电气工程学报, 2016, 11(9): 44-47 doi: 10.11985/2016.09.006

基于周期均值变化率的直流故障电弧检测

张冠英, 李长伟, 赵远, 刘伯颖, 李玲玲

河北工业大学电磁场与电器可靠性省部共建国家重点实验室培育基地 天津 300130

Series DC Arcing Fault Detection Method Based on Rate of Cycle Mean

Zhang Guanying, Li Changwei, Zhao Yuan, Liu Boying, Li Lingling

Province-Ministry Joint Key Laboratory of Electromagnetic Field and Electrical Apparatus Reliability, Hebei University of Technology Tianjin 300130 China

收稿日期: 2015-12-14   网络出版日期: 2016-09-25

基金资助: 国家自然科学基金.  51475136
河北省科技支撑计划.  15212117
和河北省高等学校科学技术研究青年基金资助项目.  QN2015102

Received: 2015-12-14   Online: 2016-09-25

作者简介 About authors

张冠英, 女 1969年生,博士研究生,副教授,研究方向为电器可靠性及检测技术。

李长伟, 男 1988年生,硕士研究生,研究方向为电器可靠性及检测技术。

摘要

直流供电系统中,接头松动、绝缘老化等原因是引起直流串联电弧故障的主要因素,且串联直流电弧不易检测,具有很大的安全隐患,因此提出一种有效的直流电弧故障检测方法具有重大的意义。本文搭建了串联直流电弧试验平台,利用串联直流电弧发生器模拟直流电路中接头松动、绝缘损坏的直流串联电弧故障。通过研究直流电弧电压电流的基本特性,以及国内外的研究现状,研究分析电弧电流波形在一定时间窗内周期均值的变化,提出了一种基于电弧电流周期均值变化率的检测方法。结果表明,发生电弧前后电弧电流周期均值变化率具有明显区别,验证了用电弧电流周期均值变化率识别直流电弧故障的可行性。

关键词： 直流串联电弧 ; 电弧电流周期均值 ; 故障电弧检测 ; 周期均值变化率

Abstract

Aging of the insulation and loose joint in the DC supply system are main factors to induce series DC arc.The series DC arc fault is difficult to be detected ,posing a serious risk to the system. Therefore,it is of great significance to find a kind of method of the DC arc fault detection . In this paper, the series DC arc is simulated by the series DC arc generator. And a detection method based on the rate of DC arc current cycle mean is proposed by studying the basic characteristic of the series DC arc current and status quo of research both at home and abroad. The rate of DC arc current cycle mean is quite different when the arc happens or not happen.The result shows that the method is feasible to detect the series DC arc fault.

Keywords： Series DC arcing ; DC arc current cycle mean ; detection of DC arc fault ; the rate of DC arc current cycle mean

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本文引用格式

张冠英, 李长伟, 赵远, 刘伯颖, 李玲玲. 基于周期均值变化率的直流故障电弧检测. 电气工程学报[J], 2016, 11(9): 44-47 doi:10.11985/2016.09.006

Zhang Guanying. Series DC Arcing Fault Detection Method Based on Rate of Cycle Mean. Journal of Electrical Engineering[J], 2016, 11(9): 44-47 doi:10.11985/2016.09.006

1 引言

随着社会的飞速发展,直流供电系统在人们的生活中得到了大量应用。直流供电系统中绝缘的损坏、触头的松动都会产生电弧,电弧是一种气体放电的过程,通常电弧温度较高[1,7],容易使周围的易燃物燃烧或者爆炸。由于直流电弧电流不具有过零点且难以自行熄灭,受到负载的影响,传统的断路器难以切断电路,从而使灾难进一步地扩展。

对于故障电弧的研究,国外起步于20世纪美国,而国内相对较晚。近几年来不少学者把研究对象转移到光伏系统,主要集中在光伏系统故障电弧的识别及检测方法[12,13,14,15]。目前国内外研究电弧的方法主要集中在时域和频域。时域主要集中在电弧电流以及电源电压的变化率[1,2,3]、电弧的物理特性。电弧物理特性的检测主要在开关柜,这些物理特性主要表现在声、光、红外辐射和压力的变化[8,9,10,11]。文献[1]提出了一种利用回路电流变化率来检测电弧的时域方法,但是由于受到负载的影响容易产生误动作。文献[11]提出了利用弧光、弧声和紫外线的检测方法,这种检测方法对传感器的精度、安装位置有很高的要求且容易受到周围环境的干扰;频域的研究主要集中在傅里叶变化、小波变化上等。文献[4,5]研究了直流电弧故障的伏安特性,提出了一种基于时域和小波变换的混合式直流串联电弧故障检测方法,频域的电弧故障检测虽然可以弥补时域检测的不足,但是存在频域算法优化以及噪声干扰问题。文献[6]通过研究电源电压波形在相应时间窗内电压最大最小值,提出了一种电源电压变化率的故障电弧检测方法,同时指出电弧电流的高频分量主要集中在10~200 kHz的频率范围内。

