电气工程学报, 2015, 10(11): 19-26 doi: 10.11985/2015.11.003

理论研究

航空固态功率控制器电弧故障检测方法研究

吉瑞萍, 李伟林, 张晓斌, 董延军

西北工业大学自动化学院 西安 710072

A Review of Arc Fault Detection Methods for Aviation Solid State Power Controller

Ji Ruiping, Li Weilin, Zhang Xiaobin, Dong Yanjun

Northwestern Polytechnical University Xi’an 710072 China

责任编辑: 崔文静

收稿日期: 2015-07-24   网络出版日期: 2015-11-25

基金资助: 国家自然科学基金.  51407144
中央高校基本科研业务费专项基金.  3102015ZY052
电力设备电气绝缘国家重点实验室（西安交通大学）开放基金.  EIPE14203
西北工业大学研究生创意创新种子基金项目

Editor: Cui Wenjing

Received: 2015-07-24   Online: 2015-11-25

作者简介 About authors

吉瑞萍, 女 1991年生,硕士研究生,研究方向为航空电线阻抗特性分析、航空固态功率控制器电弧检测特性研究。

李伟林, 男 1983年生,博士,副教授,研究方向为固态功率控制器研究、故障检测与诊断方法研究、直流独立电力系统分析,控制保护方法研究等。

摘要

固态功率控制器（SSPC）是由半导体器件构成的智能开关装置,用于接通和断开电路,并实现电路保护。由于其具有功耗低、可靠性高等优点,在现代飞机电气系统中得到广泛的应用。与此同时,电弧故障已被证明是威胁航空电气设备正常运行的因素之一,而且极有可能引发严重的灾难。本文对具有电弧检测功能的SSPC的结构进行了说明,对航空电弧的分类、特性、仿真及试验方法进行了介绍,并对故障电弧检测方法做出总结,最后指出目前航空SSPC电弧故障检测技术面临的问题。

关键词： 固态功率控制器 ; 电弧故障检测 ; 傅里叶变换 ; 小波变换

Abstract

Solid state power controller (SSPC) is the intelligent switch constituted by the semiconductor device and is used to turn on and off the circuit, as well as protecting the circuit. Because of its low power consumption and high reliability, SSPC is getting widely used in modern aircraft electrical system. At the same time, arc fault has proved to be one of the factors threatening the normal operation of aviation electrical equipment, and is likely to cause serious disaster. In this paper, the structure of SSPC with arc fault detection (AFD) function has been described, and the classification, characteristics, simulation and test methods of aviation arc are introduced. After summarizing the AFD methods, we conclude the present problems AFD technology facing for aviation SSPC.

Keywords： Solid state power controller ; arc fault detection ; Fourier transform ; wavelet transform

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本文引用格式

吉瑞萍, 李伟林, 张晓斌, 董延军. 航空固态功率控制器电弧故障检测方法研究. 电气工程学报[J], 2015, 10(11): 19-26 doi:10.11985/2015.11.003

Ji Ruiping. A Review of Arc Fault Detection Methods for Aviation Solid State Power Controller. Journal of Electrical Engineering[J], 2015, 10(11): 19-26 doi:10.11985/2015.11.003

1 引言

随着多电飞机与全电飞机概念的提出,飞机配电方式由传统的常规式或遥控式配电系统向自动配电系统发展[1]。固态功率控制器（Solid State Power Controllers,SSPC）是先进飞机配电系统中的重要装置,用于接通/关断用电设备,同时还具有过载保护和自检测功能,与传统的机械式开关、断路器和熔断器相比,具有响应快、电磁干扰小、寿命长、可靠性高以及便于计算机远程控制等优点[2]。

飞机配电系统中除了过电流、短路等常见的电气故障之外,还存在另一种非常见严重的故障——电弧故障。电弧实质上是一种气体放电的现象[3]。电弧故障发生时发出大量的热,能引燃周围的易燃易爆物品,造成火灾甚至爆炸,实践证明,2~10A的电弧电流引起的温度可高达2 000~4 000℃[4]。先进飞机配电系统的日益复杂使航空电缆用量大大增加,高温、严寒和电磁辐射造成的电缆表面的细小裂纹、化学药品腐蚀以及维修过程中对电缆的损坏都会导致电弧故障的发生。然而,电弧故障却不能由断路器或熔断器进行保护,因为电弧电流达不到它们的热保护曲线[5]。

