余瓊芳, 胡亞倩, 楊 藝

(1.河南理工大學(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院, 河南 焦作 454003;2.大連理工大學(xué) 北京研究院博士后科研工作站, 北京 100000)

0 引 言

據(jù)應(yīng)急管理部消防救援局火災(zāi)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,2012—2018年,全國平均每年有約8.9萬起電氣火災(zāi)事故發(fā)生,在所有類型火災(zāi)中排名第一,占全國火災(zāi)總數(shù)的33.43%,重特大火災(zāi)中更是占到75%[1]。電氣火災(zāi)的發(fā)生造成了極大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。大量研究數(shù)據(jù)表明,低壓配電線路的故障電弧是引起電氣火災(zāi)的最主要原因[2]。

線路或設(shè)備發(fā)生故障產(chǎn)生電弧,溫度會急劇增加,2～10 A的電弧電流可產(chǎn)生2 000～4 000 ℃的局部高溫[3-4],220 V交流電下電流超過0.5 A就可以拉弧。高溫會引燃故障點(diǎn)附近可燃材料,熔化一些金屬或非金屬材料,產(chǎn)生CO等大量有毒有害煙氣,嚴(yán)重威脅附近人員的人身安全。社會的日益發(fā)展、科技水平的不斷提升和生活水平的提高都與電力的發(fā)展密不可分,故障電弧的存在或發(fā)生會嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。如果沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)并消除線路中的故障電弧,故障點(diǎn)溫度會逐漸升高,當(dāng)溫度達(dá)到一定程度時(shí)可以引燃周圍可燃物,并可能涉及其他線路,導(dǎo)致電氣火災(zāi),嚴(yán)重時(shí)可能發(fā)生配電系統(tǒng)大面積停電、爆炸等惡性事件,造成不可預(yù)估的損失。因此,及時(shí)發(fā)現(xiàn)和有效預(yù)防故障電弧對于維護(hù)國家電網(wǎng)安全、國民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)和保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全具有極為重要的現(xiàn)實(shí)意義。

故障電弧的隨機(jī)性、隱蔽性、復(fù)雜性等特點(diǎn)使得其難以被預(yù)知和檢查,給低壓配電線路帶來了嚴(yán)重的電氣火災(zāi)隱患。特別是因線路絕緣老化或接觸不良產(chǎn)生的串聯(lián)故障電弧,在配電系統(tǒng)中最常發(fā)生,電流幅值較小,傳統(tǒng)保護(hù)裝置無法對其進(jìn)行有效保護(hù),相比并聯(lián)故障電弧更加難以檢測,是現(xiàn)有電氣保護(hù)體系的漏洞之一[5-6]?；诖?本文從串聯(lián)故障電弧著手,主要討論了近幾年國內(nèi)外幾類串聯(lián)故障電弧檢測技術(shù)的研究現(xiàn)狀,并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用中存在的問題,展望了今后低壓串聯(lián)故障電弧檢測方法的發(fā)展方向。

1 低壓交流串聯(lián)故障電弧及其特征

1.1 故障電弧類型

電弧是種氣體放電現(xiàn)象,是由強(qiáng)電場作用擊穿電極間絕緣介質(zhì)而引起的[7]。在低壓配電線路中,電弧可分為“好弧”和“故障電弧”[8]?！昂没　笔且环N瞬時(shí)性電弧,也被稱為“正常操作弧”,常見的有插頭拔插、電器開關(guān)合閘、電機(jī)啟動及交流同步電機(jī)電刷換向時(shí)可能出現(xiàn)的火花閃爍。相對地,在人類意愿或控制之外,由于電氣線路或設(shè)備短路、過電流、接觸不良、漏電等原因引發(fā)的電弧,被稱為“故障電弧”[9-10]。故障電弧的持續(xù)時(shí)間和發(fā)生地點(diǎn)不受控制,受故障電弧熱效應(yīng)影響,包裹導(dǎo)線的絕緣層可能會出現(xiàn)破損,形成碳化導(dǎo)電通道,最終嚴(yán)重?fù)p傷線路或設(shè)備,甚至引起火災(zāi)。因此,正確區(qū)分“好弧”和“故障電弧”是故障電弧保護(hù)的重中之重,要避免出現(xiàn)誤判或錯判,以免造成切斷電源等大的事故。

根據(jù)電弧發(fā)生位置的不同,故障電弧一般可分為串聯(lián)故障電弧、并聯(lián)故障電弧和接地故障電弧,接地故障電弧又可歸類于并聯(lián)故障電弧[11]。故障電弧分類如圖1所示。

