直流微电网故障电弧信号特性

发布时间：2021-11-30 16:54所属平台：学报论文发表咨询网浏览： 次

摘要：直流微电网中存在大量线路与设备接口，容易发生电弧故障。根据电弧与电路的连接方式，可分为串联电弧与并联电

　　摘要：直流微电网中存在大量线路与设备接口，容易发生电弧故障。根据电弧与电路的连接方式，可分为串联电弧与并联电弧。为了实现有效的电弧故障检测与定位，需对直流微电网故障电弧信号特性进行研究。本文搭建直流微电网电弧故障的仿真与实验平台，产生了不同位置、类型的电弧故障。通过微电网系统对电弧故障的电流响应，分析验证了DC/DC变换器以及线路传输对电弧信号特征与信号传播的影响。DC/DC变换器对电弧产生的电压钳位、电流恢复、滤波作用、开关噪声的影响，线路传输对电弧产生的信号串扰与信号衰减作用都使直流微电网系统的电弧检测更加困难。该特性研究为直流微电网电弧故障的检测和定位提供参考价值。

　　关键词：直流微电网;电弧故障;DC/DC变换器;线路传输;影响

　　0引言

　　直流微电网的开发及延伸使其在船舶、海岛、飞机、数据中心等场景得到了广泛应用[1,4]。其提高了对负荷供给的可靠性，实现了绿色能源的高效利用。与交流微电网相比，直流微电网所需的能量转换环节较少，电能传输损耗更低，且无需考虑相位、频率及谐波等问题[5]。但是，直流微电网具有复杂的结构和大量的连接设备，电缆老化与接头松动等都可能导致导体之间产生气隙，气隙在强电场作用下被击穿将引起电弧故障。由于不存在交流电弧的过零点现象，直流电弧难以自行熄灭。

　　电网论文范例： 特高压交直流混联电网稳定控制探讨

　　在具有高压直流母线的微电网中，任何位置都可能发生直流电弧故障，尤其是串联电弧故障[6,7]。直流电弧一旦发生且未被及时检测，故障可能扩散波及邻近电路，光伏组件、输电线路、控制系统等都将遭到损坏。严重时，电弧持续燃烧还可能导致火灾事故的发生。目前，大多数直流电弧研究都围绕着基于电压电流信号的时域和频域特征进行电弧故障检测。

　　针对直流微电网的相关研究中：文献[8,9]利用负载电压降变化检测了发生在负载侧的串联直流电弧。文献[10]研究了串联直流电弧故障对微电网各位置的影响，讨论了直流电弧与微电网控制策略之间的关系。文献[11]在具有多个开关变换器的直流微电网中，根据负载电流在时域和频域的相对幅值大小检测串联电弧。文献[12]提出了一种综合利用线路电流和电源电压信息的直流串联电弧故障检测方法。微电网是一个多支路供电系统。但已有研究多集中在检测算法方面，较少考虑直流微电网中不同位置发生电弧的不同情况。同时，串联直流电弧的高阻抗低电流特性使其成为研究重点，现有文献少有涉及不同类型的直流电弧故障及其在微电网系统等级尺度上的研究。

　　微电网中存在多个电路与电路、电路与设备之间的连接点，都是电弧故障潜在发生点。系统中普遍存在的电力电子变换器与线路的寄生参数，都将对电弧故障、电弧信号及其传播造成影响。探究直流微电网对电弧的影响，有助于了解微电网系统对电弧的响应以及电弧信号在系统中的传播特性，以便确定合理的电弧检测点与检测方法。本文搭建了直流微电网电弧故障的仿真与实验平台。从微电网特性出发，基于电流信号的时域、频域波形分析，研究了DC/DC变换器和直流线路寄生参数对电弧的影响，为微电网直流电弧故障的检测与定位提供参考价值。

　　1直流微电网电弧故障仿真研究

　　1.1电弧仿真模型

　　电弧是一种游离气体放电的随机物理现象。当两电极间空气被足够大电场击穿时，原本绝缘的气体进入导电状态而产生电弧，表现为电火花现象。连接失效和绝缘失效是电弧发生的主要原因。

　　1.2直流微电网电弧故障仿真分析

　　搭建直流微电网电弧模型。其中，直流微电网模型由直流电压源、储能单元、负载单元构成。储能单元采用Buck/Boost为主要电路实现对蓄电池的充放电;负载单元中的支路一与支路二为恒功率负载支路，其主要变换电路为Buck电路。此处取af作为电流采集点，①⑤表示串联电弧，⑥⑩表示并联电弧。当系统中分别发生电弧①⑩时。

　　1.3直流微电网电弧故障仿真结果比较

　　根据上述仿真，不同位置发生串并联电弧故障且电弧稳定时，各采集点电流相对于其正常电流的变化。其中，电流变化表现为电弧稳定时的电流均值与正常状态下的电流均值的幅值之差，以及是否发生高频振荡现象及其强弱程度。根据仿真分析，不同位置的并联电弧会引起系统各采集点电流出现不同的响应。除了电弧发生瞬间会导致电流突变，电弧稳定状态与正常工作状态相比的电流变化主要表现在平均幅值的改变与是否出现高频振荡现象。电弧引起的电流高频振荡程度与距离故障点的置有关。受电弧产生高频噪声影响，故障点附近的电流振荡程度要高于其他位置电流。

　　从位置上，可将电弧故障点划分为两部分。一部分，当与母线直接相连的馈线以及母线上生电弧时，根据各支路功率关系，其余馈线电流均值会发生相应幅值变化。由于电弧产生高频噪声信号随着线路传播，非电弧故障点的馈线及母线电流出现类似电弧电流的高频振荡现象，但波动程度各不相同。

