直流电弧检测

直流电弧检测（共6篇）

直流电弧检测 篇1

引言

在当今社会科技飞速发展的今天, 大功率电力电子技术得到了广泛的应用。随之而来的是直流系统在航天领域、大型电网储能领域等的普及。在直流系统中, 若发生绝缘破损、金属连接头松动、高压线路接地等故障时都可能有直流电弧发生。由于直流故障电弧本身的特性和交流电弧区别很大, 很难被传统的保护装置检测并切除。因此对直流故障电弧检测的研究对保障直流供电系统安全稳定运行具有深远意义。

1故障电弧的分类与特性

1.1故障电弧的分类

电弧故障按照发生原因和形式, 可以分为串联电弧故障、并联电弧故障和接地电弧故障三种[1]。

(1) 串联电弧故障:直流线路中, 金属连接头松动、导线破损、接线触点发生松动使电路似接非接时就会产生串型电弧。 (2) 并联电弧故障:并联电弧故障是一种短路故障, 发生在导线与导线之间, 由导线的绝缘破坏引起。当两个极性不同的电线并行间距微小时, 由于各种原因导致的绝缘破损都可能产生并型电弧。 (3) 接地电弧故障:接地电弧是指相线与地端或接地金属间产生的电弧故障, 一般由高压相线出现绝缘破损引起。

1.2直流故障电弧特性

直流电弧产生装置如图1所示。当两个电极从接触相连, 到渐渐远离时, 可以模拟实际中, 直流系统中线路接触不良和金属连接头松动的情况, 产生串联型直流故障电弧。

(1) 直流串型故障电弧发生时, 线路电流会突降, 电弧两端电压增高。如图2所示。 (2) 当发生电弧故障时, 直流系统中电弧电流中有高频交流分量, 而且线路中电流越小交流谐波分量越多[2]。 (3) 发生电弧时, 在1k Hz-100k Hz的频率范围内, 电流的谐波含量明显增多[3]。 (4) 直流电流不存在过零, 直流电弧不容易熄灭。

2直流故障电弧检测方法研究现状

2.1运用于开关柜中的故障电弧检测方法

国内外科研人员利用电弧产生是会发出光亮、电磁辐射和热能等物理特性, 提出了多种检测故障电弧的方法。加拿大研究人员Sidhu, Gurdeep Singh, M.S.Sachdev设计了一种应用在电源开关柜的电弧故障检测装置[4], 该装置分别利用天线、红外接受器和压力传感器来检测发生电弧时所产生声、光, 热和电磁辐射, 而且系统只在各检测装置都检测到电弧发生信号时, 才会认定线路中发生了电弧故障。

国外科研人员已开发出了基于电弧弧光检测的保护系统, 例如ABB集团的电弧故障检测系统、德国穆勒公司应用于低压开关柜的电弧故障保护系统等。这些系统以线路中电流产生的过流现象以及发生电弧时附带的弧光作为双判据, 借此判断产生电弧并提供快速稳妥的线路保护。西安交通大学和大全集团开发了国内首台开关柜电弧故障检测装置[5], 主要应用在电网系统高中压配电柜的电弧检测保护, 但其造价高, 体积大, 不适用于航空电气系统中。上述这些检测装置具有很大的局限性, 检测电路中的传感器安装位置是特定的, 并不适用在长线路大设备中。

2.2运用于直流电车系统中的电弧故障检测技术

电动车系统中的直流电压从14V增加至42V, 使得国内外学者对电车中的故障电弧检测问题愈发重视。Delphi研究室的科研人员Naidu等人发现了在直流系统中, 当有电弧故障发生时线路电流会有明显增降这一特性, 进而研制了一种电弧检测装置。该装置对于安装位置没有特殊要求且需求设备不多, 但是该装置缺点是当开关闭合后, 系统要求负载波动不能太大要尽量平稳, 但在实际很多场合中, 线路的终端负载不可能不发生变化, 所以会造成对检测故障电弧的误判。

2.3运用于光伏系统中的电弧故障检测技术

在光伏发输电系统中, 电路输出的伏安特性受外界光照强度和温度变化的影响巨大。因此, 其他领域的检测方法并不能完全适用于光伏系统中。目前国内外针对光伏系统电弧故障检测方法的研究, 只进行了初步研究。2010年国外科研人员Christian等人利用同轴分流器测量逆变器输入端电流波形变化情况进行故障电弧检测。这种基于系统中电流电压波形变化的检测技术检测位置限制小, 简单高效, 只需在逆变器上安装一个电弧检测装置就可实现对并型故障电弧高精确度地检测, 成为目前直流故障电弧在光伏领域的研究热点。但是这种方法也存在缺点, 由于光伏系统受外界光照强度和温度变化等影响, 系统输出电流电压的幅值波动大, 容易对装置的检测结果造成重大干扰, 所以怎样有效排除由环境引起的对电流电压波形变化干扰这一问题成为了今后一大研究方向。

2.4电弧故障的频域检测技术

正是由于单纯利用电弧时域特征来检测直流故障电弧存在很大的局限性, 所以国外科研人员又提出了在频域进行电弧故障检测方法的研究。

国外研究人员Jeffery L.Kohler和Jincheng Li建立了应用于直流电车系统的直流故障电弧的电流数学模型, 并分析了电弧电流的频域特性[2]。他们发现, 当发生电弧故障时, 电弧电流中含有高频交流分量, 而且线路中电流越小其交流谐波分量越多。可以利用该特性来区分输出波形变化是由电弧故障引起还是正常负载变化引起的。随后两人搭建实验平台并验证了该理论模型的正确性。

国外学者D.L.Schweickart, R.Spyker, J.C.Horwath, 等人对航空直流输电系统中存在的电弧故障问题进行了研究。通过实验观察, 当发生直流电弧时, 系统中电压和电流的波形, 分析了直流电弧中电流含有的高频交流分量[3]。随后将测试将得到的三组电流数据进行分析, 绘制了一张功率频谱密度的分布图, 说明发生直流电弧时, 在1k Hz-100k Hz的频率范围内, 电流的高频交流谐波分量较其他频段显著增多。

