基于隨機(jī)森林的電氣火災(zāi)故障電弧識(shí)別方法研究

孫 超，劉 森，劉兆杰

（1.應(yīng)急管理部沈陽(yáng)消防研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110034；2.國(guó)家消防電子產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，遼寧 沈陽(yáng) 110034）

0 引 言

電氣火災(zāi)是目前非人為因素引起數(shù)量最多的火災(zāi)，2017年一季度全國(guó)共發(fā)生8.1萬(wàn)起火災(zāi)，其中電氣因素引起的火災(zāi)2.4萬(wàn)起，約占總數(shù)的29.8%[1]。造成電氣火災(zāi)發(fā)生的因素主要有：線路短路、過(guò)載等引起的電流在導(dǎo)線上產(chǎn)生大量的熱，致使絕緣層遭到破壞而引起的電流因素火災(zāi)；線路接觸不良、絕緣老化及導(dǎo)線質(zhì)量問(wèn)題引起的碳化，致使電弧引燃線路周?chē)目扇嘉锒鸬碾娀∫蛩鼗馂?zāi)[2]。其中，線路中的故障電弧不易被發(fā)現(xiàn)，是目前造成電氣火災(zāi)的主要原因。實(shí)際應(yīng)用中，串聯(lián)故障電弧的有效電流值遠(yuǎn)小于保護(hù)開(kāi)關(guān)的過(guò)負(fù)荷電流，當(dāng)線路中有故障電弧產(chǎn)生時(shí)，傳統(tǒng)的斷路器無(wú)法識(shí)別電路故障。

2014年之前，國(guó)內(nèi)對(duì)故障電弧的研究主要依賴(lài)于以UL 1699標(biāo)準(zhǔn)為主的國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)?？紤]到國(guó)外的用電參數(shù)和用電環(huán)境與我國(guó)的差別，一些研究對(duì)我國(guó)的故障電弧檢測(cè)并不完全適用，2014年國(guó)家發(fā)布了故障電弧探測(cè)器的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 14287.4—2014。

故障電弧檢測(cè)的方法包括根據(jù)故障電弧發(fā)生時(shí)的物理現(xiàn)象進(jìn)行檢測(cè)、根據(jù)故障電弧產(chǎn)生時(shí)的電壓波形特征對(duì)故障電弧進(jìn)行檢測(cè)、根據(jù)故障電弧產(chǎn)生時(shí)線路中的電流波形特征對(duì)電弧進(jìn)行檢測(cè)、根據(jù)電弧的頻譜特征進(jìn)行檢測(cè)及應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)方法對(duì)故障電弧進(jìn)行檢測(cè)。

1 故障電弧產(chǎn)生的原因

電弧是不同電極間通過(guò)原本絕緣的介質(zhì)而持續(xù)放電的現(xiàn)象，電弧通常以空氣為介質(zhì)，形成時(shí)空氣兩邊的電極導(dǎo)通、揮發(fā)并產(chǎn)生一系列的電磁反應(yīng)過(guò)程。電弧發(fā)生時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很高的溫度，中心最高溫度可達(dá)12 000 ℃以上。電弧所產(chǎn)生的高熱、高壓氣體，極易引燃導(dǎo)線周?chē)目扇嘉?，從而引發(fā)電氣火災(zāi)[3]。

對(duì)于線路接觸不良引發(fā)的火災(zāi)，配電線路中，導(dǎo)線連接頭之間、導(dǎo)線與電流保護(hù)器之間以及導(dǎo)線與電器之間如果連接不牢，在接觸點(diǎn)上就容易形成絕緣碳化，碳化達(dá)到一定程度后在連接點(diǎn)會(huì)有電弧產(chǎn)生，同時(shí)伴隨大量的光和熱，引燃周?chē)目扇嘉?，從而引起電氣火?zāi)。

對(duì)于線路絕緣老化引發(fā)的火災(zāi)，一些長(zhǎng)期使用的配電線路中，尤其是在一些老舊的小區(qū)和工業(yè)場(chǎng)所，線路長(zhǎng)期過(guò)負(fù)荷使用，且使用環(huán)境條件惡劣，導(dǎo)致線路的絕緣水平不斷下降，供電線路易產(chǎn)生絕緣擊穿而產(chǎn)生線-線短路、線-地短路現(xiàn)象，從而引起電氣火災(zāi)。

