基于直流系統(tǒng)的故障電弧檢測(cè)技術(shù)的研究

摘 要：電弧故障是電力系統(tǒng)中常見的故障類型，嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，且容易引發(fā)大型火災(zāi)等災(zāi)難性事故。其中直流故障電弧由于不同于交流電弧，沒有過零等特征，很難被傳統(tǒng)的保護(hù)方法檢測(cè)出來。為促進(jìn)直流故障電弧檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，闡述了直流故障電弧產(chǎn)生的原因、分類，搭建直流電弧試驗(yàn)平臺(tái)以驗(yàn)證其特性，對(duì)當(dāng)前故障電弧檢測(cè)的研究?jī)?nèi)容和取得的成果進(jìn)行分析，重點(diǎn)討論了基于電流、電壓時(shí)頻特性的檢測(cè)原理和技術(shù)方法，最后對(duì)直流故障電弧檢測(cè)技術(shù)的研究方向進(jìn)行了闡述。

關(guān)鍵詞：直流電弧；故障檢測(cè)；電弧特性

引言

在當(dāng)今社會(huì)科技飛速發(fā)展的今天，大功率電力電子技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。隨之而來的是直流系統(tǒng)在航天領(lǐng)域、大型電網(wǎng)儲(chǔ)能領(lǐng)域等的普及。在直流系統(tǒng)中，若發(fā)生絕緣破損、金屬連接頭松動(dòng)、高壓線路接地等故障時(shí)都可能有直流電弧發(fā)生。由于直流故障電弧本身的特性和交流電弧區(qū)別很大，很難被傳統(tǒng)的保護(hù)裝置檢測(cè)并切除。因此對(duì)直流故障電弧檢測(cè)的研究對(duì)保障直流供電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有深遠(yuǎn)意義。

1 故障電弧的分類與特性

1.1 故障電弧的分類

電弧故障按照發(fā)生原因和形式，可以分為串聯(lián)電弧故障、并聯(lián)電弧故障和接地電弧故障三種[1]。

（1）串聯(lián)電弧故障：直流線路中，金屬連接頭松動(dòng)、導(dǎo)線破損、接線觸點(diǎn)發(fā)生松動(dòng)使電路似接非接時(shí)就會(huì)產(chǎn)生串型電弧。（2）并聯(lián)電弧故障：并聯(lián)電弧故障是一種短路故障，發(fā)生在導(dǎo)線與導(dǎo)線之間，由導(dǎo)線的絕緣破壞引起。當(dāng)兩個(gè)極性不同的電線并行間距微小時(shí)，由于各種原因?qū)е碌慕^緣破損都可能產(chǎn)生并型電弧。（3）接地電弧故障：接地電弧是指相線與地端或接地金屬間產(chǎn)生的電弧故障，一般由高壓相線出現(xiàn)絕緣破損引起。

1.2 直流故障電弧特性

直流電弧產(chǎn)生裝置如圖1所示。當(dāng)兩個(gè)電極從接觸相連，到漸漸遠(yuǎn)離時(shí)，可以模擬實(shí)際中，直流系統(tǒng)中線路接觸不良和金屬連接頭松動(dòng)的情況，產(chǎn)生串聯(lián)型直流故障電弧。

（1）直流串型故障電弧發(fā)生時(shí)，線路電流會(huì)突降，電弧兩端電壓增高。如圖2所示。（2）當(dāng)發(fā)生電弧故障時(shí)，直流系統(tǒng)中電弧電流中有高頻交流分量，而且線路中電流越小交流諧波分量越多[2]。（3）發(fā)生電弧時(shí)，在1kHz-100kHz的頻率范圍內(nèi)，電流的諧波含量明顯增多[3]。（4）直流電流不存在過零，直流電弧不容易熄滅。

2 直流故障電弧檢測(cè)方法研究現(xiàn)狀

2.1 運(yùn)用于開關(guān)柜中的故障電弧檢測(cè)方法

國(guó)內(nèi)外科研人員利用電弧產(chǎn)生是會(huì)發(fā)出光亮、電磁輻射和熱能等物理特性，提出了多種檢測(cè)故障電弧的方法。加拿大研究人員Sidhu，Gurdeep Singh， M.S.Sachdev設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用在電源開關(guān)柜的電弧故障檢測(cè)裝置[4]，該裝置分別利用天線、紅外接受器和壓力傳感器來檢測(cè)發(fā)生電弧時(shí)所產(chǎn)生聲、光，熱和電磁輻射，而且系統(tǒng)只在各檢測(cè)裝置都檢測(cè)到電弧發(fā)生信號(hào)時(shí)，才會(huì)認(rèn)定線路中發(fā)生了電弧故障。

