新型電力系統(tǒng)下電弧故障診斷技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)

秦譯為,張蓬鶴,宋如楠,祝毛寧

(中國(guó)電力科學(xué)研究院,北京 100192)

0 引 言

能源作為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)和動(dòng)力,關(guān)系到國(guó)計(jì)民生和國(guó)家安全?！笆奈濉睍r(shí)期是系統(tǒng)推進(jìn)我國(guó)能源綠色智慧轉(zhuǎn)型,助力社會(huì)建設(shè)和高質(zhì)量發(fā)展,為實(shí)現(xiàn) “碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)奠定基礎(chǔ)的關(guān)鍵時(shí)期。構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的大前提是能夠確保電力能源安全穩(wěn)定供應(yīng),隨著經(jīng)濟(jì)全球化進(jìn)程不斷加快,以清潔低碳、安全可控、靈活高效、智能友好、開放互動(dòng)為基本特征的新型電力系統(tǒng)建設(shè)正面臨著各種復(fù)雜嚴(yán)峻的技術(shù)挑戰(zhàn),但同時(shí)也催生出了對(duì)新領(lǐng)域的探索和新技術(shù)的需求。面對(duì)我國(guó)以源網(wǎng)荷儲(chǔ)互動(dòng)與多能互補(bǔ)為支撐的電網(wǎng)運(yùn)行現(xiàn)狀,如何保證電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行成為了目前電力系統(tǒng)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。

近年來,隨著高比例、大規(guī)?？稍偕茉吹慕尤牒碗娏﹄娮釉O(shè)備的廣泛應(yīng)用,全球氣候變化不穩(wěn)定因素增加,故障電弧無法精準(zhǔn)診斷識(shí)別成為了制約電氣火災(zāi)精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)和預(yù)防的主要原因,嚴(yán)重威脅供用電安全。根據(jù)應(yīng)急管理部消防救援局公布的數(shù)據(jù),全國(guó)火災(zāi)近五年來?yè)p失嚴(yán)重,電氣原因正是引發(fā)火災(zāi)的主要原因之一(見圖1、圖2),且電氣火災(zāi)中近8成以上是由故障電弧引起的。據(jù)美國(guó)州消防署署長(zhǎng)全國(guó)協(xié)會(huì)分析,故障電弧在美國(guó)引發(fā)電氣火災(zāi)的原因中占比約65%。由此可見,故障電弧引發(fā)的危害不容小視。不僅如此,故障電弧發(fā)生時(shí),其自身阻抗及輻射效應(yīng)將帶來諧波干擾并影響電能質(zhì)量、損壞電氣設(shè)備、影響供電經(jīng)濟(jì)性,同時(shí)由其發(fā)展而來的持續(xù)性高溫極易燒毀系統(tǒng)組件引發(fā)電氣火災(zāi),嚴(yán)重危及人民生命財(cái)產(chǎn)安全和電網(wǎng)可靠性。

圖1 近五年全國(guó)火災(zāi)情況

圖2 2021年全國(guó)火災(zāi)事故原因

現(xiàn)有的故障電弧診斷、識(shí)別等技術(shù)雖然已有研究,但是非線性負(fù)荷及復(fù)雜的氣候環(huán)境因素耦合,導(dǎo)致故障電弧的演變機(jī)理更加復(fù)雜,建模分析精度低與評(píng)價(jià)指標(biāo)單一使得故障電弧不能被快速診斷。隨著新型電力系統(tǒng)的發(fā)展,由于傳統(tǒng)的電弧故障診斷技術(shù)不足以應(yīng)對(duì)日益復(fù)雜的用電場(chǎng)景,目前國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者們對(duì)不同原理的電弧故障診斷技術(shù)開展了研究。文中主要針對(duì)低壓開關(guān)設(shè)備中存在的以空氣為主要介質(zhì)的電弧進(jìn)行分析。首先分析了不同原理的故障電弧診斷技術(shù),為不同需求下的故障電弧診斷方法和保護(hù)裝置的選擇提供參考。其次,對(duì)故障電弧試驗(yàn)檢測(cè)方法及現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了介紹,并展望了未來電弧故障診斷技術(shù)可能的應(yīng)用屬性和應(yīng)用價(jià)值。最后,文章總結(jié)了新型電力系統(tǒng)下電弧故障診斷技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)及發(fā)展趨勢(shì)。

1 故障電弧的特征

1.1 故障電弧的電特性研究

電弧的形成十分復(fù)雜,其產(chǎn)生、燃燒、熄滅這一物理過程時(shí)間短、空間小,對(duì)電極附近鞘層區(qū)的物理機(jī)理尚不明確,很難準(zhǔn)確反映電弧動(dòng)態(tài)形成過程的瞬態(tài)變化規(guī)律。故障電弧又易受到溫度、濕度、氣壓、光照強(qiáng)度及系統(tǒng)內(nèi)多種絕緣結(jié)構(gòu)等復(fù)雜因素的影響,造成電弧參數(shù)的階躍性變化[1]。對(duì)于新型電力系統(tǒng)來說,故障電弧的生長(zhǎng)環(huán)境變化規(guī)律更加復(fù)雜,如分布式光伏等自用儲(chǔ)能用戶以及充電樁等新型負(fù)載的接入,使線路發(fā)生直流故障電弧的概率增加,其特征也會(huì)隨復(fù)雜環(huán)境等因素改變,從而增加用電安全隱患。