1.2 串聯(lián)故障電弧特征分析

并聯(lián)故障電弧主要由過載、短路等原因引起,電流有效值相對較大,一般為75～500 A。低壓配電線路中配置的斷路器、熔斷器及剩余電流動作保護(hù)器等傳統(tǒng)保護(hù)裝置能對并聯(lián)故障電弧和接地故障電弧提供有效保護(hù)[12]。串聯(lián)故障電弧相當(dāng)于一個動態(tài)變化的電阻,與線路上正常負(fù)載串聯(lián),使得回路電流變小,范圍在5～30 A,甚至可能更低[13]。故障電弧電流與正常電流對比如圖2所示。通常情況下,串聯(lián)故障電弧電流達(dá)不到傳統(tǒng)保護(hù)裝置的動作電流值,無法被準(zhǔn)確識別和有效保護(hù)。此外,串聯(lián)故障電弧電流受負(fù)載特性影響比較大,一些干擾性負(fù)載正常運(yùn)行時(shí)的波形與故障電弧發(fā)生時(shí)的波形非常相似,大大增加了準(zhǔn)確區(qū)分正常電流和故障電弧電流的難度,對檢測方式和檢測算法提出了更高的要求。

選用200 W白熾燈作為阻性負(fù)載,0.1 H電感線圈作為感性負(fù)載,串聯(lián)的200 W白熾燈和0.1 H電感線圈作為阻感性負(fù)載,120 W電視機(jī)作為非線性負(fù)載,分析了這4種負(fù)載正常電流和故障電流變化,波形對比如圖3所示。阻性負(fù)載正常工作時(shí)表現(xiàn)為正弦波,電流有效值為0.45 A,峰值約為0.69 A,故障發(fā)生時(shí)電流波形過零點(diǎn)附近平肩現(xiàn)象明顯,且存在高頻干擾信號,過零點(diǎn)后波形上升坡度陡峭。感性負(fù)載由于電感的作用,正常工作時(shí)電流波形為正弦波,但相比阻性負(fù)載波形更加光滑,電流有效值為6.86 A,峰值約為10 A。故障電弧發(fā)生時(shí)因電感可以釋放儲存的能量維持電弧的繼續(xù)燃燒,故障波形保持為正弦波,平肩現(xiàn)象幾乎沒有,電流有效值為6.65 A,電流幅值變小。阻感性負(fù)載下,正常工作和故障電弧發(fā)生時(shí)的波形與阻性負(fù)載相似,故障電弧的平肩現(xiàn)象表現(xiàn)得較為明顯。非線性負(fù)載的電流波形明顯區(qū)別于線性負(fù)載,正常電流波形與故障電弧電流波形非常相似,都是尖峰形,可以明顯看出故障電弧發(fā)生后電流幅值變小。若發(fā)生故障時(shí)電弧燃燒劇烈,正常工作電流與故障電弧電流間的差異將更加明顯,否則變化較小,區(qū)分難度增加。

2 故障電弧檢測技術(shù)研究現(xiàn)狀

受串聯(lián)故障電弧特性的影響,如何準(zhǔn)確識別并切斷串聯(lián)故障電弧一直是電氣火災(zāi)預(yù)防中尚未完全解決的難題。目前,國內(nèi)外研究學(xué)者檢測串聯(lián)故障電弧的方法可大致歸為3類,分別以故障電弧的數(shù)學(xué)模型、物理特征、電流/電壓波形變化為依據(jù)。

2.1 基于電弧數(shù)學(xué)模型的檢測方法

電弧數(shù)學(xué)模型是通過數(shù)學(xué)方程式來描述電弧動態(tài)變化的一種故障電弧檢測手段,在開關(guān)電器電弧特性研究方面已有不少成果,有描述電弧宏觀外特性的Cassie模型、Mayr模型、Stokes模型、Ayrton模型,及描述電弧內(nèi)部物理特性的磁流體動力學(xué)模型等[14]。1939年提出的Cassie模型,得出電弧的橫截面積與電流成比例且電弧電壓恒定不變結(jié)論,適用于高電流電弧[15]。1943年發(fā)表的Mayr模型,假設(shè)功率損耗由熱傳導(dǎo)引起,更適用于電流近似為零的情況[16]。

Cassie的動態(tài)電弧方程式為

(1)

式中:τ——電弧時(shí)間常數(shù);

g——電弧電導(dǎo);

u——電弧電壓;

Uc——電弧穩(wěn)定燃弧電壓。

Mayr的動態(tài)電弧方程式為

(2)

式中:i——電弧電流;