國(guó)外科研人員已開發(fā)出了基于電弧弧光檢測(cè)的保護(hù)系統(tǒng)，例如ABB集團(tuán)的電弧故障檢測(cè)系統(tǒng)、德國(guó)穆勒公司應(yīng)用于低壓開關(guān)柜的電弧故障保護(hù)系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)以線路中電流產(chǎn)生的過流現(xiàn)象以及發(fā)生電弧時(shí)附帶的弧光作為雙判據(jù)，借此判斷產(chǎn)生電弧并提供快速穩(wěn)妥的線路保護(hù)。西安交通大學(xué)和大全集團(tuán)開發(fā)了國(guó)內(nèi)首臺(tái)開關(guān)柜電弧故障檢測(cè)裝置[5]，主要應(yīng)用在電網(wǎng)系統(tǒng)高中壓配電柜的電弧檢測(cè)保護(hù)，但其造價(jià)高，體積大，不適用于航空電氣系統(tǒng)中。上述這些檢測(cè)裝置具有很大的局限性，檢測(cè)電路中的傳感器安裝位置是特定的，并不適用在長(zhǎng)線路大設(shè)備中。

2.2 運(yùn)用于直流電車系統(tǒng)中的電弧故障檢測(cè)技術(shù)

電動(dòng)車系統(tǒng)中的直流電壓從14V增加至42V，使得國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)電車中的故障電弧檢測(cè)問題愈發(fā)重視。Delphi研究室的科研人員Naidu等人發(fā)現(xiàn)了在直流系統(tǒng)中，當(dāng)有電弧故障發(fā)生時(shí)線路電流會(huì)有明顯增降這一特性，進(jìn)而研制了一種電弧檢測(cè)裝置。該裝置對(duì)于安裝位置沒有特殊要求且需求設(shè)備不多，但是該裝置缺點(diǎn)是當(dāng)開關(guān)閉合后，系統(tǒng)要求負(fù)載波動(dòng)不能太大要盡量平穩(wěn)，但在實(shí)際很多場(chǎng)合中，線路的終端負(fù)載不可能不發(fā)生變化，所以會(huì)造成對(duì)檢測(cè)故障電弧的誤判。

2.3 運(yùn)用于光伏系統(tǒng)中的電弧故障檢測(cè)技術(shù)

在光伏發(fā)輸電系統(tǒng)中，電路輸出的伏安特性受外界光照強(qiáng)度和溫度變化的影響巨大。因此，其他領(lǐng)域的檢測(cè)方法并不能完全適用于光伏系統(tǒng)中。目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)光伏系統(tǒng)電弧故障檢測(cè)方法的研究，只進(jìn)行了初步研究。2010年國(guó)外科研人員Christian等人利用同軸分流器測(cè)量逆變器輸入端電流波形變化情況進(jìn)行故障電弧檢測(cè)。這種基于系統(tǒng)中電流電壓波形變化的檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)位置限制小，簡(jiǎn)單高效，只需在逆變器上安裝一個(gè)電弧檢測(cè)裝置就可實(shí)現(xiàn)對(duì)并型故障電弧高精確度地檢測(cè)，成為目前直流故障電弧在光伏領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。但是這種方法也存在缺點(diǎn)，由于光伏系統(tǒng)受外界光照強(qiáng)度和溫度變化等影響，系統(tǒng)輸出電流電壓的幅值波動(dòng)大，容易對(duì)裝置的檢測(cè)結(jié)果造成重大干擾，所以怎樣有效排除由環(huán)境引起的對(duì)電流電壓波形變化干擾這一問題成為了今后一大研究方向。

2.4 電弧故障的頻域檢測(cè)技術(shù)

正是由于單純利用電弧時(shí)域特征來檢測(cè)直流故障電弧存在很大的局限性，所以國(guó)外科研人員又提出了在頻域進(jìn)行電弧故障檢測(cè)方法的研究。

國(guó)外研究人員Jeffery L.Kohler和Jincheng Li建立了應(yīng)用于直流電車系統(tǒng)的直流故障電弧的電流數(shù)學(xué)模型，并分析了電弧電流的頻域特性[2]。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)發(fā)生電弧故障時(shí)，電弧電流中含有高頻交流分量，而且線路中電流越小其交流諧波分量越多。可以利用該特性來區(qū)分輸出波形變化是由電弧故障引起還是正常負(fù)載變化引起的。隨后兩人搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)并驗(yàn)證了該理論模型的正確性。

