新型電力系統下電弧故障診斷技術及發展趨勢

秦譯為,張蓬鶴,宋如楠,祝毛寧

(中國電力科學研究院,北京 100192)

0 引 言

能源作為經濟社會發展的重要基礎和動力,關系到國計民生和國家安全?！笆奈濉睍r期是系統推進我國能源綠色智慧轉型,助力社會建設和高質量發展,為實現 “碳達峰、碳中和”目標奠定基礎的關鍵時期。構建新型電力系統的大前提是能夠確保電力能源安全穩定供應,隨著經濟全球化進程不斷加快,以清潔低碳、安全可控、靈活高效、智能友好、開放互動為基本特征的新型電力系統建設正面臨著各種復雜嚴峻的技術挑戰,但同時也催生出了對新領域的探索和新技術的需求。面對我國以源網荷儲互動與多能互補為支撐的電網運行現狀,如何保證電網安全可靠運行成為了目前電力系統研究領域的熱點。

近年來,隨著高比例、大規?？稍偕茉吹慕尤牒碗娏﹄娮釉O備的廣泛應用,全球氣候變化不穩定因素增加,故障電弧無法精準診斷識別成為了制約電氣火災精準監測和預防的主要原因,嚴重威脅供用電安全。根據應急管理部消防救援局公布的數據,全國火災近五年來損失嚴重,電氣原因正是引發火災的主要原因之一(見圖1、圖2),且電氣火災中近8成以上是由故障電弧引起的。據美國州消防署署長全國協會分析,故障電弧在美國引發電氣火災的原因中占比約65%。由此可見,故障電弧引發的危害不容小視。不僅如此,故障電弧發生時,其自身阻抗及輻射效應將帶來諧波干擾并影響電能質量、損壞電氣設備、影響供電經濟性,同時由其發展而來的持續性高溫極易燒毀系統組件引發電氣火災,嚴重危及人民生命財產安全和電網可靠性。

圖1 近五年全國火災情況

圖2 2021年全國火災事故原因

現有的故障電弧診斷、識別等技術雖然已有研究,但是非線性負荷及復雜的氣候環境因素耦合,導致故障電弧的演變機理更加復雜,建模分析精度低與評價指標單一使得故障電弧不能被快速診斷。隨著新型電力系統的發展,由于傳統的電弧故障診斷技術不足以應對日益復雜的用電場景,目前國內外專家學者們對不同原理的電弧故障診斷技術開展了研究。文中主要針對低壓開關設備中存在的以空氣為主要介質的電弧進行分析。首先分析了不同原理的故障電弧診斷技術,為不同需求下的故障電弧診斷方法和保護裝置的選擇提供參考。其次,對故障電弧試驗檢測方法及現行標準進行了介紹,并展望了未來電弧故障診斷技術可能的應用屬性和應用價值。最后,文章總結了新型電力系統下電弧故障診斷技術面臨的挑戰及發展趨勢。