從等離子體的微觀角度深入分析電弧的動(dòng)態(tài)過程本源和電參量的變化特性,是揭示電弧物理特性的有效手段。目前研究對(duì)象主要針對(duì)電弧電壓、電流、瞬態(tài)阻抗、功率、能量等電特性,研究?jī)?nèi)容主要包括電弧的伏安特性、阻安特性等,以及其擬合的數(shù)值方程,然后得出電參量變化的相應(yīng)規(guī)律和結(jié)論。文獻(xiàn)[2]依據(jù)高海拔環(huán)境下電弧電壓的變化規(guī)律將分?jǐn)噙^程劃分為四個(gè)階段,推導(dǎo)出相應(yīng)的電弧電壓電流數(shù)值方程,分析不同預(yù)期分?jǐn)嚯娏鳌⒑祥l相角、氣壓和電弧電壓對(duì)分?jǐn)噙^程的影響。文獻(xiàn)[3]分別建立了電弧的等效電阻、電壓、功率與電流、電極間距間的數(shù)值擬合模型,以此獲得了電弧的R-I、V-I、P-I特性。文獻(xiàn)[4]針對(duì)4 A～1 000 A之間的直流電流,研究了電弧場(chǎng)強(qiáng)即每弧長(zhǎng)段的電壓值,并給出了電弧電壓按“無電場(chǎng)腔室”、“交叉場(chǎng)自由電弧”和“交叉場(chǎng)腔室”的順序增加的定性結(jié)論。文獻(xiàn)[5]認(rèn)為電弧產(chǎn)生條件和其涉及的表面狀況不同使得出現(xiàn)的電弧類型也不同,電弧的嚴(yán)重程度由所涉及的電弧表面和電弧電流流動(dòng)路徑?jīng)Q定,并在不同的電壓水平和間隙長(zhǎng)度下記錄兩次電弧事件的電壓特性。除了基本電特性,還有學(xué)者致力于電弧能量特性的研究,如通過對(duì)比滅弧室內(nèi)溫度和氣流流速變化可以分析電弧能量和氣流速度之間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系[6]。通過能量權(quán)重即能量熵概念的應(yīng)用,也可以有效反映故障電弧電流信號(hào)的能量分布[7]。

1.2 故障電弧其他物理特性研究

故障電弧聲、光、熱、磁等其他物理特性也能夠側(cè)面揭示其生長(zhǎng)機(jī)理,國(guó)內(nèi)外已有學(xué)者嘗試研究利用電弧的電磁輻射信號(hào)進(jìn)行故障定位和識(shí)別等新型電力系統(tǒng)下的故障診斷問題[8-10]。

對(duì)于弧聲特性的研究,文獻(xiàn)[11]基于100 A以下小電流和1 kA以上大電流兩種情形下的故障電弧靜態(tài)伏安特性,分析故障電弧的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)和電阻特性,然后研究電流噪聲的強(qiáng)度關(guān)系。文獻(xiàn)[12]根據(jù)電弧的物理狀態(tài),推導(dǎo)出與不同斜率下的頻率平方根成反比的電流噪聲功率譜密度,并將時(shí)域中模擬的噪聲疊加到現(xiàn)有的直流故障電弧模型上,研究不同噪聲對(duì)于電弧特性的影響。

對(duì)弧光特性的研究,文獻(xiàn)[13]通過測(cè)量電弧的光譜和圖像,研究了電弧溫度與光強(qiáng)的關(guān)系。當(dāng)電弧在狹窄的封閉室中被銅線點(diǎn)燃時(shí),光譜儀捕捉到電弧光譜,并用Boltzmann圖法計(jì)算電弧溫度,同時(shí)記錄電弧光譜儀光纖附近點(diǎn)的電弧圖像。發(fā)現(xiàn)光譜儀測(cè)量的弧光強(qiáng)度與電弧溫度直接相關(guān),且溫度的四次方與光強(qiáng)度之間近似呈線性關(guān)系。文獻(xiàn)[14]在小型斷路器中進(jìn)行電流中斷試驗(yàn)和壓力測(cè)量的同時(shí),對(duì)電流零點(diǎn)附近的電弧進(jìn)行光發(fā)射光譜分析。

對(duì)電弧熱特性的研究,文獻(xiàn)[15]對(duì)不同電壓、電阻、電極間隙條件下的放電過程進(jìn)行數(shù)值研究,溫度分布表明電弧的最高溫度會(huì)隨電阻的增大而減小,隨電極間隙的增大呈分?jǐn)?shù)指數(shù)式增加,隨電壓在一定范圍內(nèi)呈現(xiàn)速率減小的線性增長(zhǎng);電弧溫度的提高會(huì)使近弧側(cè)的電極導(dǎo)體具有更高的溫度降速,但該速率會(huì)隨著導(dǎo)體長(zhǎng)度的加大而減小;電極間隙的增大還會(huì)使電弧的最高溫度向尖端電極靠近。考慮到故障電弧發(fā)生過程中熱對(duì)流損失和熱傳導(dǎo)損失,文獻(xiàn)[16]提出了一種基于電-熱能轉(zhuǎn)換的電弧模型,用于模擬220 V電源系統(tǒng)中連續(xù)故障電弧與外電路相互作用的過程。由于該電弧模型是一個(gè)多變量非線性微分方程,該團(tuán)隊(duì)提出了一種基于電流區(qū)域分割的計(jì)算方法,根據(jù)測(cè)量電壓波形中的非光滑連接部分,使得模型參數(shù)可以在每個(gè)電流區(qū)域根據(jù)試驗(yàn)需要獨(dú)立調(diào)整。

