針對串聯直流電弧的電容電流時頻檢測方法

劉小軍,熊慶,汲勝昌,祝令瑜

(西安交通大學電力設備電氣絕緣國家重點實驗室,710049,西安)

直流供電具有便于接入儲能設備、節約空間、提高能源使用效率及可靠性高等優點,在大型數據中心、船舶、航空航天、電動汽車等系統中得到了廣泛使用[1-3]。在直流供電系統中,發生絕緣破壞、金屬接頭松動、元件老化、動物嚙咬等情況時都會產生直流電弧故障。直流電弧不同于交流電弧,電流沒有過零點,因而不能自然熄弧,一旦發生,如不能及時發現并處理,由電弧故障燃燒而導致的損失將極為巨大[4-6]。因此,對直流電弧檢測方法的研究具有十分重要的實際意義。

國內外針對直流電弧的特性及檢測開展了大量研究工作。在直流系統中,產生并聯電弧時的回路電流近似為短路電流,可以通過回路首端的熔斷器進行識別;但產生串聯電弧時,電弧通道導電性普遍比金屬導體差,回路電流減小,導致串聯電弧故障難以檢測[7-10]。

根據串聯直流電弧故障產生時伴隨的聲、光、熱等物理特性,以及電壓、電流等參數的時頻特性,學者提出了各種串聯直流電弧故障的檢測方法[11-12]。Seo等人建立了直流電弧模型,并在不同負載工況下對模型進行了驗證,在此基礎上,提出基于電弧頻域特性的檢測方法,能夠區分電弧故障與開關操作兩種不同情況[13]。Telford等人建立了基于直流串聯電弧頻域信號的隱馬爾科夫模型,并對電弧進行檢測,考慮了負載切換時檢測算法的準確性,但更多其他因素對檢測有效性的影響有待深入研究[14]。Oh等人對仿真得到的串聯直流電弧電流進行小波特征值分解,并以得到的小波細節系數與小波近似系數為特征參量,對產生的串聯直流電弧進行檢測,但是該方法缺乏實驗驗證,準確性尚需進一步研究[15]。Taufik等人提出了一種基于電流中244～100 kHz頻帶范圍內頻域幅值變化的直流電弧檢測方法,并制作了直流電弧故障檢測裝置,具有一定的檢測成功率,但提出的方案無法區別電路中正常開關切換操作,易造成檢測裝置的誤判與漏判[16]。

上述直流電弧檢測方法一般都是采集完整的直流電流波形,利用電流的時頻域特性進行診斷。實際上,直流系統工作時正常直流電流幅值較高,會將一些高頻或暫態的故障信息掩蓋,給后續串聯電弧故障的檢測造成極大困難。

本文提出了基于電容電流時頻特性的串聯直流電弧檢測方法,即在直流電源側的并聯濾波電容處,耦合串聯直流電弧故障產生時的高頻電流分量,避免由幅值較大的低頻及直流電流分量帶來的影響。在PSCAD/EMTDC中進行仿真,并搭建串聯電弧試驗平臺進行驗證,分析在電弧故障產生時并聯電容電流的時頻特性,并討論在不同回路電流等級及不同電極材料對并聯電容電流的影響。

1 試驗系統和檢測方法

1.1 試驗系統

UL 1699B標準對光伏系統中電弧故障電路保護問題制定了相關準則,其中建議的串聯直流電弧發生裝置如圖1所示[17-18]。本文所使用的串聯直流電弧發生裝置在UL 1699B中提出的裝置基礎上進行了改進:電弧發生裝置在電弧產生處與外界環境直接接觸,可以更好地模擬串聯直流電弧發生的實際情況。串聯直流電弧發生裝置由機械單元及控制單元兩部分構成,如圖2所示。機械單元由導電塊、固定底座、滑塊、固定電極、移動電極以及導軌等部件組成,固定電極與移動電極分別固定在固定塊與移動塊上。控制單元主要包括步進電機、編程控制器及電源3部分。通過編程控制步進電機,可以實現對移動電極的移動方向、速率以及步長的控制,滿足不同串聯電弧故障情況下的試驗需要。電路正常工作時,將電弧發生裝置串聯在電路中,電路正、負極分別與固定電極、移動電極連接。固定電極與移動電極相互接觸,可以通過電路中的正常工作電流。控制步進電機控制移動電極運動,在移動電極與固定電極間產生串聯直流電弧。