1 故障電弧的特征

1.1 故障電弧的電特性研究

電弧的形成十分復雜,其產生、燃燒、熄滅這一物理過程時間短、空間小,對電極附近鞘層區的物理機理尚不明確,很難準確反映電弧動態形成過程的瞬態變化規律。故障電弧又易受到溫度、濕度、氣壓、光照強度及系統內多種絕緣結構等復雜因素的影響,造成電弧參數的階躍性變化[1]。對于新型電力系統來說,故障電弧的生長環境變化規律更加復雜,如分布式光伏等自用儲能用戶以及充電樁等新型負載的接入,使線路發生直流故障電弧的概率增加,其特征也會隨復雜環境等因素改變,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態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。目前研究對象主要針對電弧電壓、電流、瞬態阻抗、功率、能量等電特性,研究內容主要包括電弧的伏安特性、阻安特性等,以及其擬合的數值方程,然后得出電參量變化的相應規律和結論。文獻[2]依據高海拔環境下電弧電壓的變化規律將分斷過程劃分為四個階段,推導出相應的電弧電壓電流數值方程,分析不同預期分斷電流、合閘相角、氣壓和電弧電壓對分斷過程的影響。文獻[3]分別建立了電弧的等效電阻、電壓、功率與電流、電極間距間的數值擬合模型,以此獲得了電弧的R-I、V-I、P-I特性。文獻[4]針對4 A～1 000 A之間的直流電流,研究了電弧場強即每弧長段的電壓值,并給出了電弧電壓按“無電場腔室”、“交叉場自由電弧”和“交叉場腔室”的順序增加的定性結論。文獻[5]認為電弧產生條件和其涉及的表面狀況不同使得出現的電弧類型也不同,電弧的嚴重程度由所涉及的電弧表面和電弧電流流動路徑決定,并在不同的電壓水平和間隙長度下記錄兩次電弧事件的電壓特性。除了基本電特性,還有學者致力于電弧能量特性的研究,如通過對比滅弧室內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爭關系[6]。通過能量權重即能量熵概念的應用,也可以有效反映故障電弧電流信號的能量分布[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面揭示其生長機理,國內外已有學者嘗試研究利用電弧的電磁輻射信號進行故障定位和識別等新型電力系統下的故障診斷問題[8-10]。

對于弧聲特性的研究,文獻[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伏安特性,分析故障電弧的穩態工作點和電阻特性,然后研究電流噪聲的強度關系。文獻[12]根據電弧的物理狀態,推導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,并將時域中模擬的噪聲疊加到現有的直流故障電弧模型上,研究不同噪聲對于電弧特性的影響。

對弧光特性的研究,文獻[13]通過測量電弧的光譜和圖像,研究了電弧溫度與光強的關系。當電弧在狹窄的封閉室中被銅線點燃時,光譜儀捕捉到電弧光譜,并用Boltzmann圖法計算電弧溫度,同時記錄電弧光譜儀光纖附近點的電弧圖像。發現光譜儀測量的弧光強度與電弧溫度直接相關,且溫度的四次方與光強度之間近似呈線性關系。文獻[14]在小型斷路器中進行電流中斷試驗和壓力測量的同時,對電流零點附近的電弧進行光發射光譜分析。

對電弧熱特性的研究,文獻[15]對不同電壓、電阻、電極間隙條件下的放電過程進行數值研究,溫度分布表明電弧的最高溫度會隨電阻的增大而減小,隨電極間隙的增大呈分數指數式增加,隨電壓在一定范圍內呈現速率減小的線性增長;電弧溫度的提高會使近弧側的電極導體具有更高的溫度降速,但該速率會隨著導體長度的加大而減小;電極間隙的增大還會使電弧的最高溫度向尖端電極靠近?？紤]到故障電弧發生過程中熱對流損失和熱傳導損失,文獻[16]提出了一種基于電-熱能轉換的電弧模型,用于模擬220 V電源系統中連續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多變量非線性微分方程,該團隊提出了一種基于電流區域分割的計算方法,根據測量電壓波形中的非光滑連接部分,使得模型參數可以在每個電流區域根據試驗需要獨立調整。

1.3 故障電弧的建模類型

1.3.1 數學模型

故障電弧數學模型主要研究黑盒模型,其研究本質上是將電弧當作可變阻抗或電阻,只關注電弧外部即電壓和電流規律變化情況,而不考慮電弧自身的內部屬性。通過各項參數的數值精細化,理論上可以得到較確切的特定開關器件的電弧模型,比如在基于VHDL-AMS模擬和混合信號仿真試驗中模擬故障電弧黑盒模型的瞬態行為,以專門用于低壓裝置[17]。但經過數值調試后的模型不可避免地會降低準確度[18]。表1為常見的電弧數學經驗模型[19-23]。數學模型一般對于大電流電弧具有很好的適配性和準確度,但是對于小電流電弧,會丟失部分電弧特征,存在較大誤差[24],因此國內外專家學者們大多數是基于數學-物理模型進行電弧特性研究。