1.3 故障電弧的建模類型

1.3.1 數(shù)學(xué)模型

故障電弧數(shù)學(xué)模型主要研究黑盒模型,其研究本質(zhì)上是將電弧當(dāng)作可變阻抗或電阻,只關(guān)注電弧外部即電壓和電流規(guī)律變化情況,而不考慮電弧自身的內(nèi)部屬性。通過各項(xiàng)參數(shù)的數(shù)值精細(xì)化,理論上可以得到較確切的特定開關(guān)器件的電弧模型,比如在基于VHDL-AMS模擬和混合信號(hào)仿真試驗(yàn)中模擬故障電弧黑盒模型的瞬態(tài)行為,以專門用于低壓裝置[17]。但經(jīng)過數(shù)值調(diào)試后的模型不可避免地會(huì)降低準(zhǔn)確度[18]。表1為常見的電弧數(shù)學(xué)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚19-23]。數(shù)學(xué)模型一般對(duì)于大電流電弧具有很好的適配性和準(zhǔn)確度,但是對(duì)于小電流電弧,會(huì)丟失部分電弧特征,存在較大誤差[24],因此國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者們大多數(shù)是基于數(shù)學(xué)-物理模型進(jìn)行電弧特性研究。

表1 常見的電弧數(shù)學(xué)模型

1.3.2 數(shù)學(xué)-物理模型

Cassie模型和Mayr模型是經(jīng)典的數(shù)學(xué)-物理模型代表,二者都在數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上考慮了電弧的散出能量和貯存能量形式,區(qū)別在于前者假定電弧溫度不變,而后者則假定電弧溫度隨電弧軸心徑向距離和時(shí)間改變。這兩種典型模型較數(shù)學(xué)模型具有更廣泛的應(yīng)用范圍。但實(shí)際上電弧能量散出是以這兩種假設(shè)方式結(jié)合進(jìn)行的過程。目前的國(guó)內(nèi)外研究者們嘗試對(duì)電弧的數(shù)學(xué)-物理模型進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新,以適應(yīng)復(fù)雜用電場(chǎng)景的特性研究需求。文獻(xiàn)[25]建立了兩級(jí)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的電弧故障模型電路結(jié)構(gòu),其中的故障電弧模型由Cassie電弧模型和高斯白噪聲模塊復(fù)合而成,通過該模型研究電弧發(fā)生前后電流和電壓的變化。文獻(xiàn)[26]提出了一種改進(jìn)的Mayr模型,將電弧看成一個(gè)時(shí)變阻抗,在“零休”區(qū)間發(fā)生RLC高頻振蕩,模擬了低壓串聯(lián)電弧故障的電流波形,彌補(bǔ)了經(jīng)典電弧模型在阻性負(fù)載和阻感性負(fù)載情況下丟失原本電弧部分特征的缺陷。文獻(xiàn)[27]基于電弧間隙平衡理論,分析了經(jīng)典Mayr模型和Cassie模型的特點(diǎn),建立了Mayr和Cassie合理組合的電弧模型,進(jìn)一步研究了弧長(zhǎng)對(duì)電弧特性的影響,以及接地電弧的物理特性。

基于有限元分析的磁流體動(dòng)力學(xué)(Magnetohydr-odynamic,MHD)模型,是通過不同的仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境選擇不同的邊界條件和計(jì)算域,深入分析故障電弧磁場(chǎng)、氣流場(chǎng)、溫度場(chǎng)等物理場(chǎng)中的能量演變規(guī)律。文獻(xiàn)[28]通過改變間隙的磁場(chǎng)分布使電弧所受的電磁力增加,從而電弧半徑變小加快電弧的熄滅,然后基于COMSOL仿真平臺(tái),根據(jù)MHD理論建立了間隙電弧放電仿真模型。文獻(xiàn)[29]則通過MHD模型模擬電弧的運(yùn)動(dòng)特性,并分析了電弧角中動(dòng)態(tài)直流電弧的數(shù)學(xué)模型。模擬了側(cè)風(fēng)、無風(fēng)和45°風(fēng)向三種氣流,以演示氣流對(duì)電弧移動(dòng)行為的影響。實(shí)驗(yàn)表明三種不同條件下的電弧移動(dòng)行為有很大不同。但是當(dāng)電弧溫度高達(dá)9 000 K時(shí),在各種模擬過程中沒有明顯差異。在試驗(yàn)開始的250 ms后,電弧電壓和電阻逐漸增加,而電弧電流逐漸減小。

相比數(shù)學(xué)模型,數(shù)學(xué)-物理模型詳細(xì)研究電弧的物理過程,特別是對(duì)其能量現(xiàn)象進(jìn)行全面認(rèn)識(shí),根據(jù)能量守恒定律和等離子體特性構(gòu)造方程組,繼而推導(dǎo)出電弧模型[30-32]。但是這類模型更側(cè)重于研究電弧燃熾和熄滅時(shí)的復(fù)雜物理過程,并不適用于與系統(tǒng)配合進(jìn)行電路仿真。目前研究者們開始嘗試構(gòu)建復(fù)合類模型,即據(jù)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景的需要,將單一的兩種數(shù)學(xué)模型或者數(shù)學(xué)-物理模型復(fù)合構(gòu)建,以綜合兩類模型的優(yōu)點(diǎn)。目前在光伏直流故障電弧方面,已有關(guān)于復(fù)合模型的研究成果[33-34]。

