧光單判據監測系統，這是國內首次開發成功的開關柜內部電弧在線監測和保護裝置。此外國內也有基于電弧光譜中紫外線來分析故障電弧的裝置[10-11]以及基于電弧電磁能量[12]和壓力特性[13]等的故障電弧監測保護裝置，但上述一般均采用單判據監測方法，可靠性仍有待論證，暫時還無法推廣到工程實踐中去。因此在現有研究成果的基礎上，針對礦用開關柜的特殊要求，提出一套可靠性高，抗干擾性強，動作快速，使用簡便，成本低廉的故障電弧監測和保護裝置是非常有必要的。基于此背景，本文提出了一種基于故障電流和故障電弧弧光雙判據的監測方法以實現故障電弧定位監測和保護的雙重功能，結構簡單，具有較強的穩定性和可靠性。

系統總體方案

本系統由故障電流監測模塊、弧光監測模塊、柜內溫濕度監測模塊以及中央控制單元構成。其中，故障電流監測模塊用于監測開關柜的進線側電流；故障電弧監測模塊用于監測開關柜的弧光信號；溫濕度監測模塊對開關柜母線室和電纜室溫濕度實時監測。中央控制單元搜集上述 3 個模塊的監測信息，運用專家系統進行綜合判斷，識別并定位故障電弧，輸出保護控制信號及故障信息數據。系統的結構框圖如圖 1 所示。如何通過搜集得到的電流、弧光和柜內溫濕度信號，準確預測并識別電弧故障，是系統研究的關鍵點。故障電弧產生的時候，進線側電流會瞬間變大，因此，同時監測到弧光信號與電流瞬間增強，可準確判斷電弧故障的發生，避免單一監測可能帶來的誤判。當同時檢測到故障電流和弧光信號時，發出跳閘指令；當僅檢測到兩者之一時，發出報警信號。故障電弧保護原理如圖 2 所示。另外，柜內溫濕度過大是造成電弧故障的一個重要因素，因此，當柜內溫濕度過大時，自動啟動風扇實現降溫除濕；如果溫濕度依然過高，啟動報警。

系統硬件設計

1.故障電流監測模塊:故障電流監測模塊完成故障電流的采集和辨識，為開關設備的動作提供依據。電流互感器對開關設備每相進線上的電流進行監測，實時動態地輸出所監測到的電流信號，依次經過整流分壓電路單元、信號轉換單元、電平判斷單元、積分單元、輸出單元，產生開關設備的故障電弧信號，送入中央控制模塊進行分析和存儲。

2.故障電弧監測模塊:故障電弧采集模塊完成對弧光信號的調理和采集功能，包含安裝于開關設備母線室內用于采集弧光信號的凸透鏡，以及依次串聯的弧光感測電路、比較電路、鎖存電路、多路選擇開關。凸透鏡按照像距和物距的位置放置于開關設備母線室需要監測的位置。本系統根據母線室和電纜室內的位置布局和易于發生故障電弧的所在地，將 8 個不同焦距的透鏡分別安裝在母線室和電纜室內，以全面監測可能產生的電弧光信號。經過透鏡后的電弧成像光路如圖 3 所示。弧光感測元件為光敏三極管陣列，本設計中將其組成 8×8 的陣列，將從凸透鏡聚焦的光信號轉換為電信號。圖 4 為利用虛擬儀器技術模擬的電弧成像分布圖。圖中圓圈代表感光元件，陰影部分為故障電弧的成像，根據凸透鏡、弧光故障位置和光敏三極管之間的位置關系即可換算出設備中發生電弧故障的位置，因而可以很好地反映電弧的發生、發展過程，為后續的弧光故障分析提供很好的依據。如圖 4 所示，每個凸透鏡后面有 64 個光敏三極管陣列，而每個光敏三極管都對應著獨自的信號處理電路。如圖 5 所示，先經過信號放大，再通過比較電路與設定的基準電平比較，確定電弧成像有沒有到達后方相應的弧光感測電路光敏元件所在區域，從而形成電弧圖像信號；鎖存電路鎖存電弧圖像信號，并通過多路開關與中央控制單元進行數據傳輸，而后送入監控后臺進行模擬電弧成像處理。本系統中 8 路弧光信號通過或門或多路選擇器循環采樣，任何一路發生弧光即可產生故障信號。

3.溫濕度監測模塊:本系統采用溫濕度傳感器 SHT71 實現對母線室和電纜室的溫濕度監測。SHT71 是一款基于兩線數字輸出的集成溫濕度傳感器，能同時測量溫度和相對濕度，具有露點值計算輸出功能。傳感器中還集成了 14 位的 A/D 轉換器、標定數據存儲器和穩壓電路，輸出數字信號可以直接送到微控制器，無需外圍元件，測量精度高，抗干擾性好。

4.中央控制模塊:中央控制模塊完成對故障電流監測模塊，故障電弧采集模塊和溫濕度監測模塊輸入信號的分析，準確判斷故障電弧是否產生，并利用故障電弧圖像反向定位電弧發生位置。同時，通過 CAN 總線實現與上位機通信，發出故障信息與動作指令（包括啟動風扇）。本設計中 STM32 系列 ARM 處理器作為主控芯片，共采集 3 路進線電流信號，8 路弧光信號，2 路溫濕度信號。主控板的整體硬件結構如圖 6 所示。

系統軟件設計

中央控制模塊完成的主要任務包括電流信號，弧光信號，溫濕度信號的采集分析并與監控后臺的CAN 總線通信。主程序流程圖如圖 7 所示。系統啟動后，首先進行初始化，然后運行主程序。主程序是一個無限循環的采集、判斷與通信過程。通過對弧光、電流、柜內溫濕度信號的采集并與設定值簡單比較，如果超過設定值即啟動專家系統進行智能化分析。如果發現異常，則根據異常情況啟動風扇、報警及跳閘。每一次監測與判斷完成后，都通過 CAN 總線將監測結果及故障分析與處理結果上傳給后臺 PC 機。本系統建立了故障電弧監測專家系統，用于對監測信息進行智能化分析和處理，其原理框圖如圖8 所示。電弧故障發生時，進線電流的突變與電弧之間的相互關系可以通過仿真與實驗來得到，這將作為專家知識寫到系統中。另外，設備使用過程中的老化，比如傳感器本身感測能力的下降，以及對溫濕度敏感程度的增加，在系統中都加以考察，從而使故障判斷閾值柔性化，更能準確的識別、定位電弧故障并實現保護功能。系統采用 CAN總線實現與后臺機的信息交互。CAN 總線的仲裁模式，可以保障信息按優先級別實現主動上傳，及時反映故障信息。發送與接收程序流程圖如圖 9 所示。發送時，將待發送信息按特定格式組合成一幀報文，送入發送緩沖區中，啟動發送位，即可發送報文。當監測到接收緩沖器中存在有效報文后，接收子程序將緩沖器中的內容讀入CPU 的數據存儲區，完成接收后檢查總線狀態及溢出情況等并做相應處理。