表1 常見的電弧數學模型

1.3.2 數學-物理模型

Cassie模型和Mayr模型是經典的數學-物理模型代表,二者都在數學模型的基礎上考慮了電弧的散出能量和貯存能量形式,區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間改變。這兩種典型模型較數學模型具有更廣泛的應用范圍。但實際上電弧能量散出是以這兩種假設方式結合進行的過程。目前的國內外研究者們嘗試對電弧的數學-物理模型進行改進和創新,以適應復雜用電場景的特性研究需求。文獻[25]建立了兩級光伏并網系統的電弧故障模型電路結構,其中的故障電弧模型由Cassie電弧模型和高斯白噪聲模塊復合而成,通過該模型研究電弧發生前后電流和電壓的變化。文獻[26]提出了一種改進的Mayr模型,將電弧看成一個時變阻抗,在“零休”區間發生RLC高頻振蕩,模擬了低壓串聯電弧故障的電流波形,彌補了經典電弧模型在阻性負載和阻感性負載情況下丟失原本電弧部分特征的缺陷。文獻[27]基于電弧間隙平衡理論,分析了經典Mayr模型和Cassie模型的特點,建立了Mayr和Cassie合理組合的電弧模型,進一步研究了弧長對電弧特性的影響,以及接地電弧的物理特性。

基于有限元分析的磁流體動力學(Magnetohydr-odynamic,MHD)模型,是通過不同的仿真實驗環境選擇不同的邊界條件和計算域,深入分析故障電弧磁場、氣流場、溫度場等物理場中的能量演變規律。文獻[28]通過改變間隙的磁場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,根據MHD理論建立了間隙電弧放電仿真模型。文獻[29]則通過MHD模型模擬電弧的運動特性,并分析了電弧角中動態直流電弧的數學模型。模擬了側風、無風和45°風向三種氣流,以演示氣流對電弧移動行為的影響。實驗表明三種不同條件下的電弧移動行為有很大不同。但是當電弧溫度高達9 000 K時,在各種模擬過程中沒有明顯差異。在試驗開始的250 ms后,電弧電壓和電阻逐漸增加,而電弧電流逐漸減小。

相比數學模型,數學-物理模型詳細研究電弧的物理過程,特別是對其能量現象進行全面認識,根據能量守恒定律和等離子體特性構造方程組,繼而推導出電弧模型[30-32]。但是這類模型更側重于研究電弧燃熾和熄滅時的復雜物理過程,并不適用于與系統配合進行電路仿真。目前研究者們開始嘗試構建復合類模型,即據實驗場景的需要,將單一的兩種數學模型或者數學-物理模型復合構建,以綜合兩類模型的優點。目前在光伏直流故障電弧方面,已有關于復合模型的研究成果[33-34]。

2 電弧故障診斷技術的研究現狀

2.1 基于時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階段,即特征測量、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