由于发现了直流故障电弧中的电流存在上述特性, 进一步验证了在频域进行故障电弧检测的可行性。于是快速FFT分析、提升小波分析、神经元网络算法引入了直流电弧故障检测中来。Kumar, D.M.V, James A.Momoh等人在电弧故障的检测中将采集到的电流值和电压值综合考虑, 运用了FFT, 得到了功率的FFT分析。FFT分析的结果就可以作为判断电弧故障的依据[6]。但是, 考虑到电源输出的质量问题、负载性质和变化 (如直流变换器引入的高频干扰) 等因素, 为减小有可能产生的误判概率, 科研人员又运用了人工神经元网络算法, 将FFT分析后的结果引入神经网络中, 得到了较为准确的结果。

3直流故障电弧检测研究的发展方向

针对电弧故障的检测, 国内外学者主要从电弧发生时的物理现象以及时频域对直流电弧的特性和检测技术展开研究。但是时域法主要从电流变化率、最大值和平均值等来检测电弧。这种算法实现简单, 但易受外界环境干扰且只适用于特定条件或对象, 范围狭窄。频域分析法主要利用电弧发生时引入的大量交流谐波来检测。这种方法与负载类型关联性大, 需要进行噪音去除等处理, 在对电弧信号处理时有很大的局限与不便。

基于上述情况, 直流故障电弧的研究应该主要以寻找更为有效合理的检测算法为主, 排除外界变化带来的输出变化干扰以及电磁干扰, 运用模糊数学, 神经元网络等先进的理论成果, 结合故障电弧的时频特性进行分析。这样既能从整体上感知信号, 又能获得信号的局部更多的特征特性, 必将有利于对故障电弧实施快速有效的检测。

参考文献

[1]吴春华, 闫俊驰, 李智华.光伏系统故障电弧检测技术综述[J].电源技术, 2014, 38 (9) :1768-1770.

[2]Jincheng Li, Jeffery L.Kohler.New Insight into the Detection of HighImpedance Arcing Faults 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 Techniques Relevant 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 in Power System Protection, Netherlands, IEEE, 2001:157-160.

[5]蔡彬, 陈德桂, 吴锐.开关柜内部故障电弧的在线检测和保护装置[J].电工技术学报, 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 General Meeting (Vol 1) , USA, IEEE, 2003:91-498.

直流电弧检测 篇2

电弧效应是所有电气系统设计时必须面对和解决的问题[1]。根据不同电气系统的运行特点, 电弧大致可以分为交流电弧与直流电弧两类。其中, 直流电弧因并没有交流电弧有自然电流过零的特性, 其电弧效应产生的危害和隐患甚至会更大。尤其在民用飞机领域, 存在大量的直流开关设计环节, 因此直流开关回路的设计质量, 极大的影响着整个飞机电气系统的可靠性和稳定性。因此, 直流电弧开关电弧效应, 长久以来都是民用飞机电气设计人员研究的痛点和焦点所在。

所以为了规避直流开关电弧效应, 对民用飞机电气系统造成不利影响, 在民用飞机直流开关回路设计过程中, 有必要对直流开关电弧效应进行软件建模, 分析其造成的影响程度大小, 并结合系统设计特性, 给出相应的改进方案。

1 直流开关电弧效应国内外研究现状

在电弧物理数学模型研究领域, 国外研究人员早在1939年, 就提出了最初的凯西 (Cassie) 模型。Cassie模型数学机理是将电弧燃烧熄灭的物理过程, 等效为一个动态的随输入电压、输入电流波动的动态电阻, 将其代入所涉及回路中进行数学运算, 最终得到电弧在回路中的运行特性。该模型对电弧的诸多物理参数进行了假设, 可以对交流电弧进行一定程度定性、定量的分析。但是其不能体现直流电压与直流点就对电弧动态特性的影响, 因此对直流电弧的适应性相对较差。

在Cassie模型的基础上, 针对开关直流电弧的特殊性, 国外研究人员进一步提出了梅尔 (MAYR) 电弧模型。MAYR电弧模型, 假设电弧在确定的圆柱形气流通道内放电, 假定圆柱体在电弧放电时间段内体积恒定, 直径不变。以开关断开瞬间, 回路的剩余能量为初始条件, 能量的传到是利用空气电离的特性常数, 对开关电弧从产生、持续最后熄灭的过程进行数学解析, 最终拟合得到开关电弧持续过程中的电压电流曲线。MAYR模型目前已经在直流开关电弧效应的研究中得到了广泛的应用, 是目前比较成熟的电弧模型。

随着20世纪90年代以来计算机仿真技术的飞速发展, 研究人员开始考虑将电弧的物理数学模型与计算机仿真软件有机结合。利用计算机的强大计算能力, 辅助进行电弧这一非线性电气现象的研究。其中, MATLAB/SIMULINK软件作为一款相对成熟的电气仿真软件, 以其强大的模块化电气接口、优异的数学运算速度, 一直以来受到了相关设计人员的广泛青睐。因此, 本文以MATLAB/SIMLINK为仿真环境, 利用MAYR电弧数学模型, 对民用飞机28V直流开关回路电弧效应进行建模, 并给出初步仿真分析结果。

2 基于MATLAB软件直流开关电弧效应仿真分析

本文所构架的基于MATLAB软件直流开关电弧效应仿真模型如图1所示。在主回路中, 供电电源采用飞机28V直流电源, 在电源输入端串入电感, 模拟飞机线路中寄生电感以及阻抗参数。主回路负载是单个直流步进电机阀门, 因该模型是研究直流开关电弧效应, 所以无需对负载侧的控制策略做完整的模拟, 仅需将电机以及控制部分模型简化为如图1所示的等效电感、电阻和电容模块。开关电弧模型在图面显示上示意为一个开关式样, 内部封装了基于MAYR模型的电弧数学模型, 主旨建模思路是将开关关断瞬间, 负载侧电感电容储存的瞬态能量值作为MAYR模型的输入, 根据所假设直流电弧的物理参数, 对电弧运行时电压电流特性进行测算。

