基于直流系統的故障電弧檢測技術的研究

摘 要：電弧故障是電力系統中常見的故障類型，嚴重威脅電力系統的安全穩定運行，且容易引發大型火災等災難性事故。其中直流故障電弧由于不同于交流電弧，沒有過零等特征，很難被傳統的保護方法檢測出來。為促進直流故障電弧檢測技術的發展，闡述了直流故障電弧產生的原因、分類，搭建直流電弧試驗平臺以驗證其特性，對當前故障電弧檢測的研究內容和取得的成果進行分析，重點討論了基于電流、電壓時頻特性的檢測原理和技術方法，最后對直流故障電弧檢測技術的研究方向進行了闡述。

關鍵詞：直流電弧；故障檢測；電弧特性

引言

在當今社會科技飛速發展的今天，大功率電力電子技術得到了廣泛的應用。隨之而來的是直流系統在航天領域、大型電網儲能領域等的普及。在直流系統中，若發生絕緣破損、金屬連接頭松動、高壓線路接地等故障時都可能有直流電弧發生。由于直流故障電弧本身的特性和交流電弧區別很大，很難被傳統的保護裝置檢測并切除。因此對直流故障電弧檢測的研究對保障直流供電系統安全穩定運行具有深遠意義。

1 故障電弧的分類與特性

1.1 故障電弧的分類

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

（1）串聯電弧故障：直流線路中，金屬連接頭松動、導線破損、接線觸點發生松動使電路似接非接時就會產生串型電弧。（2）并聯電弧故障：并聯電弧故障是一種短路故障，發生在導線與導線之間，由導線的絕緣破壞引起。當兩個極性不同的電線并行間距微小時，由于各種原因導致的絕緣破損都可能產生并型電弧。（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生的電弧故障，一般由高壓相線出現絕緣破損引起。

1.2 直流故障電弧特性

直流電弧產生裝置如圖1所示。當兩個電極從接觸相連，到漸漸遠離時，可以模擬實際中，直流系統中線路接觸不良和金屬連接頭松動的情況，產生串聯型直流故障電弧。

（1）直流串型故障電弧發生時，線路電流會突降，電弧兩端電壓增高。如圖2所示。（2）當發生電弧故障時，直流系統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）發生電弧時，在1kHz-100kHz的頻率范圍內，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 直流故障電弧檢測方法研究現狀

2.1 運用于開關柜中的故障電弧檢測方法

國內外科研人員利用電弧產生是會發出光亮、電磁輻射和熱能等物理特性，提出了多種檢測故障電弧的方法。加拿大研究人員Sidhu，Gurdeep Singh， M.S.Sachdev設計了一種應用在電源開關柜的電弧故障檢測裝置[4]，該裝置分別利用天線、紅外接受器和壓力傳感器來檢測發生電弧時所產生聲、光，熱和電磁輻射，而且系統只在各檢測裝置都檢測到電弧發生信號時，才會認定線路中發生了電弧故障。

國外科研人員已開發出了基于電弧弧光檢測的保護系統，例如ABB集團的電弧故障檢測系統、德國穆勒公司應用于低壓開關柜的電弧故障保護系統等。這些系統以線路中電流產生的過流現象以及發生電弧時附帶的弧光作為雙判據，借此判斷產生電弧并提供快速穩妥的線路保護。西安交通大學和大全集團開發了國內首臺開關柜電弧故障檢測裝置[5]，主要應用在電網系統高中壓配電柜的電弧檢測保護，但其造價高，體積大，不適用于航空電氣系統中。上述這些檢測裝置具有很大的局限性，檢測電路中的傳感器安裝位置是特定的，并不適用在長線路大設備中。

2.2 運用于直流電車系統中的電弧故障檢測技術

電動車系統中的直流電壓從14V增加至42V，使得國內外學者對電車中的故障電弧檢測問題愈發重視。Delphi研究室的科研人員Naidu等人發現了在直流系統中，當有電弧故障發生時線路電流會有明顯增降這一特性，進而研制了一種電弧檢測裝置。該裝置對于安裝位置沒有特殊要求且需求設備不多，但是該裝置缺點是當開關閉合后，系統要求負載波動不能太大要盡量平穩，但在實際很多場合中，線路的終端負載不可能不發生變化，所以會造成對檢測故障電弧的誤判。

