建筑直流供用電系統故障電弧檢測技術研究綜述

袁金榮 李偉進 林寶偉 南樹功 劉智亮

1.華南理工大學電力學院 廣東廣州 5106401；2.珠海格力電器股份有限公司空調設備及系統運行節能國家重點實驗室 廣東珠海 519000；3.國創能源互聯網創新中心（廣東）有限公司 廣東珠海 519000

1 引言

在碳中和目標指引下，我國光伏等新能源將迎來巨大發展。新能源發電具有高隨機性的特點，而用電高峰谷差等的問題日漸突出，集中式輸配電具有很大挑戰，局域的直流供用電系統是一種有效的解決方案。目前已廣泛應用于市政路燈、電動車、數據中心，并且在飛機、船舶、軌道交通、海島供電、低碳建筑領域具有廣闊的應用場景。

在建筑直流供用電系統中，電壓不高于1.5 kV，線纜導體截面小、機械強度低、絕緣水平低，其在運行過程中易發生動物咬傷、機械損傷、絕緣老化、接頭松動、線路斷線或接搭地等，繼而在絕緣損壞、接觸不良或故障處產生直流電弧。由其發展而來的持續高溫電離氣體便會釋放出大量熱量，可能引起火災等事故，影響電氣設備的安全可靠運行[1-2]。回顧交流場景下的歷史數據，2013年電氣火災占全年的火災事故29.7%；2017年我國火災死亡人數達1065人，直接導致財產損失約26.2億元，其中因電氣引發的火災共有7.4萬次，占火災總數的33.6%；2019年全年共接報火災23.3萬起，死亡1335人，直接財產損失36.12億元。住宅火災中，已查明原因的火災中有52%系電氣原因引起，電氣引發火災高居不下。而故障電弧是引發電氣火災的誘因之一[3-5]。

頻繁發生并逐年攀升的電氣火災所造成的巨大經濟損失及人身安全事故使得電弧故障保護得到關注，國內外也針對電弧故障保護做了大量的研究。在標準規范方面，針對有關故障電弧的標準如表1所示，多適用交流系統或特殊場景（如光伏）的故障電弧保護電器（arc-fault detection device, AFDD）。交流電弧相關標準全面規定了AFDD性能等要求、試驗平臺及試驗方法，形成了串聯電弧故障試驗、并聯電弧故障試驗、屏蔽試驗和誤脫扣試驗等項目；美國國家電氣規范（national electrical code, NEC）第690.11號文件提出了直流母線大于80 V的光伏并網系統要配備故障電弧檢測裝置和斷路器，以解決光伏直流電弧故障導致的安全問題；美國保險商試驗所（underwriter laboratories Inc., 簡稱UL）制定了光伏直流AFDD產品標準UL 1699B，其根據光伏直流系統場景的固有特性，如AFDD在逆變器、匯流箱或DC/DC變換器的位置，直流開關、光照突變等試驗條件，總結了應用案例及對應的試驗電路，被試AFDD只要選擇其適用的項目進行試驗合格[8,9,12]。交流配電和光伏場景已有相對完善的標準體系，而在建筑場景的直流供用電系統故障電弧檢測標準方面，則較為缺乏。由于直流供用電系統中存在著光伏、儲能、各母線變換器及直流電器等多源多荷，系統組成方面較交流配電和光伏并網復雜；直流供用電系統當前采用750 VDC/400 VDC/48 VDC供電電壓，同種類電器下，直流電器電流幅值較交流電器有變化；直流電器取消了AC/DC變換器，對于接口特征有顯著變化，如變換器的開關頻率、接口并網諧波、負荷容性等。隨著直流供用電技術的迅猛發展及大量示范應用落地，對于直流技術驗證有很大推動作用，但未設置直流電弧故障檢測及保護的系統存在電氣事故風險。直流供用電系統的電弧故障保護研究及標準規范建立尤為必要。