本文基于该仿真模型, 对28V步进电机阀门负载关断时开关电弧效应进行了仿真, 仿真结果如图2所示。初始电源电压都加载在负载侧, 开关本身视作无电阻导线, 不承受电压。在0.02S时, 开关开始由开通转为关断状态, 由于步进电机绕组的电感电流无法突变, 电感上存储了一定量的电感能, 因此在关断瞬间产生了约80V的反电势, 反电势与电源电压一起由开关关断所产生的电弧承受。此时, 开关在硬件接触上, 已经从回路断开, 但是由于电感能量泄放需要, 开关触点之间拉出电弧, 电弧电流在极短时间内, 随着反电势电压的下降而减小, 最终电感电流通过电弧释放完毕。

3 结语

本文基于MAYR电弧数学模型, 以及MATLAB电气仿真环境, 搭建了基于民用飞机直流开关关断时产生的电弧回路仿真模型, 并进行了初步仿真。通过仿真结果可以看出, 在负载侧存在感性元件的情况下, 开关关断瞬间, 会产生四五倍电源电压的反电势电压, 随着电感能量的释放, 开关电弧所承受的电压和电流, 经过极短时间下降到稳定值。在此期间, 电弧放电能量, 随着航线运营时间的增长, 开关作动次数的增加, 必然会对直流开关造成不可逆的影响。因此, 有必要设计缓冲回路, 对开关电弧能量释放过程进行优化, 从而延长民用飞机直流开关使用寿命。

摘要：本文首先介绍了民用飞机控制板开关运行过程中电弧效应对系统可能造成的不良影响, 以及电弧效应的国内外研究现状, 然后基于MATLAB/SIMULINK仿真环境, 建立了基于MAYR方程的仿真模型, 对开关电弧效应进行仿真验证, 并给出初步分析结果, 最后验证分析结果的有效性。

关键词：开关电弧,MAYR,仿真分析

参考文献

[1]齐郑, 杨以涵.中性点非有效接地系统单相接地选线技术分析[J].电力系统自动化, 2004, 28 (14) :125.

直流电弧检测 篇3

随着光伏发电的大规模应用，特别是光伏电池板在建筑物屋顶和外墙的大规模使用，多处多地发生了光伏系统火灾意外。对这类事故调查发现，多数电气火灾的原因都指向故障电弧;故障电弧还可使装置带电，威胁操作人员安全[1,2]。为解决这些重要的安全问题，2011年美国电工法规(NEC)规定光伏系统中应配备故障电弧检测装置与断路器，美国保险商实验室(UL)也推出了相应的开发测试方法与机制[3]。

目前国内外对光伏系统直流故障电弧识别方法的研究处于萌芽状态，由于光伏系统中的直流电弧与交流电弧有很大不同，最明显的就是直流电弧不存在因相位改变造成的间歇性周期现象且一旦发生不容易熄灭，基于电流波形的检测方法不再适用[4]。直流电弧故障发生时间和地点难以确定，传统依据电弧放电时伴随的声、光、电磁辐射现象判定电弧发生的方法过度依赖传感器，检测范围有限，也不再适用[5,6]。一些研究者提出的针对电弧的一个或多个电气特性进行阈值检测的方法易误判[7]。本文在研究光伏系统直流故障电弧特性基础上，综合提取电弧发生时有明显变化的时频域特征，借助BP神经网络强大的学习与分类功能有效地进行了光伏系统直流故障电弧的检测。

2 光伏系统直流电弧实验及特性分析

电弧分为串联型和并联型，当一条有负载的电流导线在未预期的情况下扯断或断裂，在其断裂处即会产生串联故障电弧，如图1所示，用S表示;当一个未预期的路径刚好通过两个极性相反的导体之间，则在此路径所发生的意外即为并联故障电弧，如图1所示，用P表示[8]，接地故障电弧是一种并联故障电弧的典型形态。

2.1 光伏系统直流电弧实验

现有的光伏发电系统利用的大多是长串的高压直流光伏电源，而光伏电池系统又有成千上万个接点，因此一般常见的起火源为串联故障电弧[9]。由于直流电弧的随机性和复杂性，尚无精确的电弧模型可以仿真电弧特性[10,11]，故本文直接通过实验数据研究光伏系统直流串联型故障电弧特性，实验装置示意图如图2所示。其中光伏电源是由12个单晶硅光伏组件组成的一个光伏组串，模块参数如表1所示。

数据采集和分析采用研华PCI-1742U采集卡配合上位机Labview软件实现，采集卡具有多个16位高速高精度AD采样通道，最高采样率可达1MS/s，实验中采样频率为200kHz，采样时间为10s，该时间足以包含电弧发生到稳定时的信息。电弧发生器采用与UL1699B标准相符的样本，如图3所示，铜电极直径6mm，塑料管直径略大，填充的铁绒丝用来触发电弧，两者配合模拟实际光伏系统中发生在导线断裂处或连接点接触不良时的串联电弧。实验时一个电极固定，调整另一个移动电极产生固定电极间隙，在电路稳定时断开短路开关产生电弧，此过程为燃弧动作。

为研究光伏电源输出电压电流不同时对直流电弧的影响，固定电极间隙，保持电弧发生位置不变，调整负载使光伏电源稳定工作在不同电压电流工作点，分别进行燃弧动作，采集该过程电弧电压和电流数据进行分析[12]。为研究电弧特性与电极间隙的关系，在同一工作点，保持电弧发生位置不变，设置多个电极间隙进行燃弧动作，获取数据进行分析[13]。为研究电弧特性与电弧发生位置的关系，在同一工作点，相同电极间隙条件下，在光伏电源内不同组件之间连接的位置处进行燃弧动作，获取数据进行分析;表2给出了光伏电源工作在A、B、C三个工作点时不同位置、不同间隙发生电弧时的典型实验结果。图4为电弧电压和电流的典型波形。