近年来,有学者提出在SSPC中集成电弧检测功能的想法[6,7],即把继电器、断路器和电弧故障断路器三种飞机配电系统中常用装置集成于一体。这样一方面可以节约空间,减轻重量,另一方面也便于配电系统的集中管理,同时设备数量的减少也有利于提高配电系统的可靠性和稳定性。因此,为了全面提高航空电气系统的安全性,对具有电弧检测功能的SSPC进行研究具有重要意义。

2 固态功率控制器

固态功率控制器是由半导体器件构成的智能开关装置[8],分为直流SSPC和交流SSPC两种。

直流SSPC用来实现通信与开关、过电流反延时保护与过电流快速保护这三项基本功能[9]。如图1所示, 28V直流SSPC主要由CPU及其外围电路、供电电路、功率回路、驱动电路、过电流快速保护电路、信号调理电路和通信电路等电路模块组成。SSPC接收到开通命令后,单片机I/O口输出高电平,经过驱动电路最终输出高电平开通功率MOSFET,功率回路开通,反之亦然。采样电阻串联在功率MOSFET与负载之间,采样电压经过信号调理电路处理,一路送至单片机的AD采样口用于进行过电流反延时保护计算,另一路送至单片机的内置比较器输入端用于实现过电流快速保护。

图1

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图1   28V 直流SSPC 原理框图

Fig.1   Block diagram of 28V SSPC


115V交流SSPC和28V直流SSPC的功能需求基本相同,不同的是交流SSPC需要实现零电压开通和零电流关断;而且交流SSPC在驱动电路、过电流快速保护电路和信号调理电路等设计方面较直流SSPC更加复杂。图2为交流SSPC零电压开通测试的波形图,上方信号为MOS管的驱动电压信号,下方为电源电压的采样波形,驱动信号在电压过零点时刻由低变高,回路开通。

图2

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图2   交流SSPC 零电压开通测试结果

Fig.2   Testing result of AC SSPC zero voltage opening


具有电弧检测功能的SSPC原理框图只需在图1中增加电弧检测电路模块,该模块接收来自信号调理电路的输入信号,并将输出传送给单片机。交流SSPC电弧检测结构框图如图3所示。

图3

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图3   交流SSPC 电弧检测结构框图

Fig.3   Block diagram of AC SSPC AFD


3 航空故障电弧的分类及特性

3.1 电弧分类

按照航空故障电弧产生的机理,可以把电弧分为好弧和坏弧两种。好弧通常是指插拔电器时产生的电弧,这类电弧的发生是随机的,且持续时间很短,不会影响配电系统输电线路与用电设备的正常运行。坏弧也称为故障电弧,是通常情况下会对配电系统造成危害的电弧,这类电弧可能会造成严重的后果,是需要尽量避免的。

对于故障电弧,根据其发生位置的不同又可以分为两类：串联故障电弧和并联故障电弧。串联电弧通常是由电气设备的松动连接或接触不良造成的,一般发生在插头或串联设备连接处,化学氧化腐蚀、损坏的电缆绝缘层以及内部金属导体的断裂都可能造成串联电弧故障。并联故障电弧发生在相线与中性线或相线与相线之间,形成原因是两条输电线之间短路,实际上是一种短路电弧。在飞机配电系统中,该种类型的电弧主要由捆扎的输电线缆的绝缘损坏造成,发生在两电缆之间或单根电缆与飞机机身之间。

由于串联电弧本身具有一定的阻抗,发生串联电弧时,电弧电流通常小于正常工作情况下的负载电流,达不到传统开关器件的动作要求,因此是本文研究的重点。

3.2 电弧特性

航空故障电弧作为电弧的一种,具有图4中交流电弧的普遍特征[4]：

图4

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图4   交流电弧波形

Fig.4   AC arc waveform


（1）电弧的电流和电压伴有高频噪声。

（2）故障电弧上有电压降。

（3）电弧电流上升率通常大于正常电流。在每半个周期中,电流过零前电弧熄灭,电流过零后再次点燃,建立了基本平衡,零电流段每个半周期一次,这些区域被称为零休区间。

由于航空电气系统的特殊性,航空故障电弧也具有不同于普通低压电弧的独特特征,主要表现在以下方面[10]：

（1）航空电缆的绝缘性能对比同等规格的地面电缆,绝缘性能更好,因此航空故障电弧的持续时间更短,电弧事件更加难以捕捉。

（2）与地面低压电弧的发生环境相比,航空配电系统的电气环境更为复杂,配电空间更狭小,电磁干扰更大,故障电弧波形更为复杂。

（3）电弧频率为航空电源频率400Hz,不同于电力系统中的工频50Hz或60Hz。

对于航空直流电弧,最基本、最明显的特征是它的非平稳性,这可以从时域和频域两个方面探讨。时域集中表现为电流波形有闪络、抖动明显、幅值变换明显、不平稳及局部的电流中断等;频域方面,由于电弧电流的非线性,电弧电流中必然存在大量谐波,如图5所示。