2 電弧故障診斷技術(shù)的研究現(xiàn)狀

2.1 基于時(shí)域特征的故障電弧診斷方法

故障電弧的診斷通常包括三個(gè)階段,即特征測(cè)量、特征提取、正常和故障情況的分類與決策[35]。故障電弧的診斷方法見圖3。

圖3 故障電弧的診斷方法

故障電弧發(fā)生時(shí),電流波形往往產(chǎn)生畸變,通過研究電流波形的毛刺、尖峰、平肩等部分波形特點(diǎn),分析比對(duì)故障電弧及正常工況下的電壓和電流的幅值、高變化率等情況,以此作為時(shí)域特征診斷和識(shí)別故障電弧。檢測(cè)電弧電流最直觀的時(shí)域特征就是電流幅值,在檢測(cè)高能電弧電流方面可以表現(xiàn)出良好的性能[36]。其他時(shí)域特征也已用于診斷故障電弧,例如電流變化率、電流波形的幾何特征[37]。另外電壓波形變化也可以用于時(shí)域特征診斷。由于負(fù)載電壓在電弧發(fā)生期間也會(huì)發(fā)生階躍性變化,文獻(xiàn)[38]提出了一種階躍變化檢測(cè)器用來檢測(cè)故障電弧的發(fā)生。文獻(xiàn)[39]利用了分解開閉交替序列(DOCAS)的時(shí)域特征方法檢測(cè)和定位光伏直流故障電弧。由于在DOCAS算法的輸出處生成持續(xù)的隨機(jī)尖峰,其與直流電弧電流、電壓信號(hào)的變化率相關(guān),因此通過捕捉直流故障電弧的電參量信號(hào)來檢測(cè)其發(fā)生率,并在不同的輻照度、故障位置和噪聲條件下對(duì)該方法進(jìn)行了測(cè)試。然而,基于時(shí)域特征的診斷方法需要獲取數(shù)據(jù)、訓(xùn)練數(shù)據(jù)集和定義閾值,因此限制了其廣泛使用。此外,數(shù)學(xué)方法如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)[40-41]、卡爾曼濾波器[42]、模糊邏輯[43]等也已被應(yīng)用于診斷故障電弧的特定模式。

2.2 基于頻域特征的故障電弧診斷方法

基于頻域特征的診斷方法一般通過提取電弧電參量的高頻分量、諧波分量、次諧波分量和互相關(guān)指標(biāo)等進(jìn)行檢測(cè)。頻域特征如故障電弧電流的諧波含量[44],由于其諧波頻率容易被其他故障信號(hào)的諧波頻率所掩蓋,因此需要預(yù)先設(shè)定閾值,再通過快速傅里葉變換(FFT)等數(shù)學(xué)方法比較提取到的諧波和閾值,再進(jìn)行故障判決。但這種方法本身就會(huì)限制其適用性。因此,對(duì)于診斷故障閾值的定義,是避免裝置誤判的關(guān)鍵點(diǎn)。文獻(xiàn)[45]將FFT與ANN相結(jié)合,通過訓(xùn)練特征數(shù)據(jù),以優(yōu)化串聯(lián)電弧故障診斷。基于FFT的諧波特征提取還可以通過小波變換(Wavelet Transform,WT)改進(jìn),以提高故障識(shí)別精度。小波變換方法已被應(yīng)用于診斷電弧故障,如高阻抗(HIF)故障。一般診斷方法是基于電壓或電流信號(hào)的頻域特征分解,或通過將小波變換分解與其他數(shù)學(xué)算法相結(jié)合,如核密度估計(jì)[46]。文獻(xiàn)[47]利用經(jīng)驗(yàn)小波變換(Empirical Wavelet Transform, EWT)進(jìn)行頻譜分割并提取出具有緊支撐的模態(tài)分量,根據(jù)電弧燃弧前后信息熵的熵減分析選取特征分量。為避免噪聲影響,文獻(xiàn)[48]利用小波函數(shù)對(duì)故障電弧電流信號(hào)進(jìn)行處理,分別提取出基于負(fù)載電流波形相似度和小波能量的各頻段特征,并搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。變分模式分解法(VMD)可以克服一些傳統(tǒng)模態(tài)分解算法的混疊和端點(diǎn)效應(yīng),從而提高頻帶質(zhì)量。文獻(xiàn)[49]研究了在并網(wǎng)逆變器啟停和負(fù)載變化條件下,光伏系統(tǒng)故障電弧的診斷方法。采用VMD提取電弧電流信號(hào)的特征頻帶,并計(jì)算相應(yīng)頻帶信號(hào)的香農(nóng)熵來反映信號(hào)復(fù)雜度的變化。選取合適的時(shí)間窗長(zhǎng)度和兩種最優(yōu)檢測(cè)變量,以獲得故障電弧識(shí)別結(jié)果。復(fù)雜環(huán)境噪聲和運(yùn)行擾動(dòng),會(huì)使得光伏系統(tǒng)故障電弧特征減弱,無法通過現(xiàn)有基于小波變換原理的數(shù)字濾波器直接獲得。文獻(xiàn)[50]經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)在大于15.6 kHz的較高頻段中故障電弧特征會(huì)變得較弱,由此提出了基于蟻群算法的隨機(jī)諧振(ACA-SR)方法以增強(qiáng)故障電弧的特征。