P——電弧散熱功率。

這兩種模型都具有片面性,無法完整表達(dá)電弧特性。很多電弧模型在它們的基礎(chǔ)上做出了改進(jìn)[17-18]。文獻(xiàn)[17]結(jié)合一個Cassie模型和兩個Mayr模型形成新的電弧模型來評估塑殼斷路器的直流分?jǐn)嗄芰?。文獻(xiàn)[18]通過過渡函數(shù)構(gòu)建了一種Cassie-Mayr組合模型,并仿真驗(yàn)證了改進(jìn)后的電弧模型,能夠較為準(zhǔn)確地描述電弧的動態(tài)特性。

由于電弧的隨機(jī)性與復(fù)雜性,建立電弧模型需要考慮的參量較多,所以不同的研究者會根據(jù)應(yīng)用地點(diǎn)預(yù)先設(shè)置一些邊界條件,而邊界條件的差異使得生成的電弧模型不同。目前,利用電弧數(shù)學(xué)模型進(jìn)行故障電弧檢測的研究進(jìn)展非常緩慢,更多停留在理論研究和實(shí)驗(yàn)仿真階段[19]。然而,電弧數(shù)學(xué)模型在理論上有效地描述了電弧參數(shù)之間的本質(zhì)關(guān)系,為故障電弧的進(jìn)一步深入研究奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2.2 基于電弧物理特征的檢測方法

電弧燃燒時(shí)伴有的弧聲、弧光、溫度、壓力等物理現(xiàn)象通常被用作故障診斷的依據(jù)[20]。國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者已經(jīng)研制出一些利用電弧的光學(xué)、電磁輻射等特性來檢測故障電弧的方法[21-24]。文獻(xiàn)[21-22]設(shè)計(jì)了一種故障電弧檢測裝置,若壓力分區(qū)話筒、紅外接收器、回路電線均檢測到電弧,則確定發(fā)生了故障電弧。文獻(xiàn)[23]使用電磁波和聲波的雙峰性進(jìn)行故障電弧檢測與定位,可以檢測被監(jiān)視區(qū)域內(nèi)的故障電弧。文獻(xiàn)[24]提取故障電弧電磁輻射信號的模極大值以獲得特征值,并根據(jù)該特征值設(shè)置合理的閾值來判斷是否發(fā)生故障電弧,基于電磁輻射的故障電弧實(shí)驗(yàn)電路原理如圖4所示。

受傳感器檢測范圍的限制,將弧光、噪聲、輻射和溫度變化等物理特征用于故障電弧檢測更常見于開關(guān)柜中,例如德國Moeller公司的ARCON系統(tǒng)、瑞士ABB公司的ARC Guard系統(tǒng)、芬蘭Vaasa公司的VAMP系統(tǒng)等[25]。這類方法應(yīng)用在低壓配電線路主要存在以下問題:①利用物理特征進(jìn)行檢測要求傳感器位置固定,而故障電弧的隨機(jī)性導(dǎo)致位置不確定,如果傳感器安裝位置距離故障發(fā)生地點(diǎn)較遠(yuǎn),檢測效果將大大降低,這是無法大規(guī)模應(yīng)用于電力線路的主要原因;②與配電柜、隔離配電柜、開關(guān)柜等設(shè)備相比,配電線路中的電弧物理特征相對較弱,隱蔽性較強(qiáng),不容易被發(fā)現(xiàn),要提高檢測的靈敏度則勢必會導(dǎo)致檢測裝置成本的增加。

2.3 基于電弧電流/電壓波形的檢測方法

故障電弧檢測的主要研究方向是根據(jù)電壓、電流信號的波形特征來區(qū)分正常狀態(tài)和故障狀態(tài)。這類檢測方法通常是利用故障電流信號特征確定合適的檢測指標(biāo),或者構(gòu)建特征向量與故障電弧之間的映射關(guān)系,即建立故障電弧識別模型來檢測故障電弧。

可以選擇的電弧電流時(shí)域特征有電流比[26]、周期均值變化率[27]、積分值[28]、差值均方根[29]等,或使用諧波分析[30]、傅里葉變換[31]、小波變換[32]等工具分析故障電弧電流信號在頻域和時(shí)頻域中的特征,與預(yù)設(shè)的閾值進(jìn)行比較,確定故障是否發(fā)生。文獻(xiàn)[30]基于CZT(Chirp Zeta Transform,CZT)對電流信號進(jìn)行高分辨率、低頻率光譜分析。文獻(xiàn)[31]利用傅里葉變換提取出負(fù)載正常運(yùn)行和故障發(fā)生時(shí)電流的諧波分量,通過對比兩者諧波分量差找出故障電弧發(fā)生時(shí)的特征量。文獻(xiàn)[32]用dB4小波作為小波基函數(shù),對降噪后電流波形數(shù)據(jù)進(jìn)行2層小波分解和重構(gòu),通過提取的小波高頻分量的周期方差值來區(qū)分正常電流和故障電弧。