2 试验内容

2.1 试验平台的搭建

串联直流电弧故障实验平台的核心部分是串联直流电弧发生器,依据UL1699标准搭建了串联电弧故障试验平台,电弧发生器结构如图1所示,电弧发生器装置如图2所示。本试验采用横河YOKOGAWA 701933电流探头来测量电弧电流,电流探头精度高,有外部单独电源供电,降低了噪声和干扰;采用抗干扰较好的横河DL750示波器记录实验数据。串联直流电弧发生器主要由可移动电极、固定电极以及步进电机和控制单元等组成。其中,步进电机每个步进距离由单片机内设定的程序控制,并通过按键触发,由控制单元控制步进电机带动可移动电极运动,电极由接触到分开,可以模拟实际直流系统中接触不良、连接松弛情况下故障电弧,实际电弧和模拟电弧原理相同,都是原来导通的电极分离时击穿空气放电的过程。

图1

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图1   电弧发生器结构图

1—水平底座 2—水平撑杆 3—绝缘固定支座 4—固定电极 5—可移动电极 6—直线步进电机 7—步进电机控制单元 8—电机底座 9—绝缘滑动支座

Fig.1   The structure of arc generator


图2

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图2   直流电弧发生装置

Fig.2   The device of DC arc generator


2.2 直流电弧基本特性研究

通过搭建的直流故障电弧实验平台来模拟直流串联故障电弧,图3为模拟直流串联故障电弧。模拟直流电弧试验中直流电源电压为150V,电流为5A,两电极直径为 6.3mm,图4为典型的直流串联故障电弧。电弧电压、电流的突变标志着电弧的产生。随着两电极距离的加大,电弧电压随之上升而电流不断减小,直到两电极达到一定距离,电弧电流为零,电弧电压达到电源电压。

图3

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图3   直流串联故障电弧

Fig.3   The fault of DC series arc


图4

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图4   典型的电弧电压电流波形

Fig.4   Typical waveform of the arc voltage and arc current


3 直流电弧周期均值

为了准确反映直流电弧的周期均值,给输出电弧电流波形加时间窗XT,直流电弧周期既不能太长也不能太短,周期太长失去了检测的实时性,周期太短反映不了数据的准确性,因此选择周期XT为0.01s。图5是电源电压为150V,电流等级为1A、3A、5A、7A下的直流电弧周期均值。

图5

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图5   不同等级电弧电流波形及周期均值

Fig.5   Arc current waveform and mean with different grade average current


通过图5可以看出,直流电弧的周期能够较好地反映电弧电流的实时性,在发生电弧时,直流电弧电流发生突变,直流电弧周期均值的突变可以作为判断直流电弧产生的依据,但是直流电弧周期均值变化较小,然而相应的周期均值变化率较大,因此直流电弧周期均值变化率可以作为识别故障电弧的一种方法。

4 直流电弧电流周期均值变化率

试验过程中,研究直流电弧电流周期均值发现,发生电弧前后电流周期均值存在一定程度的突变,为了直观地描述直流电弧周期均值的变化情况,用后一个周期均值减去前一个周期均值的差除以前一个周期均值,称为周期均值变化率。直流电弧电流周期均值变化较小,因此采用直流电弧电流周期均值变化率来检测故障电弧的发生。图6为电源电压为150V,电流等级为1A、3A、5A下的直流电弧电流周期均值变化率。

图6

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图6   不同等级电弧电流及周期均值变化率波形

Fig.6   Arc current waveform and rate of change for current cycle mean with different grade average current


图6表明,电弧起始时刻,电弧电流周期均值变化率突变,达到一个较高值,这个突变值可以作为判断故障电弧发生的标志,设置适当的阈值与电弧电流周期均值变化率进行比较,在一定的时间内超出阈值规定的个数,从而判定直流故障电弧。采用直流电弧电流周期均值变化率的方法有助于分析电弧特征,更能提高故障电弧的识别。这种方法只需要对电流进行监测,对检测位置没有特殊要求,算法简单,实时性、抗干扰性好等,因此直流电弧电流周期均值变化率在故障电弧检测中可以很方便地实现。

5 结论

本试验参照美国UL1699标准来搭建直流故障电弧试验平台,以搭建的试验平台为基础进行了故障电弧的模拟测试研究,分析了故障电弧的基本特征,并通过国内外的研究现状和方法,提出了基于直流电弧电流周期均值变化率的检测方法。电弧起始时刻周期均值变化率发生突变,该突变值可以作为判断故障电弧发生的标志,并设置适当的阈值来检测故障电弧的发生,电弧电流周期均值变化率大于设定阈值表明发生一次电弧,当检测到多个电弧时,则认为发生了故障电弧。结果表明,故障电弧发生前后电弧电流周期均值变化率具有明显区别,可以有效地识别故障电弧,为故障电弧的研究奠定了基础。

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