2.3 基于時(shí)頻域特征的故障電弧診斷方法

時(shí)頻域特征診斷方法一般被用于串聯(lián)電弧故障檢測(cè),特別是在光伏系統(tǒng)等直流電源的情況下。在大型光伏系統(tǒng)中,故障定位仍然是重大的技術(shù)挑戰(zhàn);在小型光伏電站中,故障檢測(cè)系統(tǒng)的效率則是關(guān)鍵,而效率的高低很大程度上取決于光伏系統(tǒng)的架構(gòu)是否成熟完備[51]。文獻(xiàn)[52]通過提取光伏板出口處的電流波形,研究了并聯(lián)故障電弧的電流特性。對(duì)電弧電流進(jìn)行傅里葉變換,發(fā)現(xiàn)電流的高頻分量主要集中在126 kHz～250 kHz范圍內(nèi)。通過時(shí)頻域特征分析,選擇反向電流最大值、反向電流模極大值以及電弧能量作為檢測(cè)的判據(jù)。文獻(xiàn)[53]提出了采用PCA盲源分離算法,利用PCA推導(dǎo)出合適的指數(shù)以區(qū)別故障電弧的特征量和其他電氣參量,利用時(shí)頻域分析法分離出直流分量、開關(guān)分量和網(wǎng)絡(luò)干擾等非相關(guān)量。此外,電弧故障狀態(tài)與正常狀態(tài)在高頻下的頻譜差異不大,其明顯特征主要分布在低頻區(qū)域。但如果使用傳統(tǒng)的時(shí)頻域診斷方法,例如分解譜較大的小波包分解法,有用的特征則會(huì)只局限于低頻區(qū)域。同時(shí),低頻特性又容易受到環(huán)境因素的影響,這也是傳統(tǒng)電弧故障診斷算法的缺陷。臺(tái)灣科技大學(xué)蔡雪蓉等人選用VMD和支持向量機(jī)(SVM)的自適應(yīng)診斷算法,使用變分模式分解從電流信號(hào)中提取故障信息,然后通過自適應(yīng)特征法篩選每個(gè)頻帶中信號(hào)的統(tǒng)計(jì)信息。最后,將與分類密切相關(guān)的特征作為輸入,輸入粒子群優(yōu)化的支持向量機(jī)進(jìn)行分類[54]。相較于時(shí)域和頻域診斷方法,時(shí)頻域法可以實(shí)現(xiàn)更為精確的檢測(cè),但是時(shí)頻域分解算法也會(huì)帶來更高的計(jì)算復(fù)雜度,效率方面則是該法的缺陷。但是在實(shí)際應(yīng)用中,時(shí)頻域法仍是目前電弧故障診斷中應(yīng)用最廣泛的方法之一。

電力電子設(shè)備現(xiàn)在越來越廣泛地應(yīng)用于光伏系統(tǒng)中,來自電力電子設(shè)備的干擾如開關(guān)器件啟停信號(hào)等將使光伏系統(tǒng)直流故障電弧診斷更加復(fù)雜。因此時(shí)頻域特征分析可以用來區(qū)分干擾信號(hào)和故障電弧。文獻(xiàn)[55]研究發(fā)現(xiàn)電力電子設(shè)備會(huì)嚴(yán)重干擾故障電弧在低頻和開關(guān)頻段的特性行為。通過應(yīng)用自適應(yīng)變換方法,使低頻和開關(guān)頻段的故障電弧特征更明顯,但是在高頻段的性能有所下降。除了電力電子設(shè)備的干擾,在信號(hào)處理過程中存在的問題如小波基函數(shù)的選擇不當(dāng)也會(huì)降低特征提取的準(zhǔn)確性[56]。文獻(xiàn)[57]基于小波包分解的信號(hào)重構(gòu)方法,采用VMD和維格納-維爾分布(WVD)來實(shí)現(xiàn),以獲得故障特征。但該方法在準(zhǔn)確識(shí)別電弧故障特征方面表現(xiàn)出了良好的能力,而瞬態(tài)奇異信號(hào)問題和分解算法計(jì)算效率較低,可能會(huì)限制其在現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用[57]。

2.4 基于其他物理特性的故障電弧診斷方法

僅通過分析電流和電壓特性,有時(shí)難以區(qū)分電弧與其他類電弧特征的瞬態(tài)非電弧信號(hào),這時(shí)可以通過電弧產(chǎn)生的物理效應(yīng)來感應(yīng)。隨著檢測(cè)設(shè)備和診斷技術(shù)的不斷革新,使得高速捕捉并準(zhǔn)確識(shí)別電弧的噪聲、弧光、散熱等物理特征成為可能,為故障電弧診斷提供新的思路。

