Study on the Detection Methods of DC Series Arc Fault

It is difficult to detect and extinguish direct current(DC)arc in power electronics systems,and the arc could easily lead to a fire and cause great damage to surrounding equipment.A DC arc generation simulation unit is established,in which DC series arcs are generated by dragging the moving electrode away from the fixed one with the help of the stepper motor.In addition,a ferrite rod antenna is used to receive the electromagnetic radiation signals induced by the arcs.Based on experiments using the unit,the general characteristics of DC arc,including the pulse characteristics of arc current and source output in corresponding time window,and the frequency-domain characteristics of arc current,are studied.With discussion on three detection methods,it is concluded that the variation of current and voltage of arc,the spectrum of the arc current during the discontinuous intervals and the radiating electromagnetic signal are all features that can be adopted for detecting DC series arc.Therefore,a synthetic judgment method is suggested for further study.

低压直流电弧检测与分断技术研究综述

低压直流电弧精准检测与快速分断技术是保障低压直流配用电系统安全、稳定、可靠运行的关键。首先综述轨道交通新场景下发展的直流故障电弧检测技术,分析多类基于时频域特征构建算法和基于机器学习的智能模型设计方式,介绍采用电磁、电流信号等特征的多种直流故障电弧定位技术。其次综述面向低压直流系统的快速分断技术,概述传统机械断路器开断方法,介绍基于电力电子器件发展的混合式断路器和固态断路器研究进展。最终提出低压电器设计领域发展方向,以期为相关研究人员提供参考。

基于时域、频域双重判据的光电建筑直流电弧故障算法仿真研究

直流电弧引起的电气火灾为分布式光伏需要防范的首要风险。本文分析了直流电弧故障的故障类型及其精确识别的影响因素,总结了当前电弧故障相关检测标准及检测方法。基于Matlab搭建了直流电弧检测平台模型并重点研究了直流电弧检测算法中滤波器设计方法。利用直流电弧检测平台模型验证了电弧故障时域、频域特征识别算法有效性。

基于时频域参数分析的直流电弧故障检测装置

针对现有的直流电弧故障检测方法容易受到环境影响,无法实现精准检测,且算法结构复杂,难以部署于实际应用,基于短时傅里叶变换设计一种直流电弧故障检测算法。通过分析电弧电流信号在频域上的幅值变化趋势,将频谱划分为不同的阶段,计算不同阶段频率积分的比值,根据大量实验结果得到判定的阈值从而实现电弧故障检测。最后,选择合适的单片机实现检测算法并进行测试,验证所提算法的有效性。结果表明,所提算法不仅能在多种类型负载并联的情况下及时检测出电弧故障,检测的准确率可达94.4%,而且在面对正常状态电流时的误判率为0,证明其具有较好的稳健性。

低压直流串联故障电弧研究综述

直流串联故障电弧发生时隐蔽性较高、检测难度大,是低压直流系统发生火灾的重要原因。主要从低压直流串联故障电弧模型、电弧特征及其检测方法、检测标准及装置等3个方面进行综述。基于电弧仿真模型了解电弧演化过程,分析常用故障电弧模型的原理、适用范围和局限性;基于故障电弧的物理、电气信号特征构建及检测方法,阐述不同特征检测方法的优缺点;最后对直流串联故障电弧相关标准进行解读,并讨论试验平台及产品的研究现状和不足,展望未来低压直流故障电弧相关领域的研究方向。

光伏直流系统故障电弧检测方法研究综述

直流故障电弧,特别是串联故障电弧是光伏系统(PV)发生火灾的重要原因。如果不及时发现和中断,此类危险事件可能导致灾难性火灾,将对人身安全和财产构成严重威胁。文中分析了直流故障电弧发生的机理和故障特征;综述了近几年光伏发电系统中直流故障电弧检测、定位方法。对近年发表的论文进行技术细节的总结和讨论;最后,针对直流系统,从实际应用的角度出发指出了当前亟需解决的问题,并展望了未来直流故障电弧检测以及故障电弧定位的应用场景和研究方向。