表1 相關故障電弧的標準、規范

在直流電弧技術研究方面，文獻[1]提出針對特征量的提取，需要研究直流電弧高頻電壓和電流脈沖在電弧不同階段、不同功率作用下的變化規律；還需明確系統控制策略對檢測方法的影響，合理地選擇檢測裝置布置方案。文獻[3,6,7]綜述了直流故障電弧時域、頻域及時頻域組合的檢測方法，并對比分析了各算法的適用性，提出生成直流故障電弧的不同工況、多信息融合檢測、交直流故障電弧的綜合防護等研究方向。相關文章還提及了基于聲、光、輻射等物理特性等的檢測方法及其在不同場景、環境下的特殊算法[10]。文獻[4,11]論述了光伏直流電弧故障檢測方法，及建立仿真模型和實驗平臺。考慮到逆變器高頻噪聲及電網諧波的干擾會對檢測產生影響，研究多考慮到場景、運行工況及設備自身特性參數等對檢測方法的影響，理論上提出了相應適用的檢測方法。但都未具體開展建筑直流供用電系統電弧的檢測研究試驗。本文梳理了光伏、電儲能、電動汽車、飛機、船舶、特/超高壓直流場景下故障電弧模型、試驗平臺方案、特征分析方法及檢測算法等，分析了研究成果對建筑直流供用電系統的適用性；對于建筑直流供用電系統電弧檢測研究較少的問題，結合格力光伏未來屋直流社區，梳理了故障電弧測試平臺、測試內容及測試結果，指出了建筑直流供用電系統電弧檢測的技術研究方向，為建筑直流供用電系統的故障電弧試驗規范制定及檢測技術研究奠定基礎。

2 典型場景下故障電弧檢測

2.1 光伏系統

UL 1699B中AFDD應用案例細分為集成在逆變器中的AFDD、嵌入在母線盒中的AFDD、獨立的AFDD、直流整流器系統中的AFDD。并給出了不同測試電路的參數以及測試電路中至少三個電弧發生器的位置。其表明不同的阻抗網絡會顯著的影響試驗結果。其還提供了誤脫扣測試，例如逆變器、整流器和充電控制器，直流開關操作，光照突變等產生干擾時不會跳閘。它不包括并聯電弧測試，原因如下：①光伏電纜絕緣層可靠性高，不易自然斷裂而產生并聯電弧故障；②與家用電路的工作環境不同，光伏的工作環境很少來自外部的機械損傷，極難發生并聯電弧故障；③在并聯故障電弧發生前，首先會發生過流或短路故障，從而觸發保護性電器的動作[12]。

針對光伏系統中的電力電子轉換器的開關頻率、諧波和EMC噪聲干擾等，文獻[13]提出了基于系統特征平面的檢測方法，通過頻域特征向量之間的距離與時域特征向量之間的距離構成系統特征平面（頻域特征向量使用小波能量分析方法提取，時域特征向量為電流幅值的方差），以自動排除變換器開關頻率的干擾；文獻[14]提出一種支持向量機（support vector machine，SVM）與自適應陷波消諧處理相結合的直流故障電弧檢測方法，選擇40～60 kHz、60～80 kHz、80～100 kHz三個頻段諧波能量和值及時域方差特征值四個特征值為SVM的特征量進行分析。為了消除自身諧波特性及噪聲干擾對時頻域特征產生的影響，文獻[15]提出一種基于集合經驗模態分解（ensemble empirical mode decomposition, EEMD）和模糊C均值聚類（fuzzy C means clustering, FCM）的組合故障檢測方法，其對于不同輸出功率、逆變器開關頻率、啟動及陰影遮擋等情況，具有較好的抗干擾能力；文獻[16]通過多頻段動態篩選，自適應頻率檢測方式，通過調整DSP濾波器對光伏輸出直流側電壓、電流信號進行濾波，從而濾除逆變器的干擾信號和可能的誤觸發信號[17]。針對光伏發電低功率，弱電弧燃燒的檢測問題，文獻[18]提出基于小波-奇異值分解的信號消噪新方法，并采用閾值法實現了弱電弧檢測。

在光伏直流故障電弧測試平臺的構建上，基本使用UL 1699B測試方法和電弧發生裝置，采用不同的源、荷配合來完成拉弧。研究使用真實光伏陣列/光伏模擬器+電子負載/可變純阻性負載/逆變器的組合方式，以測試正常和故障工況、不同天氣環境等條件下的數據[19-23]；也有通過建立一個Cassie電弧模型，形成理論+試驗相結合的研究方法[24-25]。基于光伏產業的成熟，直流電弧研究較為深入，不乏有廠家已在光伏逆變器上標配或選配直流電弧檢測裝置。光伏作為建筑直流供用電系統的組成部分，成熟的光伏系統直流故障電弧試驗方案、檢測算法等對于建筑直流供用電系統具有一定參考意義，而對于光伏系統輸出接入直流母線，其帶有不同拓撲結構、工作頻率等的DC/DC變換器的故障電弧特征需要研究。