注:表中1-2表示在图2中光伏电源的第1个光伏组件和第2个光伏组件之间的位置发生电弧。

由于整个实验电路为串联，电弧电流即为回路电流，回路各处电流具有相同特征，而实际应用中由于电弧发生的时间、位置具有不确定性，想通过检测电弧电压特性进而进行故障电弧的判定很困难。所以本实验中重点对电弧发生时的电流变化进行分析，并以电流的变化特征作为故障电弧检测的依据[14]，而采集的电弧电压信号只作为故障电弧发生时刻的参考点。

参照表2数据，通过大量的实验数据分析可知，若光伏电源工作在小于最大功率点电压Vmpp的区域内，如图5中A、B点所示，在发生电弧时，电流平均值几乎不变;当光伏电源工作点电压在大于Vmpp的范围内如图5中C点所示，在发生电弧时，电流平均值减小;同一工作点同一电极间隙，不同位置发生电弧时，电流平均值几乎不变;同一工作点相同位置，不同电极间隙发生电弧时，电流平均值没有明显变化。而无论哪种情况下，在发生电弧时，电流波动加剧，在采集到的电流数据集上表现为数据的离散度增加即电流标准差σ变大，标准差是方差的算术平方根[15]，其计算公式为:

式中，x1,x2，…，xN为采样值;μ为其平均值。故笔者认为电流平均值突变时未必是故障电弧所致，可能是负载或电源工作点突变，不能作为电弧发生的依据，电流标准差可作为判定故障电弧发生的特征。

2.2 电流频域特性分析

在2.1节实验的基础上对各种实验条件下电弧发生前后采集到的电流信号应用FFT转换到频域进行分析[16]。由于本实验测量系统采样频率fs=200kHz，电流信号为实信号，经FFT算法所得频谱以频率fs/2为界左右对称，故只能对100kHz以下的频率与幅值关系进行研究。图6和图7分别给出了正常状态下和电弧状态下电流时域和频域变化。

由图6和图7可见，电弧发生后，在时域上电流波动加剧，结合表2数据可知电流标准差明显变大，在频谱中1Hz～100kHz范围内的谐波幅值增加，即电弧发生时伴随着电流频域谐波分量的增加。

基于以上讨论，笔者认为电弧发生时电流时域标准差的改变和频域谐波分量的增加可作为光伏系统直流故障电弧识别的指纹。由于电弧产生具有随机性和不确定性，特征量的阈值难以确定，本文借助BP神经网络强大的学习与分类功能对电弧的发生进行模式识别。

3 光伏系统直流电弧模式识别算法

本文采用的模式识别算法是通过大量样本训练找出电弧与非电弧模式之间的差异进行电弧识别的，可避免传统电弧检测法采用某个固定阈值大小判定电弧涉及到的可靠性问题。基于模式识别的电弧检测程序流程如图8所示。为了降低系统噪声、开关切换、负载突变或其他误动作引起的神经网络识别误判率，在首次判定为故障电弧时，经过一个50ms的延时再次启动电弧检测算法。

3.1 特征向量空间选取

采集到的电流数据以移动时间窗的形式进入神经网络进行识别，每个检测周期中时间窗的长度为0.1s，即数据点数N=20000，经过FFT处理后得到的频谱数据量很大，不能直接作为神经网络的输入信号，因为大量的输入数据不仅会增加其规模，降低聚类性，达不到分类效果，而且延长电弧检测周期[16]。为兼顾电弧检测的准确性与实时性，需要对特征向量空间进行优化。本文将时间窗内的数据频谱在归一化频率100kHz以下均分为5个频段，每个频段长度为20kHz，求取每个频段内谐波能量和Wj(j=1,2，…，5),Wj用该频段内各频率点处幅值的平方和表示，然后将Wj和标准差σ作为模式识别输入特征量，降低其维数。由数字信号处理知识[16]可知经FFT后所得电流频谱分辨率为Δf=fs/N=10Hz，谐波能量和Wj计算方法为:

式中，k次谐波频率为fk=kΔf，且20(j-1)kHz<fk<20jk Hz;|A(fk)|表示在频率点fk处谐波分量幅值。最终选择σ、W1～W5组成判别电弧发生的特征向量空间。

3.2 BP神经网络原理与结构设计

BP神经网络在模式识别中应用广泛，是一种有监督学习的多层前馈网络。其主要思想是:输入学习样本，使用反向传播算法对网络的权值和偏差进行反复的调整训练，使输出的向量与期望向量尽可能地接近，当网络输出层的误差平方和小于指定的误差时训练完成，最后保存网络的权值和偏差[17]。BP神经网络隐含层和输出层节点输出模型分别为:

式中，φ、ψ为非线性作用函数;θ、a为神经单元阈值;w为神经单元之间的权值。典型BP网络结构模型如图9所示。

本电弧检测方法中由6个特征量组成特征向量空间，则BP网络输入层神经元节点设6个;输出只有电弧或非电弧状态中的一个模式，所以输出层神经元节点数为1;隐含层神经元节点数设定是神经网络设计的关键，节点数过多会降低网络训练的收敛速度，而节点数过少则会降低神经网络的容错性，使得神经网络对样本的识别能力下降，其节点数一般按式选取[18]，其中，l表示隐含层神经元节点数，n和m分别表示输入、输出神经元节点数，a为经验常数，其大小在1～10之间。经多次训练测试的结果表明，隐含层节点数为9时具有较好的训练速度和识别效果。

3.3 神经网络训练和测试

BP神经网络需要通过样本训练才具有孤岛识别能力，考虑电弧检测的实际效果，在2.1节实验系统上，设计4种事件:(1)不同工作点时发生电弧，(2)不同电极间隙发生电弧，(3)不同位置发生电弧，(4)负载突变，进行样本采集;BP神经网络训练和样本测试情况如表3所示。