图5

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图5   直流电弧频谱图

Fig.5   Spectrum of DC arc


4 故障电弧仿真和试验

4.1 故障电弧建模与仿真

早在20世纪30年代,电弧模型的理论研究已经开始,其中最为著名的电弧模型是由Cassie和Mayr提出的。

Cassie电弧模型假定在大部分时间里,电弧电压为常数。模型方程式

式中,τ为Cassie方程中定义的电弧时间常数;g为电弧电导;u为电弧电压;Uc为电弧电压常量。

Mayr模型是基于热平衡、热惯性和热游离三个基本原理推导出来的,模型的方程式

式中,g为电弧电导;τ为电弧时间常数;u为电弧电压;i为电弧电流;P为耗散功率。

有研究表明,Cassie方程对低电阻大电流情况较为适合,而对于高电阻状态电弧的计算,Mayr方程是较合适的[11]。对于航空串联电弧故障,电弧电流受负载限制,故障电弧电阻处于高阻态,因此,选用Mayr电弧模型来对航空故障电弧进行仿真。

在Mayr电弧模型基础上,以Matlab软件为平台,利用Simulink库相关模块搭建交流故障电弧仿真电路图如图6所示。

图6

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图6   电弧仿真电路图

Fig.6   Arc simulation circuit


仿真所得电压电流波形如图7所示。

图7

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图7   交流电弧电压电流仿真波形图

Fig.7   Simulation waveform of AC arc voltage and current


由上图可以看出,发生电弧后,电弧处存在电压降,电弧电流波形发生畸变,幅值小于正常电流幅值,而且在过零点处出现“平肩”现象,之后电弧电流的上升率较大。以上特征均与理论结果相符。对直流电弧进行仿真分析也可获得与图4类似的结果,此处不再进行详细介绍。

4.2 故障电弧的产生

参考SAE-AS5692中的航空电弧故障断路器的电弧测试方法[12],选取接线端松动实验来模拟航空交流串联电弧故障的发生。图8所示为接线端松动实验中的电弧发生部分。

图8

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图8   接线端松动实验的电弧发生装置

Fig.8   Arc generating device of loose terminal experiment


交流电弧发生与采集电路原理图如图9所示。电路由交流中频电源、接触器、电弧发生装置、电流传感器、HBM数据记录仪以及负载组成。

图9

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图9   交流电弧发生电路

Fig.9   AC arc generating circuit


图10所示为实验室条件下测得的交流电弧电流波形,可以看出在本次实验中共发生了4次电弧事件（以数字形式标注）。直流电弧波形的获取方向与此相同。

图10

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图10   交流电弧电流波形示例

Fig.10   Example of AC arc current


5 故障电弧检测现状

文献[13]把电弧检测分为低阻抗电弧检测和高阻抗电弧检测,如图11所示。低阻抗电弧电流通常比较大,使用传统的机械式熔丝、继电器以及电路断路器即可实现电弧检测与保护。高阻抗电弧检测方法可以分为机械式与电气式两种。机械式检测方法通过使用相应的温度、压力、光学和辐射传感器实现对故障电弧的检测;电气式检测方法则通过对故障电弧电压、电流的时域和频域或时–频域特性分析来达到检测的目的。航空电弧检测所选用的方法要易于工程实践,适应航空设备体积小、重量轻的特点,因此电气式检测方法是比较好的选择。

图11

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图11   电弧检测方法分类

Fig.11   Classification of arc fault detection method


5.1 时域检测方法

时域检测方法通过监测电弧电压与电流波形实现,有几种代表性的方法。由于电弧电流波形畸变,可以选取电弧电流的平均值或者峰值作为特征值进行比较[14,15];发生直流电弧故障时,可用分流器测得电弧电流突变的特性[16];为更好区分电弧电流与正常电流波形,TI公司将三周期法（Three Cycle Algorithm,TCA）引入电弧检测[17],TCA算法公式

式中,Vn为一个运算周期内某个变量的值;Vn-1和Vn+1分别为该变量在前、后周期的值。该算法可以强烈凸显电弧引起的电流突变,同时避免正常负载或过电流情况下的误动作。除此之外利用的特征量还有将测量得到的电流值与电压值作比[18],沿馈线电压的不平衡性[19],电弧故障能量[20,21,22,23],电弧电压电流相位差[24]以及电弧电流和电压的混沌特性[25]。