圖1 UL 1699B標準中電弧發生裝置構造

圖2 整流直流源串聯電弧試驗電路圖

試驗系統電路連接情況如圖2所示。系統中使用的直流電源可以輸出0～360 V直流電壓,容量為15 kV·A,電源處濾波電容容為4 700 μF,直流負載為一個功率1 500 W、阻值10 Ω的電爐絲,測量得到電爐絲的電感僅為12 μH,可以將該電爐絲看作一個無感電阻。使用電流探頭(帶寬為0～100 MHz)測量流過電容的電流,電壓探頭測量電弧兩端電壓,霍爾電流傳感器(帶寬為0～200 kHz)測量回路電流。

1.2 檢測方法

當發生直流串聯電弧故障時,會伴隨有特定頻帶的高頻分量[19]。通過檢測電路中的高頻電流幅值,可以較為準確地檢測到電路中的串聯電弧故障[20]。但是在發生電弧故障時,幅值相對更高的正常回路直流電流會覆蓋幅值較低的高頻特征信號,給準確檢測帶來極大困難。

電容器的阻抗與流過本身電流的頻率有關,阻抗值隨電流頻率的增加而減小。因而,對于直流電源輸出端并聯的濾波電容而言,對幅值較高的直流及低頻電流表現為高阻抗,而對幅值較低的高頻電流表現為低阻抗。利用并聯濾波電容這一性質,可以將幅值較低的高頻電流特征信號從回路電流中提取出來,降低了正常回路電流對電弧故障檢測特征信號的干擾,更好地檢測回路中串聯直流電弧。

此外,將電流探頭布置于直流電源側的并聯濾波電容處,即可實現檢測流過并聯濾波電容支路的高頻電流分量,無需額外在直流系統中增加測量回路,避免對系統的影響。

2 串聯電弧故障仿真

2.1 串聯直流電弧擬合伏安特性曲線

根據實測串聯直流電弧電壓和電流擬合伏安特性曲線,保持固定、移動電極間隙距離為2.0 mm不變,在直流系統中調節直流電壓,改變電極兩端電壓。選取電弧燃弧后0.4～0.5 s,電弧達到穩定燃燒時的電弧電流以及電弧電壓進行擬合。黃銅尖電極(曲率半徑為1 mm)在電極距離2 mm時測得的電弧電流、電壓如表1所示。

根據表1中測得的電弧電壓及電流,可擬合得到電弧伏安特性曲線,如圖3所示。所測得的電弧電壓、電流曲線滿足Nottingham公式,因而通過Nottingham公式擬合直流電弧伏安特性[21-22]

表1 5 mm黃銅電極在2 mm間隙下產生電弧的電壓和電流

圖3 電弧伏安特性曲線

2.2 串聯直流電弧仿真

圖4 串聯直流電弧仿真電路

利用PSCAD/EMTDC進行串聯直流電弧仿真,仿真電路如圖4所示。經三相半波整流后的直流電壓作為直流源,輸出電壓為50 V。在電源端并聯RC濾波電路(濾波電容為4 700 μF,并聯電阻為50 Ω),直流負載為10 Ω電阻,使用非線性電阻等效串聯直流電弧,伏安特性與Nottingham公式相同。在非線性電阻兩端并聯一個由延時裝置控制的延時開關,利用開關的通斷來模擬電弧在電路中的產生與熄滅。仿真總時長為0.05 s,在0～0.01 s時間段內,延時開關閉合,將非線性電阻短路;在0.01～0.02 s時間段內,延時開關斷開,非線性電阻接入電路,串聯電弧產生;在0.02～0.05 s時間段內,延時開關再次閉合,串聯電弧熄滅。仿真時間步長為5 ns,流過濾波電容的電流波形如圖5所示。

圖5 仿真電容電流波形

由圖5可見:當回路中產生串聯電弧時,電容電流會出現一個瞬間的正極性突變;在串聯電弧熄滅時,電容電流會出現一個瞬間的負極性突變,且在發生正極性突變時,電容電流變化率為8.761 kA/s,遠大于整流引起的電容電流突變變化率294.5 A/s。