國(guó)外學(xué)者D.L.Schweickart，R.Spyker，J.C.Horwath，等人對(duì)航空直流輸電系統(tǒng)中存在的電弧故障問題進(jìn)行了研究。通過實(shí)驗(yàn)觀察，當(dāng)發(fā)生直流電弧時(shí)，系統(tǒng)中電壓和電流的波形，分析了直流電弧中電流含有的高頻交流分量[3]。隨后將測(cè)試將得到的三組電流數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，繪制了一張功率頻譜密度的分布圖，說明發(fā)生直流電弧時(shí)，在1kHz-100kHz的頻率范圍內(nèi)，電流的高頻交流諧波分量較其他頻段顯著增多。

由于發(fā)現(xiàn)了直流故障電弧中的電流存在上述特性，進(jìn)一步驗(yàn)證了在頻域進(jìn)行故障電弧檢測(cè)的可行性。于是快速FFT分析、提升小波分析、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)算法引入了直流電弧故障檢測(cè)中來。Kumar， D.M.V， JamesA.Momoh等人在電弧故障的檢測(cè)中將采集到的電流值和電壓值綜合考慮，運(yùn)用了FFT，得到了功率的FFT分析。FFT分析的結(jié)果就可以作為判斷電弧故障的依據(jù)[6]。但是，考慮到電源輸出的質(zhì)量問題、負(fù)載性質(zhì)和變化（如直流變換器引入的高頻干擾）等因素，為減小有可能產(chǎn)生的誤判概率，科研人員又運(yùn)用了人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)算法，將FFT分析后的結(jié)果引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，得到了較為準(zhǔn)確的結(jié)果。

3 直流故障電弧檢測(cè)研究的發(fā)展方向

針對(duì)電弧故障的檢測(cè)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要從電弧發(fā)生時(shí)的物理現(xiàn)象以及時(shí)頻域?qū)χ绷麟娀〉奶匦院蜋z測(cè)技術(shù)展開研究。但是時(shí)域法主要從電流變化率、最大值和平均值等來檢測(cè)電弧。這種算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但易受外界環(huán)境干擾且只適用于特定條件或?qū)ο?，范圍狹窄。頻域分析法主要利用電弧發(fā)生時(shí)引入的大量交流諧波來檢測(cè)。這種方法與負(fù)載類型關(guān)聯(lián)性大，需要進(jìn)行噪音去除等處理，在對(duì)電弧信號(hào)處理時(shí)有很大的局限與不便。

基于上述情況，直流故障電弧的研究應(yīng)該主要以尋找更為有效合理的檢測(cè)算法為主，排除外界變化帶來的輸出變化干擾以及電磁干擾，運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)，神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)等先進(jìn)的理論成果，結(jié)合故障電弧的時(shí)頻特性進(jìn)行分析。這樣既能從整體上感知信號(hào)，又能獲得信號(hào)的局部更多的特征特性，必將有利于對(duì)故障電弧實(shí)施快速有效的檢測(cè)。

參考文獻(xiàn)

[1]吳春華，閆俊馳，李智華.光伏系統(tǒng)故障電弧檢測(cè)技術(shù)綜述[J].電源技術(shù)，2014，38（9）：1768-1770.

[2]Jincheng Li，Jeffery L.Kohler.New Insight into the Detection of High-Impedance ArcingFaults on DC Trolley Systems[J].IEEE Transactions on industry applications，1999，35（5）：1169-1173.

[3]R.Spyker，D.L.Schweickart，J.C.Horwath，et al. An Evaluation of Diagnostic TechniquesRelevant to Arcing Fault Current Interrupters for Direct Current Power Systems in Future Aircraft[J].IEEE，Electrical Insulation Conference and Electrical Manufacturing Expo， 2005.Procedings，USA， IEEE，2005：146-150.

[4] T.S.Sidhu，M.S.Sachdev，G.S. Sagoo.Detection and location of low-level arcing faults inmetal-clad electrical apparatus[J].IEEE，The 7th International Conference on Developments inPower System Protection， Netherlands，IEEE，2001：157-160.

[5]蔡彬，陳德桂，吳銳.開關(guān)柜內(nèi)部故障電弧的在線檢測(cè)和保護(hù)裝置[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2005，20（10）：83-87.

[6]James A.Momoh，Kumar，D.M.V， et al.， Lab VIEW based Implementation Action for DCArcing of Remedial Faults in a Spacecraft[J].IEEE，Power Engineering Society GeneralMeeting（Vol 1），USA，IEEE，2003：91-498.