光伏直流配电故障诊断及火灾风险评估技术

长期服役的光伏发电系统直流配电故障概率高、火灾风险及危害大,严重影响光伏电站的运行安全、发电与出力能力,并对电站运维提出故障与火灾精准检测的技术挑战。为此,从生产现场直流配电柜故障分析入手,揭示接触不良、绝缘劣化、故障电弧、电气火灾的演变机理;分析国内外故障电弧诊断与火灾检测技术的理论成果应对在运电站电弧火灾的有效性,提出故障电弧预诊断与火灾检测技术的应用解决方案。研究结果表明,提出的故障电弧诊断与火灾检测技术应用方案,弥补直流继电保护对串联电弧故障无法保护的不足,能够有效诊断故障电弧并检测烟雾和高温,避免火灾及其扩大事故的发生。

故障相桥臂转移接地消弧装置直流侧电压控制方法

为解决传统三相直挂式柔性消弧装置非故障相桥臂承担线电压的问题,提出一种故障相桥臂转移接地的消弧方法。该方法通过开关控制故障相桥臂转移接地,母线电压由故障相桥臂与非故障相桥臂共同承担,三相桥臂共同输出电流,以实现消弧。针对级联H桥直流侧需独立供电的问题,提出分布式电压平衡换流调制方法。该调制方法根据H桥输出状态和电流方向对直流侧电容充放电的影响,有选择地改变H桥的输出状态,进而实现直流侧电压的稳定。使用该调制方法的消弧装置无须在直流侧配备独立供电电源,在消弧过程中能保持H桥直流侧电压稳定。最后,采用Matlab/Simulink仿真软件对所提方法进行验证,仿真结果证明了所提方法的有效性。

基于逻辑回归的直流串联电弧故障检测算法与设计

针对光伏系统中直流串联电弧故障,搭建了直流电弧试验平台。利用霍尔电流传感器获得大量故障电流数据,从数据的时频域中提取了四个能反映电流与电弧故障关系的特征量;提出一种计算特征量变化量的方法,有效避免了传统固定阈值比较法难以适用于复杂多样工况的问题;利用机器学习逻辑回归方法,得到电弧故障的检测参数,通过大量数据验证,发现几乎不会有电弧错报情况。所提算法能够运用于嵌入式设备并部署在光伏系统用于电弧检测。

基于EEMD-SVM的光伏阵列直流电弧故障检测

光伏阵列随着运行时间的增长,阵列内数量众多的连接线缆、连接头容易产生破损或连接失效等问题,引发直流电弧故障,严重影响系统的安全运行,因此需要采用合适的检测方法进行故障诊断,以及时发现电弧故障。直流电弧故障的检测方法大致可以分为基于物理特性和时频特性两类。前者成本高,难度大,不适合大型光伏系统;后者随着近几年人工智能技术的兴起,大多数是提取直流电弧故障的时频域特征值形成数据集,运用神经网络或智能算法对其进行识别、训练、归纳等,达到检测目的,目前实际应用的检测方法侧重于后者。选用基于时频域特性的集合经验模态分解和支持向量机结合方法进行检测,在MATLAB/Simulink仿真平台搭建光伏阵列模型和直流电弧故障仿真模型,模拟光伏阵列不同位置的串、并联电弧故障,对电流信号进行采集、分析与处理。实验结果表明,支持向量机模型能够较好地对光伏阵列直流电弧故障进行识别和检测,有效区分光伏阵列正常工作状态与故障工作状态。

限流型直流变压器拓扑结构及其暂态特性研究

能量路由器的核心元件为双有源桥(dual active bridge,DAB)直流变压器,针对其短路故障时电流上升速率快,峰值大,导致DAB内部电力电子器件闭锁的问题,该文提出一种具有限流型结构的直流变压器,限流装置结构为从DAB高压侧H桥连接单相整流桥,再与输出端口的限流电感相连。当直流系统发生短路故障时,限流型直流变压器采用混合控制算法进行整流,为限流电感提供钳位电压,限制故障电流的峰值,并与断路器配合实现无弧开断,该方法避免DAB中电力电子器件发生闭锁,快速实现故障限流和隔离。在仿真系统中搭建了基于10kV/750V直流变压器的限流型直流变压器的模型,仿真结果表明限流型直流变压器与断路器配合实现故障限流和隔离的有效性和可行性。

太阳能发电系统直流电压电弧故障检测装置研究

太阳能发电系统在直流电压下的电弧故障是一种阻抗相对较高的扰动,故障电流比标称电流更大。电弧故障的速度非常快,具有大约0.01秒的0.5个周期的扰动速度。诸如常规类的检测设备将无法检测到干扰。文章设计太阳能发电网络中的电弧故障检测设备,旨在早期缓解太阳能发电网络系统中出现的电弧故障,以降低电弧故障干扰引起火灾的发生率。