（5）OLT通過此ONT認證請求，并配置該ONT的管理和業務通道，然后把屬于ONT配置通過OMCI/TR069協議把配置下發到ONT上。

對電弧故障前后5 ms的并聯電容電流進行快速傅里葉變換(FFT),電弧故障前后的電容電流頻譜如圖6所示。

圖6 電容電流頻譜仿真結果

對電容電流燃弧前后5～50 kHz頻帶范圍內頻譜分量進行積分,可以得到電弧起始前頻譜積分值為1.31 A·Hz,而電弧起始后頻譜積分值為10.67 A·Hz,頻譜積分明顯增大。因此,通過檢測直流源濾波電容電流,可以檢測電路中串聯電弧的產生。

3 直流系統串聯電弧故障檢測

串聯直流電弧仿真研究表明,并聯電容電流的變化可作為判斷串聯直流電弧產生的判據。本節將通過試驗驗證檢測方法,研究產生串聯電弧故障時并聯電容電流特性及影響因素。

3.1 并聯電容電流特性

采用直徑為5 mm的黃銅尖形材料作為電極,電極移動距離為2 mm、速率為2 mm/s,直流電源輸出為50 V。串聯直流電弧產生的高頻分量頻帶在幾十kHz范圍內,測量電弧產生的高頻信號需要滿足奈奎斯特采樣定律,設置示波器采樣率為200 MHz,采樣時間50 ms。發生串聯直流電弧故障時,電流探頭測得并聯電容電流如圖7所示。

圖7 并聯電容電流波形

對電弧故障前后5 ms的并聯電容電流進行快速傅里葉變換,電弧故障前后的電容電流頻譜如圖8所示。

圖8 燃弧前后電容電流頻譜試驗結果

在圖7中,串聯電弧故障于0時刻產生時,并聯電容電流出現正極性突變。當未產生串聯電弧故障時,流過并聯電容的電流為整流電路產生的電流,且電流突變率為750 A/s。當產生串聯電弧故障時,會有高頻電流分量產生。在高頻回路中,并聯電容表現為低阻抗,高頻電流主要從并聯電容回路流過,電容電流中高頻分量幅值增加,此時的電容電流為正常電流與高頻電流相疊加的電流。因此,當產生串聯電弧故障時,并聯電容電流會出現突變,且此時電容電流變化率為15 kA/s,遠大于正常情況時的電流變化率。試驗結果與仿真結果一致,當電弧產生時,回路中高頻分量增加,并聯電容電流變化率增大,遠大于正常運行時的電容電流變化率。由于實際試驗環境中直流電源輸出電壓與輸入的三相交流電壓有關,受到環境干擾的影響,因此實際輸出的電壓不僅僅含有因整流產生的紋波,還包含有其他頻率分量,導致實際測得的電容電流變化率高于仿真結果的電容電流變化率。

對電容電流燃弧前后的頻譜5～50 kHz范圍內的頻率分量進行積分,積分值由燃弧前的104.10 A·Hz增加為燃弧后的169.76 A·Hz,差值為65.66 A·Hz。燃弧前后頻譜積分值的變化與仿真結果一致。由此可見,電容電流變化率及頻譜中高頻分量的變化,能夠作為檢測串聯直流電弧故障的判據。

3.2 回路電流幅值對并聯電容電流的影響

(a)5 A回路電流

(b)10 A回路電流

(c)15 A回路電流

表2 不同回路電流時電容電流變化率及頻譜積分差值

由表2可知,不同回路電流條件下,并聯電容電流在電弧故障產生時的電流變化率均較大,且隨回路電流幅值的增加而增加。電弧故障前后電容電流5～50 kHz頻帶積分差值與回路電流呈正相關。隨著回路電流的增加,電極表面單位時間內流過的電子數量增加,放電有效電子數量增加,使得電極之間的放電時延更短,放電更加劇烈,因而伴隨電弧故障產生的高頻電流分量幅值隨之增加。體現在并聯電容電流上的結果即是,在產生電弧故障時,電容電流變化率隨回路電流幅值的增加而增加,燃弧后頻譜積分與燃弧前頻譜積分差值也隨回路電流幅值的增加而增加。