為了建立故障電弧識別模型,先通過信號分析工具提取電流特征信號得到特征向量,再將特征向量輸入支持向量機(jī)[33]、模糊控制[34]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[35-38]等分類器進(jìn)行分類,得出分類結(jié)果。文獻(xiàn)[33]通過經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(Empirical Mode Decomposition,EMD)分解經(jīng)小波包去噪后的信號,得到特征向量并由支持向量機(jī)進(jìn)行分類。文獻(xiàn)[34]利用卡爾曼濾波器提取Res和|diff3(X2)|為故障特征,用作模糊邏輯處理模塊的輸入。文獻(xiàn)[35]將傅里葉系數(shù)、梅爾頻率倒譜系數(shù)和小波特征作為特征量輸入3個全連接層進(jìn)行訓(xùn)練,完成故障電弧的自動識別。文獻(xiàn)[36]使用稀疏編碼來捕獲電流信號特征,并使用完全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)特征和分類故障電弧。文獻(xiàn)[37]率先采用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對串聯(lián)故障電弧進(jìn)行辨識,通過改進(jìn)的AlexNet模型自動學(xué)習(xí)訓(xùn)練集中的深層特征并對其進(jìn)行測試,獲得較好的故障電弧識別精度,驗(yàn)證了深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在故障電弧高精度檢測方面的可行性。在此基礎(chǔ)上,文獻(xiàn)[38]提出了一種與AlexNet并行的新網(wǎng)絡(luò)模型,用于對故障電流信號進(jìn)行特征提取、學(xué)習(xí)和狀態(tài)分類,檢測精度和穩(wěn)定性都要高于文獻(xiàn)[37]。其神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)架如圖5所示。

分析故障電弧電流的時(shí)域、頻域、時(shí)頻域特征來提取特征值具有一定的效果,但一般適用于某些特定的負(fù)載,難以保證預(yù)先提取的串聯(lián)故障電弧特征具有代表性;構(gòu)建故障電弧模型提高了檢測性能,但計(jì)算更加復(fù)雜,算法的實(shí)現(xiàn)對硬件提出了更高的要求。目前,最先進(jìn)的算法是使用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來識別串聯(lián)故障電弧。該算法具有出色的自適應(yīng)特性和無與倫比的數(shù)據(jù)處理能力。

2.4 故障電弧檢測應(yīng)用

以上所闡述的各種故障電弧檢測方法,大多還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段,若要大規(guī)模應(yīng)用到現(xiàn)場,應(yīng)用到消防系統(tǒng)中,還需要反復(fù)多次的試點(diǎn)和改良。

在消防產(chǎn)品市場應(yīng)用中,技術(shù)保護(hù)一般都以專利形式進(jìn)行。目前,國內(nèi)外的消防產(chǎn)品在故障電弧檢測方面,主要通過比較電流波形特征與代表典型電弧電流的設(shè)定閾值來檢測故障電弧。劉有光等[39]先根據(jù)電流數(shù)據(jù)計(jì)算出的故障電弧特征值,預(yù)設(shè)特征值閾值,然后再以此為依據(jù)進(jìn)行判斷:若運(yùn)行時(shí)故障電弧特征值低于閾值T1,判斷未產(chǎn)生故障電弧;若運(yùn)行時(shí)故障電弧特征值高于閾值T2,判斷產(chǎn)生故障電弧,立即進(jìn)行脫扣處理;若運(yùn)行時(shí)故障電弧特征值介于閾值T1和T2之間,判斷狀態(tài)不定,進(jìn)行報(bào)警處理。Privitera等[40]將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成低頻段、高光譜分辨率的頻率數(shù)據(jù),通過識別頻率數(shù)據(jù)在至少兩個后續(xù)觀察窗之間的差異及超過閾值的特性來辨別電弧狀態(tài)。Shea[41]對電流傳感器提供的高頻電流信號進(jìn)行濾波,與設(shè)定閾值進(jìn)行比較,通過電壓過零信號、閾值比較和預(yù)定周期數(shù)的不對稱高頻信號三種檢測結(jié)果來判斷是否跳閘切斷電弧。