基于物理特性的非常規(guī)方法包括聲輻射、光輻射、電磁輻射等。電弧會(huì)產(chǎn)生紫外線輻射,因此紫外線脈沖分析已用于診斷故障電弧[58-60]。基于電磁特征的方法和智能算法結(jié)合,也經(jīng)常用于光伏系統(tǒng)電弧故障診斷。文獻(xiàn)[61]開發(fā)出一種基于磁場(chǎng)傳感和自相關(guān)算法的非侵入式電弧故障檢測(cè)器。通過比較周期內(nèi)電弧特征之間的相關(guān)性,可以避免周期性環(huán)境噪聲和電力電子噪聲的影響。但是實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在直流微電網(wǎng)中只有在幾個(gè)特定檢測(cè)點(diǎn)安裝該檢測(cè)器時(shí),才能有效檢測(cè)故障。文獻(xiàn)[62]研究了光伏系統(tǒng)運(yùn)行工況對(duì)電弧電壓、電流與電磁輻射特征參量的影響,分析電弧高頻電磁輻射的產(chǎn)生與傳播機(jī)理,研究基于天線陣列的故障電弧識(shí)別方法,并引入數(shù)據(jù)增強(qiáng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù),提高定位電弧的準(zhǔn)確性和測(cè)試系統(tǒng)的魯棒性。由于故障電弧的特征之一是會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的弧光,電弧閃光故障被歸類為HIF故障,其故障電流比低阻抗觸發(fā)的故障電流幅值更低。因此隱患也更大。文獻(xiàn)[63]利用入射過程中的光譜發(fā)射來識(shí)別故障電弧類型,同時(shí)利用廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法提高電弧類型的識(shí)別速度。文獻(xiàn)[64]通過使用由高通有限沖擊響應(yīng)(FIR)濾波器組成的調(diào)制濾波器組處理故障電弧電流,從而提取弧光故障中電流瞬態(tài)頻率分量的相位。提取電弧閃光故障電流中瞬態(tài)頻率分量的相位可以為準(zhǔn)確快速地檢測(cè)和區(qū)分電弧閃光故障提供特征信息。但該方法對(duì)負(fù)載類型和電弧閃光類型的靈敏度較低。

2.5 故障電弧診斷技術(shù)現(xiàn)面臨的重點(diǎn)難點(diǎn)問題

前文所述故障診斷方法得益于當(dāng)今先進(jìn)的量測(cè)傳感技術(shù)以及高精度、自適應(yīng)性的智能算法。在基于電特性、物理特性等進(jìn)行故障電弧診斷的過程中,目前面臨的重點(diǎn)難點(diǎn)問題見圖4。

圖4 故障電弧診斷技術(shù)的重點(diǎn)難點(diǎn)問題

在采集原始特征數(shù)據(jù)、訓(xùn)練數(shù)據(jù)集以及測(cè)試算法可靠度方面,提出有效的算力成本和可靠的電弧特征監(jiān)測(cè)指標(biāo)要求是目前故障診斷技術(shù)的重點(diǎn)問題。正常電弧和故障電弧區(qū)別主要在于監(jiān)測(cè)其生長(zhǎng)狀態(tài)是否可控,系統(tǒng)應(yīng)該依據(jù)安全管理要求判決是否進(jìn)行手段干預(yù),例如對(duì)于新型電力系統(tǒng)中出現(xiàn)的新型負(fù)載以及分布式光伏等新型儲(chǔ)能,需要重點(diǎn)關(guān)注直流電弧可能帶來的長(zhǎng)時(shí)間尺度下的高溫?fù)p耗和火災(zāi)隱患。

通過搭建模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái),錄電弧復(fù)雜生長(zhǎng)變化過程中的聲光熱等現(xiàn)象,則依靠精細(xì)化監(jiān)測(cè)設(shè)備及儀器,需要電磁學(xué)、材料學(xué)、儀器科學(xué)等多學(xué)科融合實(shí)現(xiàn),這也是電弧診斷技術(shù)的難點(diǎn)所在。同時(shí),為解決新型電力系統(tǒng)中涉及的屏蔽負(fù)載、類電弧等干擾問題,將故障診斷芯片或模塊集成至現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)裝置當(dāng)中,對(duì)于電弧初始模型的適配性和算法準(zhǔn)確度提出了更高要求。

3 故障電弧檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)及試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)

3.1 故障電弧檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

在國(guó)際上,IEC發(fā)布并更新了IEC 62606-2017《General Requirements for Arc Fault Detection Devices》。規(guī)定了電弧故障保護(hù)電器(AFDD)的試驗(yàn)測(cè)試和技術(shù)要求的標(biāo)準(zhǔn)。在此之后又發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)IEC TS 63107：2020,以此補(bǔ)充說明涉及到電力開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備中內(nèi)部集成的電弧故障緩解系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)(American National Standar-ds Institute,ANSI)則先后發(fā)布了由保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室(Underwriters Laboratories,UL)提供的UL 1699-2017《Standard for safety for arc-fault circuit-interr-upters (AFCI)》和UL 1699B Ed. 1-2018《Standard For Photovoltaic (PV) DC Arc-Fault Circuit Protect-ion》。UL-1699主要用于頻率為60 Hz、額定電壓為120 V的系統(tǒng),并規(guī)定AFCI的最大工作電流不得超過30 A。IEC出臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)以故障電弧斷路器和故障電弧探測(cè)器為主要對(duì)象,而ANSI則主要針對(duì)光伏系統(tǒng)中的故障電弧保護(hù)及探測(cè)裝置[65-66]。

