引用本文
高少彬, 竺红卫. 直流故障电弧检测技术综述[J]. 电器与能效管理技术, 2018(10): 20-24.
GAO Shaobin, ZHU Hongwei. Overview of DC Arc Fault Detection Technique[J]. ELECTRICAL & ENERGY MANAGEMENT TECHNOLOGY, 2018(10): 20-24.
Doi:10.16628/j.cnki.2095-8188.2018.10.004  
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直流故障电弧检测技术综述
高少彬, 竺红卫
浙江大学,浙江 杭州 310027

高少彬(1992—),男,硕士研究生,研究方向为故障电弧的检测、模式识别。

竺红卫(1966—),男,副教授,研究方向为故障电弧的检测。

收稿日期: 2018-04-02
摘要

直流故障电弧检测技术在许多领域特别是新能源行业和通信行业具有广大的应用前景。总结了直流故障电弧发生的原因和分类,并对故障电弧进行分析。阐述了不同故障电弧检测方法的机理,列举了当前直流故障电弧检测技术存在的一些问题和注意事项。最后借助于多参量信息融合、互联网技术和人工智能技术,展望了直流故障电弧检测的发展前景。

关键词: 直流故障电弧; 故障检测; 检测技术; 多参量信息融合
中图分类号:TM501+.2 文献标志码:A 文章编号:2095-8188(2018)10-0020-05 doi: 10.16628/j.cnki.2095-8188.2018.10.004
Overview of DC Arc Fault Detection Technique
GAO Shaobin, ZHU Hongwei
Zhejiang University,Hangzhou 310027,China
Abstract

DC arc fault detection technique has a very broad range of application prospects in many fields,especially in new energy industry and communications industry.The reasons and classification of DC arc fault were overviewed,and this paper also analyzed the DC arc fault,expounded the different detection mechanisms.Meantime,it pointed out some problems and precautions in the DC arc fault detection technology.Finally,the DC arc fault detection methods were prospected,by multiparmeter information fusion,internet and artificial intelligence techndogy.

Keyword: DC arc fault; fault detection; detection technologies; multiparameter information fusion
0 引 言

在各种用电设备和负载中主要使用的是交流电, 直流电主要应用在对信号和后备电力的控制方面。直流电的应用和相应配电保护正得到越来越多的关注, 这和与之相关的太阳能、通信技术和直流拖动牵引等技术的发展是分不开的。具有高效、易连接、体积小等优点的直流供电源, 广泛应用于航空航天、数据中心、电动汽车、光伏、船舶等行业[1]。

在各种可再生能源中, 太阳能应用前景广大, 光伏发电产业得到了大力的发展, 然而也出现了一些严重的问题。特别是大部分的光伏电站长时间投入运行, 光伏组件老化带来的电气系统安全问题尤为突出。光伏发电的故障和事故发生的频率不断攀升, 其中光伏系统直流端故障电弧引起的火灾就是事故发生的原因之一[2]。光伏系统具有结构复杂和连接设备众多的特点, 直流端电压有可能超过1 000 V。如果发生电弧故障, 周围的可燃物质或光伏组件很可能会立即点燃, 导致火灾事故[3]。为了解决该安全问题, 美国国家电气规范(National Electrical Code, NEC)第690.11号文件提出了相应的要求, 直流母线大于80 V的光伏并网系统要配备故障电弧检测装置和断路器[4]。目前, 国内外对光伏系统直流侧电弧故障的研究尚不成熟, 没有形成比较可靠的保护策略。

随着通信业务量的飞速发展, 通信设备对于电源的安全供电要求升高。从一系列研究结果来看, 利用直流供电系统进行供电是通信设备最可靠、最安全和经济的供电方案。通信电源作为通信系统的基础, 虽然安全性比较高, 但是电源一旦出现问题, 故障对通信设备是致命的, 其所影响的范围和严重性是其他设备不可比拟的。在通信直流供电系统中, 由于线路破损、电子元件老化、连接触点松动或者动物的撕咬等因素都能导致故障电弧的发生, 因此对通信设备中直流故障电弧的研究也有很大的意义。