故障電弧發生時,電流波形往往產生畸變,通過研究電流波形的毛刺、尖峰、平肩等部分波形特點,分析比對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,以此作為時域特征診斷和識別故障電弧。檢測電弧電流最直觀的時域特征就是電流幅值,在檢測高能電弧電流方面可以表現出良好的性能[36]。其他時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域特征診斷。由于負載電壓在電弧發生期間也會發生階躍性變化,文獻[38]提出了一種階躍變化檢測器用來檢測故障電弧的發生。文獻[39]利用了分解開閉交替序列(DOCAS)的時域特征方法檢測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的隨機尖峰,其與直流電弧電流、電壓信號的變化率相關,因此通過捕捉直流故障電弧的電參量信號來檢測其發生率,并在不同的輻照度、故障位置和噪聲條件下對該方法進行了測試。然而,基于時域特征的診斷方法需要獲取數據、訓練數據集和定義閾值,因此限制了其廣泛使用。此外,數學方法如人工神經網絡(ANN)[40-41]、卡爾曼濾波器[42]、模糊邏輯[43]等也已被應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指標等進行檢測。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的諧波頻率所掩蓋,因此需要預先設定閾值,再通過快速傅里葉變換(FFT)等數學方法比較提取到的諧波和閾值,再進行故障判決。但這種方法本身就會限制其適用性。因此,對于診斷故障閾值的定義,是避免裝置誤判的關鍵點。文獻[45]將FFT與ANN相結合,通過訓練特征數據,以優化串聯電弧故障診斷?；贔FT的諧波特征提取還可以通過小波變換(Wavelet Transform,WT)改進,以提高故障識別精度。小波變換方法已被應用于診斷電弧故障,如高阻抗(HIF)故障。一般診斷方法是基于電壓或電流信號的頻域特征分解,或通過將小波變換分解與其他數學算法相結合,如核密度估計[46]。文獻[47]利用經驗小波變換(Empirical Wavelet Transform, EWT)進行頻譜分割并提取出具有緊支撐的模態分量,根據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[48]利用小波函數對故障電弧電流信號進行處理,分別提取出基于負載電流波形相似度和小波能量的各頻段特征,并搭建實驗平臺進行試驗驗證。變分模式分解法(VMD)可以克服一些傳統模態分解算法的混疊和端點效應,從而提高頻帶質量。文獻[49]研究了在并網逆變器啟停和負載變化條件下,光伏系統故障電弧的診斷方法。采用VMD提取電弧電流信號的特征頻帶,并計算相應頻帶信號的香農熵來反映信號復雜度的變化。選取合適的時間窗長度和兩種最優檢測變量,以獲得故障電弧識別結果。復雜環境噪聲和運行擾動,會使得光伏系統故障電弧特征減弱,無法通過現有基于小波變換原理的數字濾波器直接獲得。文獻[50]經過研究發現在大于15.6 kHz的較高頻段中故障電弧特征會變得較弱,由此提出了基于蟻群算法的隨機諧振(ACA-SR)方法以增強故障電弧的特征。

2.3 基于時頻域特征的故障電弧診斷方法

時頻域特征診斷方法一般被用于串聯電弧故障檢測,特別是在光伏系統等直流電源的情況下。在大型光伏系統中,故障定位仍然是重大的技術挑戰;在小型光伏電站中,故障檢測系統的效率則是關鍵,而效率的高低很大程度上取決于光伏系統的架構是否成熟完備[51]。文獻[52]通過提取光伏板出口處的電流波形,研究了并聯故障電弧的電流特性。對電弧電流進行傅里葉變換,發現電流的高頻分量主要集中在126 kHz～250 kHz范圍內。通過時頻域特征分析,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的判據。文獻[53]提出了采用PCA盲源分離算法,利用PCA推導出合適的指數以區別故障電弧的特征量和其他電氣參量,利用時頻域分析法分離出直流分量、開關分量和網絡干擾等非相關量。此外,電弧故障狀態與正常狀態在高頻下的頻譜差異不大,其明顯特征主要分布在低頻區域。但如果使用傳統的時頻域診斷方法,例如分解譜較大的小波包分解法,有用的特征則會只局限于低頻區域。同時,低頻特性又容易受到環境因素的影響,這也是傳統電弧故障診斷算法的缺陷。臺灣科技大學蔡雪蓉等人選用VMD和支持向量機(SVM)的自適應診斷算法,使用變分模式分解從電流信號中提取故障信息,然后通過自適應特征法篩選每個頻帶中信號的統計信息。最后,將與分類密切相關的特征作為輸入,輸入粒子群優化的支持向量機進行分類[54]。相較于時域和頻域診斷方法,時頻域法可以實現更為精確的檢測,但是時頻域分解算法也會帶來更高的計算復雜度,效率方面則是該法的缺陷。但是在實際應用中,時頻域法仍是目前電弧故障診斷中應用最廣泛的方法之一。