基于时频域联合阈值判定的光伏电站直流故障电弧在线检测系统

直流故障电弧是引起光伏电站火灾、造成重大损失的主要原因之一。现已提出多种检测方法对直流故障电弧进行防控,但大部分方法需要通过人工电弧进行验证,缺乏现场实用性和可靠性;且光伏电站现场直流故障电弧的偶发性和检测装置的复杂性,导致真实直流故障电弧的检测验证难以实施。针对该问题,基于时频域联合阈值判定法,搭建了云边协同的光伏电站直流故障电弧在线检测系统,并在光伏电站现场对其检测效果进行了实验验证。验证结果表明:该直流故障电弧在线检测系统可有效检测真实直流故障电弧,但存在42.1%的误判率,现场检测的抗干扰性仍需进一步提高;同时,发现了光伏组件MC4端子在直流故障电弧影响下的失效过程,可为MC4端子直流故障电弧类火灾防控技术的研究提供参考。

低压直流系统故障电弧检测技术研究综述

随着系统容量日趋增大、电压等级逐渐提高,直流系统故障电弧威胁日益提升,新型源荷设备的接入更是增加了系统干扰的复杂程度,传统保护技术无法满足直流故障电弧及时准确的检测需求。文中从电弧仿真、特征构建、算法设计、硬件实现4个方面总结了直流故障电弧检测技术的研究进展,讨论了不同电弧仿真模型的缺陷,分析了复合电弧模型的针对性改进;论述了基于物理、电磁、电气信号的特征构建方法,对比了不同时频检测特征优势;并从故障电弧特征融合的角度,基于树莓派平台比较了机器学习算法与阈值比较算法的检测应用效果;介绍了国内外直流故障电弧测试标准与测试平台,已研制的故障电弧检测样机在体积、成本方面更具优势。未来故障电弧检测设备可集成其他故障检测功能以综合提升直流系统安全保护效率,同时结合机器学习、5G网络等先进技术实现智能化检测应用。

基于电磁辐射时延估计的串联光伏直流电弧故障定位方法

串联直流电弧故障是光伏系统电气火灾的主要诱因,在系统运维中不仅需要识别电弧故障,更需要确定电弧故障的发生位置。针对光伏串联直流电弧故障定位问题,该文提出一种基于电弧电磁辐射信号广义互相关时延估计的故障定位方法。搭建光伏串联直流电弧故障定位试验平台,分析光伏串联直流电弧电磁辐射信号特性,其在电弧产生初期具有明显的脉冲变化特征,且电弧电磁辐射信号强度与电流变化率成正比。通过对比分析,选取性能较为均衡的Vivaldi天线进行电弧电磁辐射信号测量,其带宽为100 MHz~1 GHz。采用4根天线构成的Vivaldi天线阵列进行电弧故障定位,其天线分别位于棱长1 m的正三棱锥顶点。利用最大似然加权算法进行广义互相关时延估计的加权处理,减少信号噪声影响;同时用最小二乘法进行电弧电磁辐射信号互相关频谱峰值拟合,从而减小频谱计算中栅栏效应的影响。试验结果表明,所提方法的定位误差在15%以内,为基于电弧电磁辐射的故障定位策略应用提供了依据。

基于自适应形态学的直流故障电弧检测特征增强研究

光伏直流系统中的复杂系统噪声干扰使得故障电弧的特征难以有效提取,从而导致误判或漏判。因此,为了确保系统的可靠性,精准检测故障电弧并增强其检测特征至关重要。为此,研究了形态学对直流故障电弧检测特征的增强作用,提出了一种自适应数学形态学(mathematical morphology, MM)算法,利用粒子群算法结合信号特征对结构元素进行自适应动态寻优,提升信号信噪比同时增强检测特征,并与随机共振和小波分析算法进行对比,验证了提出方法具有很好的特征增强效果,可有效区分正常和故障电弧。最后结合支持向量机对检测特征进行决策,得到了高达96.23%的检测精度。自适应形态学算法能有效地增强故障电弧检测特征,适用于不同实验场景的自适应寻优,有助于精准、有效地检测直流故障电弧。