经过训练和测试的神经网络可作为图8电弧检测算法中神经网络模式识别模块应用。调整负载使系统稳定工作在图5中B点，分别采集电弧发生和负载突增时的电流信号对电弧检测算法进行离线验证。该算法模块对电弧判定的结果分别如图10和图11所示。

由图10可知，在0.4s时电流波动变大，方差变大，电弧发生，而在0.65s时电弧检测算法给出电弧判定结果，电弧信号由0变为1，电弧检出，电弧检测所用时间仅为0.25s，检测速度很快，满足UL1699B标准对电弧检测时间的要求。

由图11可知，在0.35s时电流突然变小，表明此时负载突增。电弧检测模块没有发出电弧信号，即负载突然增加时没有出现误判。

4 结论

本文搭建了电弧试验系统，在分析光伏系统直流故障电弧特性的基础上，针对串联型电弧发生时电流信号时频域特征的变化，研究了一种基于电流标准差和频域频段谐波能量特征的模式识别方法。该方法提取电流频谱多个频段谐波特征，既能有效捕获电弧发生时区别于其他动作的频域变化信息，又降低了模式识别特征向量空间的维数，增强了算法的聚类性和识别能力。为光伏系统直流电弧故障断路器的研制提供了借鉴。

光伏阵列规模有大有小，负载可为逆变器、DC/DC变换器和蓄电池等，影响故障电弧识别的因素很多[19]。本文只在一个光伏组串电源、纯阻性负载条件下进行初步实验，且实验数据有限，对电弧特性研究及神经网络的训练不够充分，所以后续工作还需要在各种类型光伏系统中进一步测试。

摘要：故障电弧已成为引起光伏产品发生火灾的最常见原因,研究光伏系统中直流故障电弧特性及检测方法对保障光伏系统运行的安全性和可靠性有重要意义。本文设计了光伏系统直流故障电弧测试系统,在光伏电池板不同的工作点下,采集不同电极间隙,不同位置处发生电弧时的电弧电压、电流信号,在研究电弧特性基础上,提取有利于故障电弧模式识别的电流信号的时频特征,通过BP神经网络进行故障电弧的检测。理论分析和实验结果表明了该方法的可行性和有效性。

直流电弧检测 篇4

在电力系统中, 交流串入直流回路, 除了具有金属性直流接地所有的危害外, 还会引起保护装置的误动作, 甚至会损坏继电保护及自动装置。某发电厂发生了一起特殊的由电弧引起的交流串入直流回路的异常情况。

该厂装机容量为3×135MW机组, 每台机配两段6kV厂用工作电源段, 另外, 3台机脱硫系统配专用脱硫段工作电源, 以上每段工作电源段各配一路备用电源段, 并配置微机型备用电源自投装置 (以下简称备自投) 。

在做3#机交流润滑油泵定期合闸试验时, 1#机6kV-Ⅰ段备自投装置启动将该段备用电源开关合闸;在启动3#机交流润滑油泵时, 2#机6kV-Ⅳ段备自投装置启动将该段备用电源开关合闸;同样是在启动交流润滑油泵时, 又发生6kV-Ⅰ段备用电源开关和脱硫段备用电源开关因备自投启动而同时自动合闸;对以上现象进行验证性试验, 又出现6kV-Ⅰ段、Ⅳ段、脱硫段备用电源自投装置同时启动而自动合闸, 3#主变110kV侧开关油泵也自动启动。需要说明的是, 之前交流润滑油泵主电源接触器烧损, 检修人员将其更换为ABB A145型进口接触器, 该接触器较原接触器体积大、重量沉。

此后, 在每次启动3#机交流润滑油泵时, 都会发生不同电源段的备自投装置启动而备用电源开关合闸的情况。备用电源开关合闸时工作电源开关均未跳开, 且交流润滑油泵启动时是不同的电源段或同时或不同时启动合闸。

2 检查及试验情况

2.1 检查情况

异常发生后, 全面检查各段工作电源开关, 运行正常, 各动力设备无异常, 也未启动如给水泵等大功率设备, 录波器及机组DCS历史记录显示电流、电压稳定;观察备自投装置面板上“动作”信号灯亮, 备自投装置事件记录显示为控制台手动切换, 说明是备自投装置启动后备用电源开关合闸, 查看热工DCS系统历史记录, 排除运行人员误操作。

3#机交流润滑油泵为400V低压动力, 其控制箱装设在3#汽机房内, 控制回路为采用电磁型继电器控制的典型接线 (见图1) ;6kV工作、备用电源开关为微机型高压动力测控装置, 对交流润滑油泵及6kV各段工作、备用电源开关辅助接点、控制回路、电缆等的接线、绝缘电阻、屏蔽层等进行全面检查, 均未发现异常情况, 备自投装置各项试验、开关分合良好。

由于6kV各工作电源段及脱硫段开关室与3#机交流润滑油泵之间相隔较远, 在一、二次系统上相互独立, 且测量交流润滑油泵交、直流之间的绝缘电阻良好, 也排除了运行人员误操作原因造成的开关误合闸。唯一存在联系的就是直流电源部分, 1#、2#直流系统正常运行时通过母联连接, 需重点检查3#机交流润滑油泵启动时对直流电源的影响。

2.2 开关分合闸试验

对3#机交流润滑油泵多次进行分合闸试验, 观察各段快切装置动作情况, 结果如下:

1) 用示波器监视6kV-Ⅰ段快切装置直流电源, 将交流润滑油泵交流电源保险断开, 从控制台操作发出交流润滑油泵合闸令, 只发合闸脉冲, 开关不合闸, 此时, 6kV各段备自投装置及开关正常, 未出现误合闸现象, 示波器显示直流电源为一条直线, 无异常。

