破解低压直流系统故障电弧检测和定位难题

1、为什么研究低压直流故障电弧？

低压直流供电具有效率高、不存在无功损耗等优点，广泛应用于光伏发电、电动汽车、大型数据中心等系统中，并且在多电飞机、电气化舰船、直流配用电网领域具有广阔的应用前景。低压直流系统电压不高于1kV，其绝缘水平低、导体截面小、机械强度低，在运行过程中易发生绝缘损坏、导体断线或接触松动，继而在绝缘损坏或接触不良处产生直流电弧。电弧持续燃烧可能引起火灾等事故，影响电气设备的安全可靠运行。因此，防护低压直流系统的电弧故障至关重要。

低压直流系统故障电弧包括串联型电弧和并联型电弧。发生串联型电弧故障时，回路电流减小，串联型电弧故障较并联型电弧故障更难以检测。自上个世纪九十年代起至今，在不同低压直流系统中发生了多起由于故障电弧而导致的事故。2010年，美国国家电气规程要求系统电压高于80V的光伏发电系统必须具有检测和开断电弧故障的断路器（arc-fault circuit interrupter，AFCI）。直流电弧故障的特性和检测方法开始被大量研究。飞机等航空航天设备中通常具有庞大的电缆网络，电缆中发生电弧故障严重威胁航空航天系统的安全运行。电动汽车自燃起火事故中约20%的故障是由于电池外部直流系统短路引起的。低压直流系统中的电弧故障问题引起了世界范围内的广泛关注。

2、低压直流故障电弧研究的现状

2.1 低压直流电弧特性

（1）直流电弧伏安特性

直流电弧随着电流的增大，电弧电压减小，对外呈现负阻特性。学者们通过实验研究直流电弧的伏安特性，利用数学拟合的方法得到直流电弧的伏安特性公式，建立直流电弧等效模型。在稳态伏安特性公式的基础上引入交流分量，模拟直流电弧电压、电流波形中的高频脉冲，得到直流电弧高频分量模型。

（2）直流电弧高频特性

直流电弧电压和电流波形中高频分量，以及电弧产生电磁辐射信号的时频域特性被广泛研究（如图1所示），通常利用傅里叶变换（fast Fourier transform，FFT）和小波变换（wavelet transform，WT）分析时域波形，提取出特征频率范围，有助于形成直流电弧故障检测方法。 

2、2低压直流电弧检测和定位方法

（1）基于辐射特性的方法

国内外学者研究了直流电弧发生时伴随的光、热和电磁辐射现象，并据此提出了基于辐射特性的故障电弧检测方法。事实上，用单一检测参量作特征量总是存在信息不完备的问题，利用多种参量的综合信息对电弧故障进行检测能够提高可靠性。

（2）基于电压和电流时频域阈值的方法

获取低压直流电弧的电压和电流特征检测参量后，需要建立相应的检测判据实现电弧故障的正确检测。阈值法是检测方法中最为普遍采用的方法，即通过持续检测电弧电压或电流特征量并与设定的阈值进行比较来判断直流电弧故障是否发生。阈值法可以分为时域阈值法和频域阈值法。

（3）基于电压和电流模式识别的方法

低压直流系统中可能出现不同类型的直流电弧故障，检测到电弧故障后还需要识别故障类型。模式识别是采用较多的故障识别方法，包括人工神经网络（artificial neural network，ANN）、支持向量机（support vector machine，SVM）、模糊逻辑等。当训练数据集较少时，SVM检测和识别故障的准确率较ANN更高，模糊逻辑方法的准确率则取决于模糊逻辑系统的鲁棒性。