國(guó)內(nèi)方面,中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)發(fā)布了同等于IEC 62606-2013、IEC/TR 61641：2014的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 31143-2014和GB/T 18859-2016,并根據(jù)中國(guó)供電電壓和頻率,修改了IEC 62606：2013的一些要求,標(biāo)準(zhǔn)主要針對(duì)50 Hz、220 V交流系統(tǒng),要求AFDD的最大電流必須小于63 A。內(nèi)容對(duì)故障電弧探測(cè)器和低壓成套開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備內(nèi)部電弧故障規(guī)定了必要的試驗(yàn)程序和技術(shù)要求,但目前還未更新。GB 31143標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容包括工作特性試驗(yàn)、耐熱性試驗(yàn)、防銹性試驗(yàn)和機(jī)械特性試驗(yàn)等。工作特性主要包括串聯(lián)電弧故障試驗(yàn)、并聯(lián)電弧故障試驗(yàn)、屏蔽試驗(yàn)和意外跳閘試驗(yàn)。并聯(lián)電弧故障測(cè)試需要75 A或100 A的電流,通常由微型斷路器(MCB)檢測(cè)。同時(shí)在對(duì)產(chǎn)品性能進(jìn)行驗(yàn)證時(shí),要求針對(duì)不同的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)[67]。除此之外,2021年我國(guó)還發(fā)布了關(guān)于光伏系統(tǒng)直流電弧保護(hù)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)[68]。

通過研究故障電弧相關(guān)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn),可以看出電弧故障保護(hù)裝置標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和要求的制定還存在一定問題和不足。例如,評(píng)估串?dāng)_、反饋敏感性、干擾跳閘等不良影響的測(cè)試需要開展進(jìn)一步的試驗(yàn)工作[69]。對(duì)于電弧復(fù)現(xiàn)裝置搭建等模擬實(shí)驗(yàn)方面,國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中都規(guī)定了電極拉弧、碳化電纜、切割電纜等三種主要實(shí)驗(yàn)方式,但每一次實(shí)驗(yàn)后材料會(huì)出現(xiàn)差別,如電纜的燒蝕程度不同對(duì)電弧特性的檢測(cè)結(jié)果造成影響,因此為了保證實(shí)驗(yàn)條件需要每完成一次實(shí)驗(yàn)后更換材料,難免費(fèi)時(shí)費(fèi)力,且不利于低碳環(huán)保。同時(shí),現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的試驗(yàn)環(huán)境相對(duì)較簡(jiǎn)單,并且缺乏實(shí)際故障電弧的性能評(píng)估指標(biāo)如漏判率、誤判率的解釋說明,不足以保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的全面性和可靠性,使得目前故障電弧保護(hù)裝置的監(jiān)測(cè)性能參差不齊,難以保障實(shí)際運(yùn)行中的準(zhǔn)確率。

3.2 故障電弧試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

在試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)方面,目前主要通過故障電弧試驗(yàn)系統(tǒng)開展故障電弧保護(hù)裝置性能的研究。因此專門分析電弧跟蹤效應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和相關(guān)文獻(xiàn)較少。

如前所述,部分導(dǎo)電的電弧軌跡或碳化路徑具有高電阻,限制了電弧電流,因此在使用傳統(tǒng)電路保護(hù)時(shí)難以檢測(cè)。電流沿著導(dǎo)電裂紋流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生間歇性電弧,其能量太低,無法使標(biāo)準(zhǔn)斷路器跳閘。與這些電弧放電相關(guān)的低水平活動(dòng)通常無法干擾正常信號(hào)傳輸,因此難以應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的診斷方法。因此,基于分析電流和電壓波形的傳統(tǒng)方法對(duì)感應(yīng)小電弧放電的靈敏度較低,容易導(dǎo)致AFCI失效[70]。只要電弧電流持續(xù),電弧就會(huì)產(chǎn)生寬頻噪聲(10 kHz～1 GHz),噪聲頻譜中涉及的能量取決于支路和電弧電流。通常通過分析線電流波形及其射頻內(nèi)容來診斷并切斷電弧[71]。電弧故障發(fā)生期間,電流波形的形狀及其諧波含量獨(dú)特且復(fù)雜,因此需要特定的診斷技術(shù)。由于電弧特性難以表征,行為難以預(yù)測(cè),以及難以再現(xiàn)電磁環(huán)境等其他電弧生長(zhǎng)的復(fù)雜環(huán)境條件,恰恰可以根據(jù)檢測(cè)結(jié)果定義保護(hù)裝置的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn),比如對(duì)于弱電弧、類電弧等干擾信號(hào)敏感度越低的,越會(huì)降低誤判率和漏判率;若對(duì)復(fù)雜耦合環(huán)境情形下識(shí)別率越高,則可以認(rèn)為其保護(hù)性能越高。