電力電子設備現在越來越廣泛地應用于光伏系統中,來自電力電子設備的干擾如開關器件啟停信號等將使光伏系統直流故障電弧診斷更加復雜。因此時頻域特征分析可以用來區分干擾信號和故障電弧。文獻[55]研究發現電力電子設備會嚴重干擾故障電弧在低頻和開關頻段的特性行為。通過應用自適應變換方法,使低頻和開關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。除了電力電子設備的干擾,在信號處理過程中存在的問題如小波基函數的選擇不當也會降低特征提取的準確性[56]。文獻[57]基于小波包分解的信號重構方法,采用VMD和維格納-維爾分布(WVD)來實現,以獲得故障特征。但該方法在準確識別電弧故障特征方面表現出了良好的能力,而瞬態奇異信號問題和分解算法計算效率較低,可能會限制其在現場的應用[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,有時難以區分電弧與其他類電弧特征的瞬態非電弧信號,這時可以通過電弧產生的物理效應來感應。隨著檢測設備和診斷技術的不斷革新,使得高速捕捉并準確識別電弧的噪聲、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方法包括聲輻射、光輻射、電磁輻射等。電弧會產生紫外線輻射,因此紫外線脈沖分析已用于診斷故障電弧[58-60]?；陔姶盘卣鞯姆椒ê椭悄芩惴ńY合,也經常用于光伏系統電弧故障診斷。文獻[61]開發出一種基于磁場傳感和自相關算法的非侵入式電弧故障檢測器。通過比較周期內電弧特征之間的相關性,可以避免周期性環境噪聲和電力電子噪聲的影響。但是實驗結果表明,在直流微電網中只有在幾個特定檢測點安裝該檢測器時,才能有效檢測故障。文獻[62]研究了光伏系統運行工況對電弧電壓、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生與傳播機理,研究基于天線陣列的故障電弧識別方法,并引入數據增強神經網絡技術,提高定位電弧的準確性和測試系統的魯棒性。由于故障電弧的特征之一是會產生強烈的弧光,電弧閃光故障被歸類為HIF故障,其故障電流比低阻抗觸發的故障電流幅值更低。因此隱患也更大。文獻[63]利用入射過程中的光譜發射來識別故障電弧類型,同時利用廣義回歸神經網絡算法提高電弧類型的識別速度。文獻[64]通過使用由高通有限沖擊響應(FIR)濾波器組成的調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頻率分量的相位。提取電弧閃光故障電流中瞬態頻率分量的相位可以為準確快速地檢測和區分電弧閃光故障提供特征信息。但該方法對負載類型和電弧閃光類型的靈敏度較低。

2.5 故障電弧診斷技術現面臨的重點難點問題

前文所述故障診斷方法得益于當今先進的量測傳感技術以及高精度、自適應性的智能算法。在基于電特性、物理特性等進行故障電弧診斷的過程中,目前面臨的重點難點問題見圖4。

圖4 故障電弧診斷技術的重點難點問題

在采集原始特征數據、訓練數據集以及測試算法可靠度方面,提出有效的算力成本和可靠的電弧特征監測指標要求是目前故障診斷技術的重點問題。正常電弧和故障電弧區別主要在于監測其生長狀態是否可控,系統應該依據安全管理要求判決是否進行手段干預,例如對于新型電力系統中出現的新型負載以及分布式光伏等新型儲能,需要重點關注直流電弧可能帶來的長時間尺度下的高溫損耗和火災隱患。

通過搭建模擬實驗平臺,錄電弧復雜生長變化過程中的聲光熱等現象,則依靠精細化監測設備及儀器,需要電磁學、材料學、儀器科學等多學科融合實現,這也是電弧診斷技術的難點所在。同時,為解決新型電力系統中涉及的屏蔽負載、類電弧等干擾問題,將故障診斷芯片或模塊集成至現有的監測裝置當中,對于電弧初始模型的適配性和算法準確度提出了更高要求。