對(duì)于導(dǎo)線質(zhì)量問(wèn)題所引發(fā)的火災(zāi)，目前市面所銷(xiāo)售的導(dǎo)線質(zhì)量參差不齊，有的導(dǎo)線表面絕緣材料的材質(zhì)不良，受到機(jī)械拉伸或擠壓時(shí)易導(dǎo)致絕緣破損；有的導(dǎo)線中銅含量不足，使得內(nèi)部易氧化、碳化。這些質(zhì)量不良的導(dǎo)線在使用一段時(shí)間后，容易導(dǎo)致故障電弧的產(chǎn)生，從而引起電氣火災(zāi)[4]。

2 故障電弧探測(cè)方法

早期探測(cè)電氣線路中的故障電弧，應(yīng)用的是弧光傳感器、溫度傳感器及壓力傳感器等探測(cè)元件。當(dāng)線路中有故障電弧產(chǎn)生時(shí)，產(chǎn)生故障電弧的部位會(huì)有弧光產(chǎn)生，應(yīng)用弧光式故障電弧探測(cè)器可以對(duì)故障電弧進(jìn)行報(bào)警。同時(shí)故障電弧的產(chǎn)生會(huì)產(chǎn)生大量的熱，導(dǎo)致導(dǎo)線溫度升高，應(yīng)用測(cè)溫式故障電弧探測(cè)器可以在火災(zāi)發(fā)生前報(bào)警。當(dāng)線路中產(chǎn)生故障電弧時(shí)，配電箱內(nèi)部溫度升高，氣體體積脹大，使得內(nèi)部氣壓產(chǎn)生變化，應(yīng)用壓力式故障電弧探測(cè)器可進(jìn)行報(bào)警[5]。

弧光式故障電弧探測(cè)器的探測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確，但是不能對(duì)配電線路中的故障電弧進(jìn)行及時(shí)檢測(cè)，只能檢測(cè)配電箱中的故障電弧發(fā)生情況，達(dá)不到對(duì)線路整體是否存在故障電弧情況進(jìn)行檢測(cè)的目的。這樣的故障電弧探測(cè)器不適用于低壓配電線路。

利用電壓波形進(jìn)行故障電弧的檢測(cè)，需要把故障電弧探測(cè)器的測(cè)量端連接到可能發(fā)生故障電弧的線路兩端。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于故障電弧發(fā)生點(diǎn)處的電壓波形容易識(shí)別，不會(huì)出現(xiàn)誤報(bào)問(wèn)題；缺點(diǎn)在于實(shí)際配電線路中，處處都可能成為發(fā)生故障電弧的位置，如果對(duì)每一段布線都布置這樣一個(gè)故障電弧探測(cè)器會(huì)極大地增加布線難度。

利用故障電弧產(chǎn)生時(shí)線路中的電流特征進(jìn)行檢測(cè)是目前應(yīng)用最廣泛的故障電弧探測(cè)方式。大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，故障電弧出現(xiàn)時(shí)，電流波形會(huì)出現(xiàn)“平肩”區(qū)；故障電弧波形相對(duì)于正常電流波形會(huì)有較多的毛刺出現(xiàn)，說(shuō)明電弧的產(chǎn)生會(huì)伴隨高頻噪聲和諧波的出現(xiàn)；故障電弧波形的平肩區(qū)結(jié)束后，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)較明顯的上升沿；對(duì)于一段連續(xù)出現(xiàn)的故障電弧波形，每個(gè)周期的波形的電流幅值不同。

通過(guò)這些故障電弧電流波形的特點(diǎn)探測(cè)故障電弧的方法具體如下。

（1）在電流波形中探測(cè)“平肩”電流[6]。

（2）將電流的半周波作為一個(gè)計(jì)算單元，將這個(gè)單元分解成等間距的小區(qū)間，計(jì)算每個(gè)小區(qū)間的起始電流與終止電流比值。當(dāng)線路中有故障電弧存在時(shí)，在電流波形的上升沿的區(qū)間的起始電流與終止電流比值會(huì)比較大。