　　另一部分，当电弧故障发生在与直流母线不直接相连的位置时，电弧点电流平均幅值变化且高频波动，其余位置电流基本不出现剧烈振荡现象。此位置的电流不易受到系统其余位置电弧影响而发生高频波动;在该位置发生电弧时，也一般不引起其余位置电流振荡。此外，相同位置发生的串联与并联电弧的高频噪声传播规律类似，但电流幅值变化不同。综上，在直流微电网系统中，当某处产生电弧，可能导致非故障点出现类似的电弧电流信号变化而影响判断。若整个微电网系统中只存在一个电弧检测点，难以检测到任意位置的电弧故障，无法实现对直流微电网电弧故障的系统级检测。因此，由仿真分析可知，需对系统实现多点采样，以保证检测与定位的准确性，减少漏判误判。

　　2直流微电网电弧故障实验研究

　　其中，直流微电网系统平台主要包括直流源、双向DC/DC变换器、蓄电池、DC/DC变换器、电阻、断路器等。该实验过程中，蓄电池支路工作在放电状态。故障电弧发生装置由供电电源、控制器、驱动器、带步进电机的丝杆滑台、铜棒等组成。采用带电流探头的示波器采集电流，采样频率为250kHz。需要注意，实验中通过分开两根相互接触的铜棒以产生电弧。在产生并联电弧时，为防止连接在正负两端的铜棒接触瞬间造成短路过流而损坏设备，在并联电弧支路中串入了一个小电阻以达到限制电流的目的[14]。

　　前文仿真所示时域电流初步体现了电弧故障造成的系统电流变化，其中，信号的高频波动是电弧电流的明显特征，该特征可通过频域分析更直观地展现。时域与频域是信号分析中的相互联系的两个方面。为进一步分析验证仿真结果，通过实验对各个位置电弧故障导致的电流波动进行频域分析。

　　综上，电弧故障不仅会引起故障点所在处的电流发生变化，还会引起微电网系统各处电流的不同响应，验证了仿真结果。根据图7的频谱积分差值对比，可通过寻找各测量点间差值最大的点来对系统中发生的电弧故障进行定位。微电网系统各部分电流出现不同的电弧响应，究其根本，是微电网特性对电弧信号本身及其传播造成的影响。直流微电网与电力电子电路密切相关，电力电子变换器和直流线路是微电网系统的基本组成部分，其影响对电弧的检测与保护提出了挑战。从DC/DC变换器以及电力线路传输两部分，研究分析其对电弧信号特性的影响。

　　3直流微电网对电弧信号的影响特性

　　第一阶段：分离瞬态。在铜棒分开瞬间，电流被空气形成的间隙短暂切断，间隙两端需要足够的电压差才能产生电弧。由于该串联电弧发生在恒功率负载的输入侧，DC/DC变换器的输入侧存在较大电容对电压起到稳定作用。电容来不及瞬间放电以提供电弧电压，便出现了图中所示电流为0的电弧瞬态。该瞬态过程十分短暂，当电容放电使DC/DC输入端电压降低，气隙两端的电压达到电弧起弧电压时，电弧开始放电。

　　第二阶段：控制器动态调节。变换器输入侧电压因电弧分压而有所减小，产生的电压误差很快被控制器接收到。控制器通过闭环控制回路的反馈电路来调整占空比以使输出侧电压再次达到设定的电压值。电弧电流值也在控制器作用下回升，其均值大于正常状态电流。这一动态调节过程的快慢取决于变换器的响应速度。第三阶段：电弧稳态。电弧电流平均值经过调节后趋于稳定，电弧进入稳定燃烧阶段，电弧燃烧的随机性使电流出现了高频振荡。由于电弧发生前电流Ic只有5.6A左右，电弧燃烧时间较短。

　　3.1线路传输对电弧信号的影响

　　电弧故障发生时会带来宽带高频信号，高频信号在系统中沿着线路传输，故障发生点与检测点之间可能存在一定距离。在不可预知电弧故障发生位置的情况下，微电网中电力线的寄生参数会对电流中的电弧信号及其传播造成影响，进而给依据频域特征的电弧检测带来困难。

　　4总结

　　本文创新地从微电网中的DC/DC变换器和线路传输两方面对直流微电网电弧故障信号特性进行研究，发现直流微电网对故障电弧信号特性的影响给电弧检测与定位增加了难度，也为进一步的研究提供了参考。归纳如下结论：

　　1)直流微电网中不同位置与类型的电弧故障将导致系统各电流出现不同的响应。某处发生电弧，系统中可能有一处及以上电流出现电弧特征。对于出现多处电弧特征的故障，检测与定位需要借助更多依据，例如可依据电流频谱积分差值最大值定位电弧。

　　2)直流微电网的DC/DC变换器与线路传输会对电弧信号特征及传输产生多方面影响，是增加微电网系统电弧故障检测与定位难度的主要因素。对DC/DC变换器而言：其电压钳位作用导致一些位置较难获得电弧电压以产生持续的串联电弧;其电流恢复作用改变了普通直流回路发生串联电弧后电流降低的现象;其开关噪声使其附近的电流频谱中出现大量噪声尖峰，影响频域特征;其滤波作用导致了发生在变换器任一侧的电弧噪声信号难以传播到另一侧。电力线的信号串扰作用导致了位于与直流母线直接相连位置的电弧故障较难定位，电力线的信号衰减作用使电弧噪声特征被削弱而影响检测。

　　3)单一的时域或频域检测方法、单一检测点较难检测到系统各个位置发生的电弧故障。适用于直流微电网的兼具精度、成本、速度的电弧检测与定位方法还有待研究。

　　参考文献References

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　　作者：吴春华，郑宇旋，汪飞，李智华

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