2.3 運用于光伏系統中的電弧故障檢測技術

在光伏發輸電系統中，電路輸出的伏安特性受外界光照強度和溫度變化的影響巨大。因此，其他領域的檢測方法并不能完全適用于光伏系統中。目前國內外針對光伏系統電弧故障檢測方法的研究，只進行了初步研究。2010年國外科研人員Christian等人利用同軸分流器測量逆變器輸入端電流波形變化情況進行故障電弧檢測。這種基于系統中電流電壓波形變化的檢測技術檢測位置限制小，簡單高效，只需在逆變器上安裝一個電弧檢測裝置就可實現對并型故障電弧高精確度地檢測，成為目前直流故障電弧在光伏領域的研究熱點。但是這種方法也存在缺點，由于光伏系統受外界光照強度和溫度變化等影響，系統輸出電流電壓的幅值波動大，容易對裝置的檢測結果造成重大干擾，所以怎樣有效排除由環境引起的對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技術

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

國外研究人員Jeffery L.Kohler和Jincheng Li建立了應用于直流電車系統的直流故障電弧的電流數學模型，并分析了電弧電流的頻域特性[2]。他們發現，當發生電弧故障時，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分輸出波形變化是由電弧故障引起還是正常負載變化引起的。隨后兩人搭建實驗平臺并驗證了該理論模型的正確性。

國外學者D.L.Schweickart，R.Spyker，J.C.Horwath，等人對航空直流輸電系統中存在的電弧故障問題進行了研究。通過實驗觀察，當發生直流電弧時，系統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]。隨后將測試將得到的三組電流數據進行分析，繪制了一張功率頻譜密度的分布圖，說明發生直流電弧時，在1kHz-100kHz的頻率范圍內，電流的高頻交流諧波分量較其他頻段顯著增多。

由于發現了直流故障電弧中的電流存在上述特性，進一步驗證了在頻域進行故障電弧檢測的可行性。于是快速FFT分析、提升小波分析、神經元網絡算法引入了直流電弧故障檢測中來。Kumar， D.M.V， JamesA.Momoh等人在電弧故障的檢測中將采集到的電流值和電壓值綜合考慮，運用了FFT，得到了功率的FFT分析。FFT分析的結果就可以作為判斷電弧故障的依據[6]。但是，考慮到電源輸出的質量問題、負載性質和變化（如直流變換器引入的高頻干擾）等因素，為減小有可能產生的誤判概率，科研人員又運用了人工神經元網絡算法，將FFT分析后的結果引入神經網絡中，得到了較為準確的結果。

3 直流故障電弧檢測研究的發展方向

針對電弧故障的檢測，國內外學者主要從電弧發生時的物理現象以及時頻域對直流電弧的特性和檢測技術展開研究。但是時域法主要從電流變化率、最大值和平均值等來檢測電弧。這種算法實現簡單，但易受外界環境干擾且只適用于特定條件或對象，范圍狹窄。頻域分析法主要利用電弧發生時引入的大量交流諧波來檢測。這種方法與負載類型關聯性大，需要進行噪音去除等處理，在對電弧信號處理時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該主要以尋找更為有效合理的檢測算法為主，排除外界變化帶來的輸出變化干擾以及電磁干擾，運用模糊數學，神經元網絡等先進的理論成果，結合故障電弧的時頻特性進行分析。這樣既能從整體上感知信號，又能獲得信號的局部更多的特征特性，必將有利于對故障電弧實施快速有效的檢測。

參考文獻

[1]吳春華，閆俊馳，李智華.光伏系統故障電弧檢測技術綜述[J].電源技術，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.開關柜內部故障電弧的在線檢測和保護裝置[J].電工技術學報，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.