（3）通過(guò)比較連續(xù)電流波形，得到相鄰的各個(gè)周期波形的有效值、平均值和峰-峰值的對(duì)比結(jié)果。

（4）通過(guò)快速傅里葉變換、小波變換將電流的時(shí)域信息轉(zhuǎn)化為頻域信息，計(jì)算波形中奇次諧波的比例[7]。

（5）應(yīng)用高通濾波器提取高頻電流波形信號(hào)，目前普遍采用的是20 kHz～1 MHz的高頻信號(hào)[8]，分析這些頻段上的電流高頻諧波信號(hào)，從而探測(cè)故障電弧。

通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)方法構(gòu)建分類(lèi)模型探測(cè)故障電弧。如果將電路中的電流波形作為判斷是否存在故障電弧的輸入量，半周期的波形就可以分為故障電弧數(shù)據(jù)和非故障電弧數(shù)據(jù)，分別賦予不同種類(lèi)的電流波形以不同類(lèi)標(biāo)簽。提取每個(gè)波形的“平肩”時(shí)間、上升率及諧波分量等參量作為信息輸入，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)及隨機(jī)森林等方法對(duì)每個(gè)波形進(jìn)行分類(lèi)。

機(jī)器學(xué)習(xí)方法進(jìn)行故障電弧探測(cè)，理論上可以達(dá)到100%的分類(lèi)精度。這需要構(gòu)建一個(gè)完美的分類(lèi)模型，模型的優(yōu)劣依賴(lài)于構(gòu)建模型的方法、數(shù)據(jù)。目前，針對(duì)故障電弧數(shù)據(jù)的分類(lèi)模型基本都是針對(duì)線性電流數(shù)據(jù)的分類(lèi)，很少有對(duì)復(fù)合式負(fù)載的識(shí)別方法研究；故障電弧研究的數(shù)據(jù)大多以“點(diǎn)接觸”形式為主[9]，負(fù)載多為純阻性負(fù)載或日光燈、吸塵器及電腦等復(fù)合形式負(fù)載。通過(guò)這樣的數(shù)據(jù)構(gòu)建的分類(lèi)模型很難對(duì)“碳化”形式故障電弧數(shù)據(jù)和“短路”形式故障電弧數(shù)據(jù)進(jìn)行有效分類(lèi)。

3 一種故障電弧探測(cè)技術(shù)的設(shè)計(jì)

本文針對(duì)故障電弧電流數(shù)據(jù)的特點(diǎn)和頻譜特性，從“點(diǎn)接觸型故障電弧”“碳化型故障電弧”“并聯(lián)金屬性接觸型故障電弧”數(shù)據(jù)中提取了故障電弧的數(shù)據(jù)特征。通過(guò)這些特征訓(xùn)練了一個(gè)隨機(jī)森林多標(biāo)簽分類(lèi)模型，對(duì)故障電弧數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)，達(dá)到了識(shí)別線路中的故障電弧的目的[10]。

故障電弧波形相對(duì)于正常電流波形，會(huì)出現(xiàn)大量的“失半波”現(xiàn)象，使得故障電弧波形的有效值與正常電流波形不同，當(dāng)故障電弧波形連續(xù)出現(xiàn)時(shí)，相鄰波形“失半波”情況不完全相同，主要體現(xiàn)在波形的平肩部大小不同。因此，本文提取電流有效值Im、平均值Iave、峰-峰值If、平肩百分比Rt及電流最大瞬時(shí)上升速率Kt等5個(gè)特征作為識(shí)別故障電弧的時(shí)域特征，相關(guān)特征的計(jì)算方式如下。

有效值：

其中，ik為第k個(gè)采樣點(diǎn)的電流值，實(shí)驗(yàn)中，以2.5×105Hz的頻率對(duì)電流進(jìn)行采樣，每個(gè)半周波采樣N取2 500次。

平均值：

峰-峰值：

平肩百分比：

其中，ε取1.0×10-7。

最大瞬時(shí)上升速率：

故障電弧電流波形在平肩部末端，電流值迅速上升，后續(xù)的電流波形趨近于正常的電流波形。因此，在故障電弧電流波形中會(huì)有一個(gè)迅速上升的區(qū)間，可以作為識(shí)別故障電弧波形的一個(gè)重要特征。本文把一個(gè)半周波的故障電弧波形分解為100等份，計(jì)算最大的上升速率。