对于直流故障电弧的防治, 电弧的检测技术显得尤为重要。然而, 虽然直流电弧在燃烧过程中会释放出大量的能量, 但不会在电路系统中产生过电流, 直流串联电弧会使线路电流降低。目前基于断路器、熔断器等电器设备的保护措施, 对于小电流电弧故障无法有效和全面地检测出来。与交流电弧相比, 直流电弧没有过零点, 而电弧在过零点比较容易熄灭, 因此在相同燃烧的条件下, 直流故障电弧相比交流故障电弧更加难以熄灭, 极易造成火灾事故。

国外对直流故障电弧比较早进行了研究, 如今不少公司推出了直流故障电弧检测装置, 如德国SMA公司推出逆变器上用的电弧故障检测装置, 还有Tigo Energy公司、德州仪器公司和Solar Edge公司等。目前国内对直流电弧故障检测领域研究相对较少, 随着越来越完善和严格的安全认证体系和政府监管制度, 相关产业技术标准更加规范, 对直流电弧故障的研究也在推进。美国工业标准UL 1699B在光伏系统的电弧故障检测具有规范指导作用。其要求电弧故障检测装置应该具备信号指示功能, 能够在检测到系统因电弧故障而跳闸时提供指示, 还要求系统包含测试电路以验证电弧检测单元是否正常工作等。2015年6月1日开始实施GB 14287.4— 2014《电气火灾监控系统第4部分:故障电弧探测装置》严格规定了电气火灾监控系统中电弧故障检测装置试验与测试所需遵守的一些要求[5]。

1 故障电弧产生原因及分类

电弧是通过绝缘介质的电极间的连续放电现象, 一般伴随着电极的部分挥发[6]。通常在低压配电网的线路中, 因为线路、设备的绝缘老化和破损, 或不良的电气连接, 时常导致以短路形式的故障电弧发生[7]。故障电弧释放的高温会迅速积累能量, 引起火灾。

一般而言, 直流源供电系统中的电弧分为“ 好弧” 和“ 坏弧” 。电气设备正常操作或运行过程中产生的是“ 好弧” , 如电器正常开断、插拔电器、分合闸操作。这类电弧持续的时间短, 往往很快熄灭, 不会损害电气设备和危害人员安全, 电器设备依然正常运行。故障电弧是由于连接不良、器件老化、电器损坏、断线接地等系统缺陷引起的电弧, 属于“ 坏弧” 。检测直流故障电弧的判别依据不能以电弧产生结果的好坏为标准, 并以此对电弧进行分类, 否则会产生类弧负载干扰, 影响故障电弧的识别。

串联电弧和并联电弧是按照电弧发生的位置来划分的, 并联故障电弧还能进一步分为线线故障电弧和对地故障电弧。串联故障电弧在回路中相当于引入可变阻抗, 当极间的电压增大, 回路电流就会小于正常工作电流, 因此传统的保护装置不能及时断开电路, 熄灭直流故障电弧。断线接地和短路等偶然原因会导致并联故障电弧产生, 因此回路电流会比正常工作电流大, 这类故障一般可以通过传统的过流保护装置检测到。串联电弧比并联电弧更常见, 串联故障电弧也是大部分电气火灾事故的起因。

现有的直流故障电弧研究主要集中在串联故障电弧。典型直流故障电弧发生平台如图1所示。其中电弧发生装置用来起弧以模拟直流故障电弧在实际工作中的产生过程。

图1 典型直流故障电弧发生平台

试验中直流故障电弧是通过选用电阻当负载, 移动故障电弧生弧装置中的动电极产生。典型直流故障电弧电流输出波形[8]如图2所示。由图2可见, 初始波动并不大, 说明电路正常工作; 中间一段出现波动且大, 表明电路中存在燃弧现象, 这一阶段的电弧还不稳定; 后半段波形又趋于稳定, 说明电弧处在稳定状态。根据电弧物理特性分析, 当电弧趋于稳定时相当于在回路中串联了一个阻抗, 因此波动比较小。在实际应用的系统中, 不能在电弧稳定后才切断电路, 否则会引起火灾事故, 电弧故障检测应该在电弧不稳定时进行检测。