然而,以預(yù)先提取的故障電弧特征作為判別依據(jù),其動作閾值范圍有限,無法自適應(yīng)地隨負(fù)載和環(huán)境的變化而變化,容易造成誤動作。當(dāng)負(fù)載為線性負(fù)載或負(fù)載變化不大時(shí),這類方法基本滿足條件;而在電弧燃燒周期內(nèi),非線性負(fù)載的故障電弧電流的時(shí)域、頻域特征可能會隨時(shí)間發(fā)生變化。因此,難以保證預(yù)先提取的串聯(lián)故障電弧特征的代表性是故障電弧向前發(fā)展的主要障礙。

可以看出,故障電弧檢測技術(shù)研究應(yīng)用到現(xiàn)場,是需要一個過程的,市場上相對成熟的應(yīng)用技術(shù)普遍滯后于先進(jìn)理論技術(shù)的研究。但任何技術(shù)研究的目標(biāo)都是為了走向市場,解決問題,造福人類。因而,現(xiàn)場的技術(shù)雖然與研究領(lǐng)域的技術(shù)相比有所滯后,但其逐步發(fā)展,為先進(jìn)技術(shù)的投入應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ),提供了一定的經(jīng)驗(yàn)。

3 故障電弧檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢

多年來,國內(nèi)外研究學(xué)者一直致力于故障電弧精確檢測的研究。針對目前國內(nèi)外在這一領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀和低壓串聯(lián)故障電弧精確檢測的難點(diǎn),可以從以下幾個方面進(jìn)一步深入研究,以期獲得更好的檢測效果,并盡快應(yīng)用于現(xiàn)場,從而為火災(zāi)減少做出一定的貢獻(xiàn)。

(1) 綜合弧光、噪聲、輻射、溫度、電流、電壓變化的信息,將多參量信息進(jìn)行融合,建立多參量信息融合模型是故障電弧檢測的一個主要方向。它有利于提高檢測精度,彌補(bǔ)單一參量的不足,但還需進(jìn)一步研究多特征信息下故障電弧高精度辨識的智能算法。

(2) 針對電器種類和聯(lián)結(jié)方式的復(fù)雜性,采用深度學(xué)習(xí)等新技術(shù)自動學(xué)習(xí)故障電弧深層特征,通過囊括大規(guī)模電流數(shù)據(jù),及時(shí)分析用電線路變化情況和準(zhǔn)確辨識故障電弧是否發(fā)生,做到自適應(yīng)保護(hù),以適應(yīng)低壓電網(wǎng)的多樣化發(fā)展。

(3) 目前對故障電弧檢測的研究基本停留在電弧發(fā)生后再檢測,在電弧燃起來之前實(shí)現(xiàn)故障電弧檢測是一個比較新的課題。已有研究表明,可根據(jù)電弧燃弧前的特征,如燃弧前空氣擊穿產(chǎn)生的超聲波,來實(shí)現(xiàn)故障電弧預(yù)警。

(4) 目前的算法在如何正確識別串聯(lián)故障電弧方面做出了深入研究,判斷精度比較高。而在高準(zhǔn)確率情況下,系統(tǒng)判斷結(jié)果也可能出現(xiàn)有故障電弧檢測不到、沒有故障電弧卻判斷有故障電弧的情況。因此,要盡可能防止誤診,可以等待一定數(shù)量的連續(xù)假陰性事件或一個時(shí)間段內(nèi)出現(xiàn)的事件數(shù)量來判斷是否斷開電路。

(5) 判斷方法是否能夠達(dá)到判斷故障電弧的效果,要進(jìn)行具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析,對盡量多負(fù)載正常、故障時(shí)的電流、電壓波形進(jìn)行采集。這就需要建立完整的低壓串聯(lián)故障電弧數(shù)據(jù)庫。

4 結(jié) 語

隨著電氣化程度的不斷加深,人們越來越意識到故障電弧的潛在威脅。本文從低壓配電系統(tǒng)交流串聯(lián)故障電弧的產(chǎn)生原因及故障特征入手,分析了串聯(lián)故障電弧檢測的難點(diǎn),對現(xiàn)有幾類故障電弧檢測方法進(jìn)行了綜述,詳細(xì)介紹了各種檢測方法及它們應(yīng)用于低壓供配電線路時(shí)可能存在的一些問題,并指出了當(dāng)前國內(nèi)外故障電弧檢測專利在實(shí)際應(yīng)用中存在的不足。最后,借鑒已有的檢測技術(shù),提出了基于深度學(xué)習(xí)、多信息融合、自適應(yīng)保護(hù)的故障電弧檢測未來發(fā)展方向,以期推動故障電弧檢測技術(shù)的繼續(xù)深入研究。