在提取電流波形時(shí)域信息的同時(shí)，本文應(yīng)用快速傅里葉變換（FFT）計(jì)算得到電流波形的頻域信息[11]。故障電弧電流波形中含有大量奇次諧波。應(yīng)用FFT得到波形的頻譜信息，對(duì)于N點(diǎn)序列x（n），其離散傅里葉變換對(duì)如下：

漢明窗函數(shù)即為改進(jìn)的升余弦窗，相對(duì)于其他的窗函數(shù)，它在抑制旁瓣和控制主瓣寬度上同時(shí)具備較好的優(yōu)勢(shì)，其時(shí)域表達(dá)如下：

本文通過(guò)對(duì)比故障電弧與正常電弧電流波形的頻域信號(hào)，提取了電流波形的3～15次奇次諧波量，將奇次諧波量占基波的百分比作為識(shí)別故障電弧的特征，分別記為X3，X5，…，X15。

試驗(yàn)中，本文故障電弧發(fā)生裝置得到實(shí)際的故障電弧電流波形，應(yīng)用FFT得到電流波形的頻域信號(hào)，點(diǎn)接觸型故障電弧的電流波形和對(duì)應(yīng)的頻譜信息如圖1所示。

圖1 點(diǎn)接觸型故障電弧電流波形圖及其頻譜圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

應(yīng)用3種故障電弧發(fā)生裝置，選擇不同類(lèi)型、不同大小及不同功率因數(shù)的負(fù)載共產(chǎn)生串聯(lián)碳化路徑故障電弧、并聯(lián)碳化路徑故障電弧、點(diǎn)接觸式故障電弧及并聯(lián)金屬性接觸式故障電弧電流波形數(shù)據(jù)218條，將其中每一個(gè)半周波作為一個(gè)識(shí)別故障電弧的獨(dú)立單元，共得到獨(dú)立樣本4 760個(gè)。作為故障電弧的參照數(shù)據(jù)，本文在生成電弧數(shù)據(jù)相同負(fù)載條件下，截取5 240個(gè)同類(lèi)型的樣本作為分類(lèi)故障電弧數(shù)據(jù)的參照樣本。

應(yīng)用中，不同類(lèi)型的故障電弧數(shù)據(jù)其波形、頻譜特點(diǎn)不同，因此本文將所有故障電弧數(shù)據(jù)和參照樣本數(shù)據(jù)共分成串聯(lián)碳化電弧、并聯(lián)碳化電弧、點(diǎn)接觸型故障電弧和并聯(lián)金屬性接觸式故障電弧以及相同負(fù)載條件下的正常電流數(shù)據(jù)和短路電流數(shù)據(jù)共計(jì)6個(gè)類(lèi)別，應(yīng)用隨機(jī)森林算法對(duì)其進(jìn)行分類(lèi)。每次分類(lèi)取90%作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，取其余10%作為測(cè)試數(shù)據(jù)，得到平均分類(lèi)精度作為最終模型的分類(lèi)精度，分類(lèi)結(jié)果如圖2所示。

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)故障電弧識(shí)別方法的研究，分析了各種故障電弧的識(shí)別方法，提出了基于隨機(jī)森林的故障電弧識(shí)別方法。以所有可能產(chǎn)生故障電弧的方式，搭建了“點(diǎn)接觸型故障電弧”“碳化型故障電弧”“并聯(lián)金屬性接觸型故障電弧”發(fā)生裝置，產(chǎn)生了不同形式的故障電弧數(shù)據(jù)，提取數(shù)據(jù)的時(shí)域和頻域特征，構(gòu)建了隨機(jī)森林分類(lèi)模型，通過(guò)交叉驗(yàn)證測(cè)試模型的分類(lèi)精度達(dá)到94%以上，對(duì)故障電弧探測(cè)器的設(shè)計(jì)有一定的借鑒意義。

電氣火災(zāi)故障電弧的存在嚴(yán)重威脅到人們的生命、財(cái)產(chǎn)安全。故障電弧的識(shí)別一直是電氣防火領(lǐng)域一個(gè)難點(diǎn)問(wèn)題，合理的故障電弧探測(cè)器設(shè)計(jì)可以及時(shí)探測(cè)線路中存在的故障電弧隱患，并可以配合消防與施工部門(mén)合理排查電網(wǎng)中存在的潛在問(wèn)題。

圖2 隨機(jī)森林模型分類(lèi)結(jié)果