基于CEEMDAN-HT和SAE的直流故障电弧诊断方法研究

为了解决直流系统中工况变动及负载变更条件下造成的故障电弧识别准确率低的问题,提出了一种基于自适应噪声的完全集合经验模态分解-希尔伯特(complete ensemble empirical mode decomposition with adaptive noise-Hilbert transform,CEEMDAN-HT)包络谱和堆叠自编码器(stacking automatic encoder,SAE)的直流串联故障电弧诊断方法。首先参考雄安高铁站区直流系统典型负载搭建含混合负载的直流串联故障电弧实验平台,采集多工况下的电流信号并建立故障电弧数据库。其次采用CEEMDAN对原始信号进行分解得到多个固有模态函数(intrinsic mode function,IMF),然后进行HT变换(Hilbert transform)分析包络谱,组成首尾相接的高维特征样本,最后将样本输入SAE模型中学习特征,实现变负载下的直流故障电弧识别。实验结果表明:该方法能够很好地发挥CEEMDAN-HT从原始信号中提取故障电弧特征和SAE无监督学习的能力,不需要人工设置阈值即可准确识别故障电弧并进行负载分类,平均准确率可达98.9%。

直流侧免供电的配电网接地故障电流柔性调控方法

传统的配电网单相接地故障电流柔性调控装置存在拓扑结构复杂、安装位置受限、直流侧供电困难等问题。基于新型的两相直挂式装置,文章提出一种直流侧免供电的配电网接地故障电流柔性调控方法,可以解决上述问题。两相直挂式装置所需桥臂数量少,且限流电感可复用为分压电感,整体结构得到简化;装置无需经接地变压器接入配电网,便于在馈线处安装,可实现接地故障电流的分散式调控;调控接地故障电流时,根据“电压电流垂直”原则,在两相直挂式装置的两桥臂间,分配算得的接地故障调控总电流,可实现装置直流侧免供电。此外,降低装置并网冲击电流而采用的软并网方法、遵循“电压电流同相位”的充电控制原则等,是两相直挂式装置实现接地故障电流有效调控的前期保障。最后,Matlab/Simulink软件仿真验证所提方法的有效性。

直流微电网系统电弧故障特征及检测方法

直流微电网电弧故障发生位置分散,易被变换器高频噪声淹没,难以进行检测。针对现有直流电弧故障保护方法在直流微电网中应用时存在误动作和拒动作的问题,搭建直流微电网故障电弧实验平台,开展了不同位置串并联故障电弧实验,从时频域角度对直流微电网故障电弧信号特性进行研究,采用快速傅里叶变换(fast Fourier transform,FFT)分析微电网直流母线电流信号,将得到的频谱进行分段积分,将电弧信号10 Hz~10 kHz、20~30 kHz、40~50 kHz这3个特征频段积分值作为第一特征,采用互补集合经验模态分解(complementary ensemble empirical mode decomposition,CEEMD)算法进行时频分析,将母线电流信号分解成若干各本征模态分量(intrinsic mode function,IMF),计算各分量能量值,比较分析选取局部分量IMF7和IMF8的能量作为第二特征。在此基础上,提出基于阈值比较的故障电弧检测方法。研究结果表明:所提方法能够准确实现不同位置的串并联故障电弧检测,且在负载投切和变换器动态调整时未发生误判,为开发可靠的电弧故障检测与灭弧装置提供参考.

包络微分算子增强直流故障电弧特征及其半监督式辨识方法

针对生弧材料弱化故障电弧特征和监督式学习方法依赖于大量标记数据的问题,提出了包络微分算子增强故障电弧特征,并采用半监督学习模型融合该特征辨识直流故障电弧和生弧材料的方法。首先依据UL 1699B搭建直流故障电弧实验平台,采集了铝、黄铜、不锈钢、石墨铸铁以及球墨铸铁常见电力设备材料下的故障电弧信号,再采用包络微分算子增强电弧小波特征,有效提升了多生弧材料条件下的故障电弧特征显著性。然后通过K⁃Means算法进行离群点检测,有效降低了同种生弧材料的特征波动。最后通过采用半监督学习算法MixMatch改进长短期记忆网络(long short⁃term memory,LSTM)模型,实验结果验证了该模型可在有限故障数据条件下获得比现有监督式学习模型更高的故障电弧和生弧材料辨识性能,为直流故障电弧精准运维提供了可行的技术手段。