2) 断开交流润滑油泵直流电源开关, 用手按住交流润滑油泵的合闸继电器HJ, 使润滑油泵带泵启动, 备用电源开关、备自投装置及直流电源波形未出现异常。

3) 断开交流润滑油泵电机, 从控制台操作发出交流润滑油泵合闸令, 此时只空合润滑油泵接触器, 不带油泵, 则发生同正常启动交流润滑油泵时相同的情况, 6kV-Ⅰ段、Ⅳ段及脱硫段快切装置或同时或不同时启动, 相应的备用电源开关合闸, 同时备自投装置内部有继电器抖动的声音, 观察示波器发现直流电源回路中有交流量波形出现。

4) 将交流润滑油泵交、直流电源全部停电, 再次测量交、直流回路之间的绝缘电阻, 为1000MΩ, 无异常。

由此可判断, 交流润滑油泵在启动期间对直流电源系统产生了干扰, 润滑油泵控制回路中, 其交、直流系统之间存在特殊情况下的寄生回路, 因此, 为弄清寄生回路的根源, 做了进一步试验。

启动交流润滑油泵时, 派专人在现场观察控制箱内接触器、继电器等的动作情况。在合闸命令发出后, 发现交流润滑油泵跳闸继电器 (型号为DZ-15) 接点抖动严重, 其接于交流合闸保持回路中的一对常闭接点TJ2在接触器线圈C中的励磁电流流过时, 因抖动产生较为强烈的电弧, 而另一对接在直流跳闸回路中的常开接点TJ1与常闭接点共用动触头, 且两对接点距离较近 (见图2) , 该电弧即是存在于交、直流系统之间的寄生回路, 它将两对分别接在交、直流回路中的接点连接在一起, 交流电源通过该电弧串入直流电源, 造成直流系统接地。

当发生直流接地或交流串入直流系统时, 通过分布电容构成回路, 产生电容电流, 引起一些动作值较低的灵敏继电器动作。

试验中发现, 跳闸继电器之所以抖动, 是因为接触器与跳闸继电器TJ固定在同一横梁上, 且新更换的接触器体积和重量都增大, 合闸瞬间, 接触器由于线圈励磁产生的震动强度较大, 带动继电器震动而引起其接点抖动, 致使接触器线圈励磁电流在流经继电器接点时产生电弧。

另外, 对备自投装置内用于判断工作电源开关位置状态的中间继电器的直流动作功率进行测试, 为0.8W, 当加交流220V交流电压时, 该继电器也会动作。

3 处理措施

1) 将跳闸继电器TJ与接触器的安装在不同的横梁上, TJ改为固定在开关箱下部, 防止因接触器震动受到影响。

2) 将接在交流合闸保持回路中的跳闸继电器常闭接点使用继电器左侧的接点, 而将接在直流跳闸回路中的跳闸继电器常开接点使用继电器右侧的接点, 两对接点不再共用动触头, 且在距离上相隔较远。

3) 将备自投装置内用于判断工作电源开关位置状态的中间继电器更换为大功率继电器, 并采取抗干扰措施, 在中间继电器两端加装RC回路来提高保护中间继电器抗干扰的能力, RC回路既能吸收交流量, 而对直流回路几乎没有影响, 同时还能起到继电器线圈两端续流二极管的消弧作用。RC应根据U=UNe-t/t选择, 保证充电电压不足以使中间继电器动作。

采取以上措施后, 经多次拉合3#机交流润滑油泵, 6kV各段备用电源开关及备自投装置等设备均运行正常, 未出现误动情况。

4 结束语

因电弧引起的交流串入直流回路而造成设备异常的情况比较少见, 其隐蔽性强。当交流串入直流回路后, 相当于在直流系统接地的基础上又增加了一个交流电源, 它比单纯的直流系统接地带来的危害要大, 使直流电源纹波系数远大于2%, 还会对集成电路、微机保护等精密度较高的设备造成伤害, 应认真分析、查找原因, 并采取有效地措施。

摘要：介绍了一起由于电弧引起的交流串入直流回路造成厂用备用电源开关误合闸的异常情况, 通过试验、检查、分析, 找出了异常的原因并采取相应的处理及防范措施。

关键词：电弧,交流,直流

参考文献

[1]蔡仁刚.直流供电原理设计技术[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2000.

[2]能源部西北电力设计院编.电力工程电气设计手册[M] (电气二次部分) , 北京:中国电力出版社, 2005.

直流电弧检测 篇5

中国的“十二五”规划对节能标准化提出了一定的要求:继续开发节能技术、 节能产品的研发和相关标准的研制,不断推进节能新技术和新产品的市场转化,实现低成本、高收益和提高能源效率的目标。节能减排是政府工作的重要内容,我国已发布了近300项节能标准。能效不但是我国实施节能产品认证、标识制度、政府强制采购节能产品制度的必要基础,也是政府推广节能产品政策实施的重要门槛,政府通过建立节能激励政策、实施严格节能管理制度、开展节能工程及活动等体系来实现节能减排的目标。

作为世界上人口最多、经济增长最快的发展中国家,我国的能源形势面临着长期的挑战,目前已经成为煤炭的第一消费大国,油、电的第二消费大国,,并且随着我国的经济规模进一步扩大,对能源的需求还会持续增加,能源问题已成为制约我国经济发展的重要因素。电焊机是金属焊接加工领域主要的耗能用电设备,在过去的几年中,电焊机的耗电量占全国发电总量的比例较高,已被列为国家12类高耗能产品之一,有“电老虎”之称。因此,如何提高电弧焊机产品的能源利用率,使其尽快步入节能减排的“绿色制造”轨道具有非常重要的意义。