3 故障電弧檢測標準及試驗檢測技術

3.1 故障電弧檢測標準的國內外現狀

在國際上,IEC發布并更新了IEC 62606-2017《General Requirements for Arc Fault Detection Devices》。規定了電弧故障保護電器(AFDD)的試驗測試和技術要求的標準。在此之后又發布標準IEC TS 63107：2020,以此補充說明涉及到電力開關設備和控制設備中內部集成的電弧故障緩解系統的標準。美國國家標準學會(American National Standar-ds Institute,ANSI)則先后發布了由保險商實驗室(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,并規定AFCI的最大工作電流不得超過30 A。IEC出臺的標準以故障電弧斷路器和故障電弧探測器為主要對象,而ANSI則主要針對光伏系統中的故障電弧保護及探測裝置[65-66]。

國內方面,中國國家標準化管理委員會發布了同等于IEC 62606-2013、IEC/TR 61641：2014的國家標準GB 31143-2014和GB/T 18859-2016,并根據中國供電電壓和頻率,修改了IEC 62606：2013的一些要求,標準主要針對50 Hz、220 V交流系統,要求AFDD的最大電流必須小于63 A。內容對故障電弧探測器和低壓成套開關設備和控制設備內部電弧故障規定了必要的試驗程序和技術要求,但目前還未更新。GB 31143標準內容包括工作特性試驗、耐熱性試驗、防銹性試驗和機械特性試驗等。工作特性主要包括串聯電弧故障試驗、并聯電弧故障試驗、屏蔽試驗和意外跳閘試驗。并聯電弧故障測試需要75 A或100 A的電流,通常由微型斷路器(MCB)檢測。同時在對產品性能進行驗證時,要求針對不同的標準內容對實驗設備進行獨立設計[67]。除此之外,2021年我國還發布了關于光伏系統直流電弧保護技術的標準[68]。

通過研究故障電弧相關檢測標準,可以看出電弧故障保護裝置標準規范和要求的制定還存在一定問題和不足。例如,評估串擾、反饋敏感性、干擾跳閘等不良影響的測試需要開展進一步的試驗工作[69]。對于電弧復現裝置搭建等模擬實驗方面,國內外標準中都規定了電極拉弧、碳化電纜、切割電纜等三種主要實驗方式,但每一次實驗后材料會出現差別,如電纜的燒蝕程度不同對電弧特性的檢測結果造成影響,因此為了保證實驗條件需要每完成一次實驗后更換材料,難免費時費力,且不利于低碳環保。同時,現有標準中規定的試驗環境相對較簡單,并且缺乏實際故障電弧的性能評估指標如漏判率、誤判率的解釋說明,不足以保證實驗結果的全面性和可靠性,使得目前故障電弧保護裝置的監測性能參差不齊,難以保障實際運行中的準確率。

3.2 故障電弧試驗檢測技術的國內外現狀

在試驗檢測技術方面,目前主要通過故障電弧試驗系統開展故障電弧保護裝置性能的研究。因此專門分析電弧跟蹤效應的試驗數據和相關文獻較少。

如前所述,部分導電的電弧軌跡或碳化路徑具有高電阻,限制了電弧電流,因此在使用傳統電路保護時難以檢測。電流沿著導電裂紋流動會產生間歇性電弧,其能量太低,無法使標準斷路器跳閘。與這些電弧放電相關的低水平活動通常無法干擾正常信號傳輸,因此難以應用標準的診斷方法。因此,基于分析電流和電壓波形的傳統方法對感應小電弧放電的靈敏度較低,容易導致AFCI失效[70]。只要電弧電流持續,電弧就會產生寬頻噪聲(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容來診斷并切斷電弧[71]。電弧故障發生期間,電流波形的形狀及其諧波含量獨特且復雜,因此需要特定的診斷技術。由于電弧特性難以表征,行為難以預測,以及難以再現電磁環境等其他電弧生長的復雜環境條件,恰恰可以根據檢測結果定義保護裝置的評判標準,比如對于弱電弧、類電弧等干擾信號敏感度越低的,越會降低誤判率和漏判率;若對復雜耦合環境情形下識別率越高,則可以認為其保護性能越高。