國(guó)內(nèi)外研究者們?cè)诂F(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)內(nèi)容的基礎(chǔ)上,分別圍繞電弧發(fā)生裝置、負(fù)載類型、信號(hào)提取和處理、試驗(yàn)環(huán)境等幾個(gè)方面進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[72]將閉環(huán)控制的思想引入點(diǎn)接觸式電弧發(fā)生器裝置中,選擇3 A、32 A純電阻線性負(fù)載,開關(guān)電源、真空吸塵器兩種非線性負(fù)載,對(duì)相應(yīng)負(fù)載的引弧試驗(yàn)進(jìn)行了分析并完成了該裝置的研制。文獻(xiàn)[73]借助機(jī)械式故障電弧發(fā)生裝置建立了故障電弧波形數(shù)據(jù)庫(kù),利用信號(hào)隔離、功率放大等模塊,對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的電弧故障波形進(jìn)行還原輸出,可模擬出帶寬在100 kHz以內(nèi)的故障電流波形。文獻(xiàn)[74]則研制了一種可控制環(huán)境溫濕度、觸頭移動(dòng)距離或振動(dòng)的頻率和幅值等分離狀態(tài)的串聯(lián)型故障電弧模擬實(shí)驗(yàn)裝置,模擬在不同工況下產(chǎn)生的串聯(lián)型故障電弧,并可對(duì)環(huán)境溫濕度、電弧電壓、電弧電流進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)。文獻(xiàn)[75]開發(fā)了一種機(jī)電一體化故障電弧測(cè)試平臺(tái),將電弧的電極材料、電壓、電流、電極間隙分離曲線等作為實(shí)驗(yàn)參數(shù)。該測(cè)試平臺(tái)可允許高度重復(fù)性地進(jìn)行電弧電壓和電流波形庫(kù)所需的測(cè)試。該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為分析結(jié)果可用于開發(fā)一種可靠有效的AFDD。但文章中僅以直流電弧發(fā)生系統(tǒng)為例,展示如何比較參數(shù)值的結(jié)果,并未對(duì)其他不同情形的故障電弧進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證說明[75]。

4 新型電力系統(tǒng)下故障電弧診斷技術(shù)未來可能的研究方向

目前,各類診斷方法都有其優(yōu)點(diǎn)和局限性。如何提高現(xiàn)有故障電弧診斷方法的效率和準(zhǔn)確性是后續(xù)研究的重點(diǎn)。結(jié)合前文介紹的故障電弧機(jī)理特性和診斷方法,針對(duì)故障電弧診斷技術(shù)提出幾點(diǎn)未來可能的研究方向：

(1)配電網(wǎng)側(cè)的電壓、電流波形特征(交流、直流、恒頻、工頻、沖擊、脈沖等)會(huì)影響電弧的放電特征及其對(duì)絕緣系統(tǒng)的長(zhǎng)期、慢性影響,可以深入研究故障電弧的內(nèi)在特性機(jī)理;

(2)電動(dòng)汽車等一些新型負(fù)載產(chǎn)生的類電弧信號(hào)會(huì)降低故障電弧保護(hù)裝置的整體性能,繼而對(duì)系統(tǒng)的安全性能產(chǎn)生負(fù)面影響。因此需要識(shí)別類電弧、弱電弧等干擾信號(hào)的各參量特征;

(3)考慮開發(fā)新型的無侵入式診斷技術(shù),快速定位故障電弧的發(fā)生位置,以確保新型電力系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性和穩(wěn)定性;

(4)開發(fā)能夠在極早期跟蹤并檢測(cè)到電弧故障現(xiàn)象的保護(hù)裝置,以免產(chǎn)生重大和不可逆的絕緣損壞。同時(shí)應(yīng)與合適的儀器和信號(hào)處理方法耦合,開發(fā)設(shè)計(jì)在新型電力系統(tǒng)條件下運(yùn)行的具有成本低、尺寸小、響應(yīng)快速的集成式保護(hù)裝置;

(5)考慮研究新型絕緣材料的跟蹤電阻、侵蝕程度和老化狀態(tài)等對(duì)故障電弧的發(fā)展和演變規(guī)律產(chǎn)生的新影響;

(6)考慮到我國(guó)電力系統(tǒng)廣域化的特征,應(yīng)該開展在極端惡劣環(huán)境等特殊性條件下的電弧故障保護(hù)研究。

5 結(jié)束語(yǔ)

在后續(xù)的電弧基礎(chǔ)理論研究中,應(yīng)更加關(guān)注各類型電力電子設(shè)備產(chǎn)生的諧波污染、強(qiáng)磁干擾等因素對(duì)故障電弧的能量傳遞、特性變化的影響,開發(fā)并優(yōu)化適應(yīng)于新型電力系統(tǒng)的電弧故障診斷及識(shí)別算法。如何利用現(xiàn)有的算法技術(shù)深度挖掘故障電弧的時(shí)頻域等特征信息,提升多類型、非線性負(fù)載和復(fù)雜環(huán)境耦合條件下故障電弧的識(shí)別準(zhǔn)確度,是未來故障電弧診斷方法研究的重點(diǎn)。此外,應(yīng)進(jìn)一步規(guī)范故障電弧保護(hù)裝置、試驗(yàn)檢測(cè)等現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容,推動(dòng)輕量級(jí)、高精度、高可靠性、可集成化的電弧診斷芯片或模塊的研制,以促進(jìn)故障電弧診斷技術(shù)的研究進(jìn)展和成果轉(zhuǎn)化。相信隨著故障電弧診斷技術(shù)的不斷進(jìn)步,為故障電弧保護(hù)裝置制定更為廣泛的安裝及使用場(chǎng)景,將會(huì)大幅提高新型電力系統(tǒng)診斷監(jiān)測(cè)的智能化,提升電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性,讓人民共享用電安全的新環(huán)境。