时域电弧检测方法的缺点是正常负载切换或开关动作造成的电流过冲与电弧故障具有几乎相同的特点。文献[26]选取的电弧检测判据为电流变化率判据与电流峰值判据,每检测到一次电弧事件时,检测结果输出高电平,如图12所示。作者在软件设计程序中还加入了负载切换防止误动作的程序,增强了电弧检测功能的抗干扰能力。

图12

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图12   电弧检测实验结果

Fig.12   Experiment result of arc fault detection


5.2 频域检测方法

频域检测方法通过分析电压电流谐波含量实现,最常用的是傅里叶变换。一个典型的故障电弧电流与正常电流的FFT分析结果如图13所示,可以看出故障电弧电流直流分量与谐波含量明显高于正常电流,且基波含量有所下降。

图13

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图13   正常电流与电弧电流FFT 分析结果

Fig.13   FFT analysis of normal current and arc current


文献[27]提出了一种基于高频电流频谱分析的故障电弧检测方法。该方法将滤波后的频谱轮廓进行峰值检测,取前M最大个频率点作为特性向量。文献[28]对交流220V/50Hz的低压电弧故障断路器AFCI进行了研究,建立了电弧数据库,设计了AFCI的硬件以及软件系统,其中,电弧检测算法使用了快速傅里叶变换。文献[29]同样使用FFT对航空低压115V/400Hz交流故障电弧特性进行了研究,得到了许多重要结论,为航空故障电弧检测和保护技术的研究奠定理论基础。

此外,根据美国故障电弧断路器安全标准UL1699,在400Hz航空交流线路中,当电弧故障断路器在100ms内察觉到8个半周的故障电弧时,断路器需要执行脱扣动作,切断电路[30]。文献[31]使用了一种半波扩展与FFT相结合的故障电弧检测方法,该方法可大大提升故障电弧的检测效率。

5.3 时–频域检测方法

时–频域检测方法通过小波变换研究电弧电压、电流的瞬态特性,实现对故障电弧的检测。小波变换能同时兼顾信号在时域与频域的信息,这可由图14进行说明[32]。对故障电流信号进行db3小波3层分解,a3为信号s的低频分量,d1~d3为逐级分解出的高频信息,利用小波分析可以准确的定位出电弧线电流的突变发生在故障电弧电流的过零点时刻附近。尽管更为复杂,小波变换已被证实在电弧故障检测中优于其他信号处理方法,尤其是在增强可靠性方面[33,34,35,36,37]。

图14

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图14   电弧电流db3 小波3 层分解结果

Fig.14   Decomposition result of arc current with db3 three-layer wavelet


文献[34]提出了一种利用小波变换进行信号分解与特征量提取并结合贝叶斯分类策略（Bayes Classifier）的高阻抗电弧检测方法。文献[38]提出了一种基于多特征融合的串联电弧故障诊断方法,在该方法中,作者结合小波变换理论对经降噪预处理后的采样信号进行了主成分分析。文献[39]中的研究表明,经小波分解后的各层信号能量的平均值和标准差是识别故障电弧的有用信息。此外,还可将小波变换后各频段细节信号的模极大值作为特征向量,利用神经网络构建特征向量与电弧故障之间的映射关系进行电弧故障诊断[40]。但是由于小波变换自身理论与计算复杂,算法实现较为困难,对CPU或控制器的性能要求也很高。

对以上3种故障电弧检测方法做一总结,各自的优缺点见下表。航空电弧检测需要同时兼顾检测速度与检测效率,采用多种检测方法结合的手段是SSPC电弧检测技术发展的必然趋势。

表1   故障电弧检测方法比较

Tab1  Comparison between different AFD methods

检测方法优点缺点
时域检测速度快,
硬件实现简单		反映的故障信息有限,
容易产生漏判
频域算法成熟对非正弦波形检测效率低
时-频域检测效率高算法复杂,硬件实现困难

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6 结论

固态功率控制器的电弧检测技术对于航空电气系统的安全运行具有重大意义。本文对航空故障电弧的产生、分类及特性进行了介绍,对适应于航空电气系统的故障电弧检测方法进行了总结。尽管这些检测方法取得了一定的成果,电弧的在线检测技术仍处在初步阶段;能否有效地对故障电弧实施预警,即在电弧发生之前实现故障电弧检测,也是故障电弧检测的一个新课题。此外,先进信息融合理论的应用对于航空固态功率控制器电弧检测技术的发展也必将成为机遇与挑战。

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Series arc fault diag-nosis based on wavelet transform in AC system

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