3.3 電極材料對并聯電容電流的影響

分別采用半徑為5 mm的不銹鋼尖形材料、鋁尖形材料以及紫銅尖形材料作為電弧產生裝置上的電極進行試驗,電極移動距離為2 mm、速率為2 mm/s,直流源輸出電壓為50 V。采用不同電極材料產生串聯電弧時的并聯電容電流如圖10所示。不同電極材料產生串聯電弧的電容電流變化趨勢一致,說明電容電流及變化規律不隨電極材料的變化而變化。

采用不銹鋼、鋁及紫銅電極產生串聯電弧時,分別測量并聯電容電流在電弧故障時刻(0時刻)的電流變化率,并對電弧故障前后5 ms并聯電容電流5～50 kHz頻帶范圍內進行積分。不同電極材料產生串聯電弧時,并聯電容的電流變化率及頻譜積分差值如表3所示。并聯電容電流變化率均大于10 kA/s,電容電流在電弧故障前后的頻譜積分差值隨電極材料的變化而變化,其中不銹鋼電極時的積分差值最大,之后依次為紫銅、鋁及黃銅電極。電流變化率隨電極材料的變化趨勢與頻譜積分差值相反,黃銅電極的電流變化率最大,其后依次為鋁、紫銅以及不銹鋼電極。

(a)不銹鋼電極

(b)鋁電極

(c)紫銅電極

不同電極材料的冶金特性如表4所示[23]。不銹鋼的沸點最高,之后依次是紫銅、鋁以及黃銅。對于4種電極材料而言,沸點越高,產生電弧前后電容電流頻譜積分差值越大,產生電弧時刻電容電流變化率越小。高沸點材料在較高的溫度時會汽化,產生足夠的金屬蒸汽,此時電極表面積累的能量較高[24-25],因而高沸點材料電極產生電弧時,電弧能量較高,產生的高頻分量幅值也隨之增大,電弧故障前后的頻譜積分差值隨沸點的增加而增大。此外,隨著電極材料沸點的提高,電極表面溫度提高所需的時間也隨之增加,電流變化率與該時間成反比關系,因而電流變化率隨著電極材料沸點的升高而降低。

表3 不同電極材料時電容電流變化率及頻譜積分差值

表4 不同電極材料的冶金特性

3.4 串聯電弧檢測方法分析

本文以直流電源輸出端并聯電容電流作為串聯直流電弧故障的檢測參數,這種方式簡單易行,對于傳感器位置沒有特殊要求。對于有濾波單元的直流電源,無需另外在電源輸出側并聯電容,只需要測量流過濾波電容的電流即可檢測直流系統中的串聯電弧故障。此外,測量電源輸出端并聯電容電流,可以有效避免直流電流的影響,提高系統中串聯直流電弧故障檢測的精確性。

分析不同回路電流條件下產生串聯電弧的電容電流發現,其變化率及在電弧故障前后的頻譜積分差值均隨回路電流的增大而增大,且在較小的回路電流條件下,電容電流變化率高達為16 kA/s,頻譜積分差值為65.66 A·Hz。當電極材料發生改變時,電容電流變化率隨材料沸點的增加有所降低,而頻譜積分差值隨材料沸點的增加而增大,但不影響對串聯直流電弧故障的檢測。因此,以并聯電容電流變化率及電流頻譜在電弧故障產生前后的積分差值作為檢測串聯直流電弧故障的判據是可行的。

4 結 論

本文提出了基于直流電源側并聯電容電流時頻特性的串聯電弧檢測方法。對檢測方法進行了仿真及試驗研究,分析了電流幅值及電極材料對并聯電容電流檢測判據的影響,主要得到以下結論。

(1)產生串聯直流電弧故障時會伴隨產生高頻電流分量,該分量會流過電源側并聯電容,并聯電容電流出現突變。

(2)產生串聯電弧時,并聯電容電流變化率隨著回路電流幅值的增加而增加;電弧產生前后,電容電流在5～50 kHz頻帶內的積分差值與回路電流幅值成正比例。

(3)并聯電容電流變化率及頻譜積分差值與電極材料的沸點有關,其中電流變化率與沸點成反比,而電流頻譜積分差值與其成正比。

(4)并聯電容電流的變化率及頻譜積分差值具有足夠的分辨率,能夠應用于串聯直流電弧故障檢測。