1电弧焊机能效

能效即能源利用效率,它反映了产品或设备利用能源的效率质量特性,是评价产品或设备用能性能的一种较为科学的方法。使用“能效”,能够客观地反映产品或设备的用能情况,对产品或设备的能源利用质量进行评价。2013年国家发布了强制性国家标准GB 28736-2012《电弧焊机能效限定值及能效等级》,标准对各类焊机各级能效的限定值都做了明确的规定。电弧焊机能效包括效率、功率因数、 空载电流占额定输入电流的百分比,依据GB/T 8118-2010《电弧焊机通用技术条件》中的检测方法和相应检测设备可以得出电弧焊机能效值。由于逆变弧焊机的生产目前已占主流,并且其输入电流带有较大的谐波电流,故分析逆变焊机的能效检测具有典型意义。本文以AMETEK公司生产的RS系列可编程交流电源和实际使用的市电作为焊机输入电源,结合高精度功率分析仪对逆变电弧焊机能效检测进行了分析。

2几种典型逆变电弧焊机能效检测分析

2.1电源对检测的影响

2.1.1电源容量对检测的影响

运用AMETEK公司RS可编程交流电源作为焊机的输入电源。以ZX7-315C直流手工电弧焊机为例,焊机额定状态下,输入3 ~ 380V,表1为在焊机输入处测得的在不同容量的RS电源供电情况下的电压和电流谐波失真。

从表1可以看出电源容量对电压和电流的谐波失真有一定的影响,电源容量越大电源的阻抗就越小,则电压谐波失真值就小。虽然电源容量对输入电流测量有一定的影响,但对电流大小的影响有不确定性,下面将进一步研究输入电源容量对电流测量的影响。

2.1.2电源质量对检测的影响

运用200KVA调压器作为焊机输入电源,仍以ZX7-315C直流手工电弧焊机为例,焊机额定状态下,输入3 ~ 380V, 图1为输入电压的波形,图2为输入电流的波形。

测得电压谐波失真值UTHD为7.126%, 谐波失真严重导致电流有效值偏小。输入电压已不是“近似正弦波形”,所以在电弧焊机能效的测量中电压谐波失真严重的电源不能用来测量。

2.2典型电弧焊机能效检测分析

通过对大量电弧焊机检测,本文以Hi Ac 500( 气保焊)、ZX7-315C、WSM- 500电弧焊机为例,运用AMETEK中RS可编程交流电源和实际使用的市电进行分析,市电的供电电压在388V ~ 393V之间。三种焊机输入均为3 ~ 380V,在额定状态下,测试电弧焊机的效率(η)、功率因数 (PFN)、空载电流占额定电流的百分比 (I10 / I1N)。为直观起见,功率因数测量并未在额定最大焊接状态进行,但并不影响本文分析。

Hi Ac 500电焊机能效值见表2,输入电压380V,额定输出电流500A,电压39V,输出功率的值为定值。

ZX7-315C电焊机能效值见表3。输入电压380V,额定输出电流315A,电压32.6V,输出功率的值为定值。

WSM-500电焊机能效值见表4。输入电压380V,额定输出电流500A,电压30V,输出功率的值为定值。

使用调压器将电压调至380V,供给焊机作输入电源,测得上述三种弧焊机的有功功率分别为:22.428 k W、12.185k W、18.427 k W。从表中可以得出有功功率扣除测量不确定度的影响,一台电弧焊机生产成型后它的有功功率是确定的,因在额定状态下输出功率是一定值,所以只要电源容量比电焊机容量足够大,电弧焊机的效率测试基本不受电源容量的影响。

电源容量对空载电流和额定输入电流的测定有一定的影响,但没有一定的变化规律,这与各种焊机的电路设计有关。

从表中也可以看出同一电源容量不同功率因数也是不同的,且没有一定的变化规律。功率因数与电流的谐波有关系, 电流谐波越大,功率因数越小。

从表2、3、4中可以看出在不同的电源容量下测出的功率因数是不同的,并与电能质量有关。如果电源容量很大,且电能质量特别好,则功率因数的测量符合要求。实际中电源容量都有限值,测试时被测电焊机容量与试验电源容量之间应满足一定的条件。这两者之间有什么定量关系还需大量的实验数据,且需建立模型分析,可以作为以后研究的方向。

通过以上测试,可以发现谐波电压畸变率对测试结果有影响。即使谐波电压畸变率相差1 ~ 2%,也会对电流和功率因数测试结果产生较大影响。但GB8118- 2010中仅规定在测试时保持输入电压为近似正弦波,具体数值要求未规定,这就有可能造成检测结果的不统一,有待今后进一步完善。

摘要：电弧焊机能效标准实施后,针对效率、功率因数、空载电流占额定输入电流的百分比进行了测量分析。通过试验电源的容量不同,分析了电源对三个参数的影响。然后选择三台典型焊机,通过大量的测试进行分析,找出不同容量和电能质量对三个参数的影响,并从中得出结论。

直流电弧检测 篇6

关键词：电弧故障,启动电流,Mallat算法,DSP,检测系统

1 引言

低压配电线路常因接触不良等情况出现电弧故障,若没及时切断线路,可能导致火灾的发生。有些负载下的电弧故障电流在其额定电流范围之内,传统断路器无法将这类电弧加以准确检测。因此,针对电弧故障特征的分析和研究[1,2],本文提出采用结合多分辨率分析的Mallat快速算法[3]的电弧故障特征提取方法,并实现了低压配电线路电弧故障检测的DSP技术实现。

现阶段国内 外对配电 线路电弧 故障的分析[4,5,6,7,8,9],一般局限于电弧故障和电器额定运行的区分,而实际应用中,各种电器的启动电流远大于额定电流,为了防止误判,必须区分电弧故障和电器启动以确保电弧故障检测的可靠性。

在电弧故障特征仿真分析的基础上,根据配电线路负载在不同运行状态下的电流信号小波分量特点,提出一种基于小波细节分量的自适应电弧故障判断方法,提高了配电线路电弧故障诊断的有效性。

2 Mallat 算法原理

电弧故障电流的特征呈现了“零休”后陡峭的突变特征,而Mallat多尺度小波算法是一种通过时频域局部化来检测突变信号的数据处理方法。本文选用基于三次B样条的二进制小波变换来提取电弧故障特征,该Mallat多尺度算法的数学模型如下:

其中,h- 1= h2= 0. 125; h0= h1= 0. 375; g0= - 2; g1= 2。

式( 1) 表明某一尺度下的光滑分量实际上是对上一尺度的平滑处理,随着尺度增加,信号中的高频成分逐渐被剥离。由于信号中噪声干扰的频率往往较高,因此光滑分量中的噪声成分随着尺度的增加而减少。尺度越高,噪声干扰的剔除作用越显著,但运算量越大,并且故障信号的奇异性也将随尺度增加而削弱。细节分量Sj是对上一尺度Sj - 1光滑分量进行高频分量分解。结合硬件系统实时性的考虑,本文选择第四尺度小波细节分量作为故障判断依据。

3 电弧故障检测及结果分析

3. 1 电弧故障特征的提取

对电弧故障电流信号进行四层小波分解,经比较第四尺度小波分量cd4在区分电弧故障电流和正常电流时的效果最佳,可明显反映电弧故障电流局部奇异特征,故选取其作为电弧故障电流信号的特征量。

不同负载由于额定功率及阻抗特性的差异,不仅表现出正常运行电流或电弧故障电流值存在一定程度的差异,而且不同性质的负载发生电弧故障的电流信号特征还存在着较大的差异。故障电流发生在电阻性负载下会出现“零休现象”,在电感性负载下常出现尖峰突变信号,电子器件负载下则呈现非线性不规则的特征。因此,本文以四种典型的负载为例分析得如表1所示的正常和电弧故障电流的小波分量值cd4。

由表1可知,低压配电线路电弧故障电流的cd4明显大于正常电流的该尺度小波分量,即可将第4尺度小波分量作为特征值,可以有效地判断低压配电线路处于正常运行还是电弧故障产生。

3. 2 典型负载实验分析

由表1可知,发生故障时的电弧电流特征量是其正常电流特征量4倍以上,因此,可将正常电流的小波分量作为基值,故障电弧阈值设置为2. 5倍基值。

在上述实验分析的基础上,仍对表1中四种典型负载的电弧故障与启动电流进行实验测试及其细节分量研究,区分不同负载的正常运行、启动运行与电弧故障。以感性负载微波炉为例,其启动电流和电弧故障电流小波分解如图1所示。

如图1所示,启动时出现较大较陡的电流,但其小波分量仅在该半周内出现较大的值。其特性类似电弧故障,然而其不规则的波动仅出现在极短的时间内。对上述四种负载启动电流和故障电流进行分析,0. 5s时间内大于2. 5倍基值的次数见表2。

表2的数据结果表明,发生电弧故障时,电弧电流信号小波分量2. 5倍基值以上出现的次数明显大于负载启动时出现的次数。因此,通过小波分量cd4的分析,可以有效地辨识电弧故障的发生,并且其有效性也在基于DSP的电弧故障检测系统得到验证。

4 电弧故障检测系统的设计

4. 1 电弧故障检测系统组成

检测系统主要由四个部分组成: 实验模拟线路、电源模块、信号采集模块和中央处理器模块,其工作原理图如图2所示。

本文按照UL1699标准要求自制电弧发生器来模拟配电线路发生串联电弧,它由一根可移动锥形铜棒和一根直径6. 4mm的圆形静止碳棒组成。串联电弧的生成过程要求两个电极先接触且接通电路,然后缓缓分开直至产生电弧。

系统中电源模块同时为采样电路、中央处理模块和脱扣控制模块供电。信号采集模块将对电流传感器二次侧输出的电压信号进行放大和偏置处理。DSP处理器接受的输入模拟电压在0 ~ 3V范围,处理器对所采集的信号进行小波变换、故障判断以及故障处理并采用磁保持继电器作为脱扣装置。

图3为烧水器负载下发生电弧故障检测系统。

4. 2 自适应电弧故障检测软件技术

本文基于DSP的电弧故障检测系统软件流程如图4所示。该系统采用12位A/D转换,暂存区的空间长度取256,经仿真分析,其采样频 率为12. 8k Hz。系统上电初始化以后,启动A / D自动采样和转换,在中断服务程序对A/D采样结果进行实时的小波分解和自适应故障判断,故障发生时将发出脱扣信号断开电路。

4. 2. 1 小波分解边界处理

多尺度小波分解的Mallat塔式递推算法存在边界问题,程序刚启动或者复位后,各尺度的计算结果都不是真实值。计算第四尺度小波分解细节分量W4值,需要由电流信号S0及前三个尺度的小波分解光滑分量S1,S2,S3层层计算出来。准确分析推算一个W4必须由30个输入信号S0获得。因此,在程序判断是否发生故障之前应剔除前29个不准确的第四尺度分量以避免造成故障的误判。

4. 2. 2 自适应故障判断

为了满足该系统检测适用于不同负载的需求,本文提出了一种自适应的故障特征提取,即不同负载根据自身的电流大小及小波分量值自适应调整以确定故障阈值。不同负载都以其额定电流下对应的细节分量最大值Wmax作为基准特征量R,而将其电弧故障阈值设定为2. 5R。

负载运行状态可分成零电流ST1,启动运行ST2,额定运行ST3,故障电弧ST4,增加负载ST5。其中,零电流其小波分量为0,启动运行和故障电弧的小波分量波动比较大,但相对故障电弧启动持续的时间较短,额定运行时其小波分量变换微小且不为0。在多负载的运行下,可能出现ST3→ST5→ST3情况,其小波分量特点与启动运行一样。因此,根据上述五种情况其小波分量特点判断负载的运行状态。基准特征量R是在假设电流模型为ST1→ST2→ST3→ST4的前提下自适应提取的。通过检测负载的额定运行状态ST3,将其小波分量周期最大值确定为该负载基准值R。考虑到故障电弧可能发生在负载的启动或者增加负载的过程( ST1→ST2→ST4或ST3→ST5→ST4下) ,因此程序设计了“增加负载”时间限制,即检测到处于该状态下持续的时间超过了0. 5s,则判定为故障电弧发生在启动或增加负载的过程。

5 结论