图2 典型直流故障电弧电流输出波形

2 直流故障电弧检测原理

国内外学者深入研究了直流故障电弧检测的相关课题, 取得了一些的成果。其中对故障电弧的识别, 基本上有如下3类技术:① 电弧仿真电路模型的建立; ② 基于发生故障电弧时产生的如辐射、弧光等物理现象来识别; ③ 通过故障电弧的电信号进行识别。随着先进的信息和智能理论如模糊数学和人工神经网络的快速发展, 不确定性推理智能算法的使用已成为故障电弧检测方法中的一个热点。

2.1 基于仿真模型的故障电弧检测技术

对于电弧各参数间的本质联系, 能通过低压直流电弧故障仿真模型有效地描述。基于电弧宏观描述物理 数学方程进行仿真是常用的基于仿真模型的电弧检测技术。该方法将电弧视为可变电阻, 通过非线性微分方程计算等效阻抗, 由此获得了故障电弧的建模以及仿真。主要的电弧数学模型包括了针对低电阻电弧的Mayr模型、高电阻电弧的 Cassie 模型和在 Mayr基础上改进的 Schavemaker模型等。这些模型符合能量守恒定律和电弧柱等离子体的特性, 并且都是关于时间的微分方程式, 因此不仅要在时域中考察电弧的特性, 也要在频域中分析电弧特征。一些学者还提出通过二极管模型、指数 双曲线模型等动态模型改进传统阻抗模型, 电弧逻辑可以利用电弧产生的机理来进一步阐述, 借助电压和电流的分析来阐明电弧相关的反应机制[9]。

以上方法通过构建电弧的仿真模型, 并对参数进行计算最终来检测故障电弧的发生。对该方法分析表明, 其含有基本微分方程, 方程十分复杂; 此外, 电弧仿真模型由于应用条件和电弧参数复杂的限制, 导致基于仿真模型进行电弧检测的研究没有大的进展, 更多地停留在仿真的阶段, 并不能投入实际应用中。但是通过对电弧模型的研究, 可以帮助对电弧产生机制的阐述进一步发展, 促进故障电弧检测技术的发展。

2.2 基于声、光物理特性的检测方法

电弧燃烧时会伴随着声、光、热及电磁辐射等物理现象。利用这个特征, 在开关柜和配电柜等设备直流故障电弧的检测中取得了很大的效果, 但是在建筑电气检测中效果并不好, 由于建筑物的主故障位置无法确定, 所以没法安装传感器。同时, 建筑线路中还有大量的正常电弧现象, 也无法通过物理现象来区分电弧的好坏。

国内外基于故障电弧的物理现象的研究也取得了不少成果。加拿大Saskatchewan大学的Sidhu T等设计了一种故障电弧检测装置, 该装置主要有以下3部分组成:压力分区话筒、红外线接收器和回路天线。毛协国等[10]借助两组复眼透镜及光敏管组, 检测狭窄的光伏汇流箱中的弧光, 从而实现电弧故障的检测。文献[11]将超声波应用于光伏器件中的电弧故障检测, 在比较传感器接收信号的振幅、持续时间和中心频率与预定值后, 判断是否产生电弧故障。

2.3 基于时频特性的故障电弧检测技术

当电弧故障发生时, 电路中的电压和电流会发生比较明显的变化, 因此可以根据故障电弧发生时电信号的时域和频域进行检测。目前, 基于时频特性的故障电弧检测技术已经成为电弧故障检测的研究重点, 并且许多利用故障电弧时域、频域和时频域特点而研制的产品取得不错的效果。

时域分析主要集中于时间序列的特征研究, 如比较故障前后电压电流基于时间的变化率、电流的平均值。姚秀等[12]通过时间窗内电流变化率的比较, 分析了串联直流电弧的特性并提出了检测方法。Martin L等[13]利用di/dt值来分析电弧故障。Hastings J等[14]通过比较不同的电流峰值信号, 并以此对电弧进行判断。

频域分析主要通过时间序列对频率特性的分析。电弧燃烧过程较为复杂, 主要特征表现在频率不定的电压和电流。混乱的电弧会给电压和电流带来新的高频增量, 因此发现稳定的电压或电流出现高频分量时, 就可以初步判断电弧故障的发生。Haberlin H等[15]通过检测电弧特征信号的方式来检测电弧故障。俞雁飞等[16]则通过发现非正常的信号频率来寻找电弧故障。