國內外研究者們在現有標準規定的試驗內容的基礎上,分別圍繞電弧發生裝置、負載類型、信號提取和處理、試驗環境等幾個方面進行研究。文獻[72]將閉環控制的思想引入點接觸式電弧發生器裝置中,選擇3 A、32 A純電阻線性負載,開關電源、真空吸塵器兩種非線性負載,對相應負載的引弧試驗進行了分析并完成了該裝置的研制。文獻[73]借助機械式故障電弧發生裝置建立了故障電弧波形數據庫,利用信號隔離、功率放大等模塊,對數據庫中的電弧故障波形進行還原輸出,可模擬出帶寬在100 kHz以內的故障電流波形。文獻[74]則研制了一種可控制環境溫濕度、觸頭移動距離或振動的頻率和幅值等分離狀態的串聯型故障電弧模擬實驗裝置,模擬在不同工況下產生的串聯型故障電弧,并可對環境溫濕度、電弧電壓、電弧電流進行實時顯示和存儲。文獻[75]開發了一種機電一體化故障電弧測試平臺,將電弧的電極材料、電壓、電流、電極間隙分離曲線等作為實驗參數。該測試平臺可允許高度重復性地進行電弧電壓和電流波形庫所需的測試。該團隊認為分析結果可用于開發一種可靠有效的AFDD。但文章中僅以直流電弧發生系統為例,展示如何比較參數值的結果,并未對其他不同情形的故障電弧進行實驗驗證說明[75]。

4 新型電力系統下故障電弧診斷技術未來可能的研究方向

目前,各類診斷方法都有其優點和局限性。如何提高現有故障電弧診斷方法的效率和準確性是后續研究的重點。結合前文介紹的故障電弧機理特性和診斷方法,針對故障電弧診斷技術提出幾點未來可能的研究方向：

(1)配電網側的電壓、電流波形特征(交流、直流、恒頻、工頻、沖擊、脈沖等)會影響電弧的放電特征及其對絕緣系統的長期、慢性影響,可以深入研究故障電弧的內在特性機理;

(2)電動汽車等一些新型負載產生的類電弧信號會降低故障電弧保護裝置的整體性能,繼而對系統的安全性能產生負面影響。因此需要識別類電弧、弱電弧等干擾信號的各參量特征;

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

(4)開發能夠在極早期跟蹤并檢測到電弧故障現象的保護裝置,以免產生重大和不可逆的絕緣損壞。同時應與合適的儀器和信號處理方法耦合,開發設計在新型電力系統條件下運行的具有成本低、尺寸小、響應快速的集成式保護裝置;

(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等對故障電弧的發展和演變規律產生的新影響;

(6)考慮到我國電力系統廣域化的特征,應該開展在極端惡劣環境等特殊性條件下的電弧故障保護研究。

5 結束語

在后續的電弧基礎理論研究中,應更加關注各類型電力電子設備產生的諧波污染、強磁干擾等因素對故障電弧的能量傳遞、特性變化的影響,開發并優化適應于新型電力系統的電弧故障診斷及識別算法。如何利用現有的算法技術深度挖掘故障電弧的時頻域等特征信息,提升多類型、非線性負載和復雜環境耦合條件下故障電弧的識別準確度,是未來故障電弧診斷方法研究的重點。此外,應進一步規范故障電弧保護裝置、試驗檢測等現有標準內容,推動輕量級、高精度、高可靠性、可集成化的電弧診斷芯片或模塊的研制,以促進故障電弧診斷技術的研究進展和成果轉化。相信隨著故障電弧診斷技術的不斷進步,為故障電弧保護裝置制定更為廣泛的安裝及使用場景,將會大幅提高新型電力系統診斷監測的智能化,提升電力系統的穩定性,讓人民共享用電安全的新環境。