时频域分析是利用小波变换和短时间傅里叶分析等数学工具, 对信号进行时频分析, 进而检测异常频率分量, 发现电路的电弧故障。经检验, 这种时频分析往往是很有效的, 因此得到了很多学者的关注并且应用在直流故障电弧的研究上。Wang Z等[17]利用小波变换和快速傅里叶变换提取故障电弧特征参数, 利用建立的故障电弧模型进行仿真分析。文献[18]选取具有双正交性、紧支撑性特征的正交二次样条小波作为母波, 在电弧检测的精准性方面也卓有成效。

3 直流故障电弧检测技术的问题和展望

随着对直流故障电弧研究的不断深入, 直流故障检测技术也存在一些问题, 但是相信在不久的将来, 随着这些问题的解决, 直流故障电弧检测技术会不断地提高并且在生活生产中起到重要的作用。

3.1 直流故障电弧检测技术存在的问题

(1)大多数电弧检测方法需要利用传感器提取特征参数来达到检测电弧目的, 但对传感器安装的位置、灵敏度有较高的要求, 容易受到周围环境的干扰, 使用起来较为不便[19]。

(2)现有故障电弧识别方法运算较为复杂、实时性相对较差, 需要更进一步找出更合适并且可以推广到实际生产中的检测技术。

(3)目前故障电弧的检测范围通常局限在常规负载工作电流上。当电路中有特殊负载时, 现存的故障电弧检测方法往往难起作用, 或者无法达到令人满意的准确度。这和特殊负载的信号特殊性有一定的关系。

(4)当前直流故障电弧的研究主要针对具体的直流负载或者直流设备进行研究, 对不同的直流设备来说, 因为其负载特性的差异, 往往很难找到一种通用的算法或者检测技术可以在不同直流设备或者系统中起到理想的检测效果。

(5)与此同时, 串联故障电弧检测是当下故障电弧检测的主要对象, 而并联故障电弧的电流检测往往被大多数人忽视, 这样就造成了很多并联故障电弧无法被检测到的安全隐患。

3.2 直流电弧故障技术的发展前景

目前, 国外的直流故障电弧检测技术和相关安全标准相对比较成熟, 在北美、欧洲以及日本, 直流电弧故障检测装置和电弧故障断路器已经产业化并投入市场。国内在直流故障电弧检测领域的研究相对匮乏, 随着相关政策法规和产业技术标准的推出, 以及产业化的推广, 运用人工智能算法, 直流故障电弧检测技术将有新的飞跃, 包括检测的精准性的提升和反应时间的降低。如利用自适应控制算法和逻辑策略表达, 可以把传统的检测技术提升到一个新的高度。

为了多方面排除类弧负载、负载变动、电磁干扰等因素, 而不发生误动作, 采用现有检测方法的基础上, 同时应该将多参量信息融合, 建立多参量信息融合检测模型, 弥补单一判据的不足, 并融合神经网络、混沌理论、模糊数学等手段, 更全面、更可靠地使直流故障电弧检测的快速性和有效性得以提升。

随着互联网时代的快速发展, 直流故障电弧检测可以借助大数据处理、互联网+、集中管理、云计算等高新技术来发展, 实现直流系统的智能化运维, 提升系统的效率和降低检测到电弧的时间, 有效地降低火灾发生的概率。同时, 借助智能化系统和大数据的运用, 可以将采集到的信息交给云端服务器计算, 达到高效、准确的计算效果。这对电路故障的排除有着很大的帮助。像聚类、神经网络、支持向量机等算法, 都可以给电弧故障检测提供技术支持。算法是数据驱动的, 通过不断地采集各种现实环境的数据并重建模型参数, 就能使直流电弧检测的相关产品的误报率不断下降。

4 结 语

本文总结了直流故障电弧检测技术的应用前景, 从故障电弧发生的原因入手, 并且将电弧进行分类。从3种不同检测方法来介绍当前直流故障电弧检测的主要算法判据; 同时介绍了直流故障电弧检测技术存在的一些问题和注意事项。通过不同电弧故障检测技术的比较, 提出了多参量信息融合的方法, 借助于人工智能技术和互联网技术的发展, 有望极大地推进串联直流电弧检测方面的研究。

The authors have declared that no competing interests exist.

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