2.2 儲能系統

光伏發電的隨機性，影響電力系統的安全穩定運行，導致了其并網消納問題凸顯。GB 38755-2019《電力系統安全穩定導則》規定，光伏等新能源場站需提高調節能力，配置儲能等靈活調節資源。可以窺見，分布式光儲系統結合應用十分必要。國內對于電儲能系統直流故障電弧檢測研究較少，國外學者通過建立直流光儲平臺，通過將不同電池模組充放電設備和不同廠家、不同類型、不同電壓電流等級的電池結合，做以故障電弧數據采集，串、并聯直流電弧產生點為光伏組串輸出、電池模組輸出處。試驗架構如圖1所示[26]。文獻[27]使用一個48 V直流電池組和一個最高可提供1000 A的電阻負載相串聯，對不同工況帶弧和不帶弧的信號進行比較，提取電弧特征量，以論證不同檢測方法的電弧故障斷路器（arc fault circuit interrupters,AFCI）有效性。文獻[28]建立包含直流儲能系統的仿真模型。針對電池模組提出一種使用DOCAS（Decomposed Open-Close Alternating Sequence）的形態濾波器，并結合電池管理系統（battery management system, BMS）的SOH/SOC/溫度測量，形成自適應閾值分類器，此算法有很好的噪聲抗擾度。

圖1 直流儲能系統串、并聯電弧故障示意[26]

相較于光伏，其儲能電池全局阻抗低，即做頻域分析時，電流幅值更大。具有更高的峰峰值、噪聲幅值及開關頻率峰值，光伏的相關檢測算法應不能直接用于儲能。儲能系統具有動態充放工況，致使電池充放電倍率動態變化，切換過程與故障電弧狀態的時頻域特征辨識，也需要特殊考慮。

2.3 電動汽車

汽車電氣系統，電壓等級低，負載種類多樣，各種儀表、車燈等均采用負極搭鐵方式連接，電弧故障信號更隱蔽、微弱。基于負載的多樣性，文獻[29]將車燈、信號燈、動力電池組、啟動系統等作為典型負載，并將負載組合為單一串聯負載、混合并聯負載和突變負載3類。并建立Cassie模型，利用5層小波包分解，重構和提取以電弧故障發生前后的能量比值特征量；文獻[30]提出了一種基于先進機器學習的電弧檢測算法，以檢測48 V汽車電氣系統中的串聯電弧。電弧由幾種類似于車輛48 V系統實際故障情況下產生，并測量了正常48 V負載、負載變化和車輛電氣系統噪聲的電氣特性，用其訓練算法；有學者提出一種利用赫斯特指數的新方法[31]，該方法對汽車電氣系統中諧波和高頻噪聲等具有很強的抗干擾能力；還有針對電弧光學物理特性，發明了一種光電組合導體[32]，其由導線和光學透明聚合物覆層組成。創新車載電源電纜，具備光學護套監測和電弧故障監測。原理如圖2所示。

圖2 光電組合導體的原理[32]

2.4 飛機

隨著先進飛機115 V交流電源系統由恒頻400 Hz系統向變頻電源方向發展，頻率變化范圍360～800 Hz，交流電弧故障的特征量如電流變化率、平肩段比例、諧波分量等會隨著變頻而變化，恒頻系統的電弧故障檢測算法無法完全適用于變頻系統[33]。而對于從交流系統發展到直流系統來說，更是如此。在飛機28 V的直流電源條件下，文獻[34]通過建立Cassie電弧模型仿真分析，對純阻性、阻感性、阻容性負載條件下發生串、并聯電弧故障的情況仿真，可使用時域波形比較法判別；文獻[35]使用基于小波包和BP神經網絡的航空故障電弧識別方法。通過參照標準SAE AS 6019-2012“ARC Fault Circuit Breaker (AFCB), Aircraft, Trip-Free 28VDC”搭建串、并聯故障電弧實驗平臺，使用20 Ω電阻、電動機、節能燈來模擬飛機上的阻性負載、感性負載、容性負載。并加之振動臺振動頻率10 Hz、15 Hz、20 Hz、30 Hz情況模擬松動的接線端子與螺栓之間的電弧，以及負荷突增突減、正常工作和帶電弧工作；針對航空270 V高壓直流（HVDC）系統，文獻[36]通過參考UL 1699搭建實驗平臺采樣數據分析，選擇希爾伯特黃變換（Hilbert-Huang Transform, HHT）的固有模態函數IMF5瞬時幅值的峰峰值和標準差作為識別電弧故障的時域特征，與原始信號中提取的時域特征量相比，正常和電弧特征量的區分度更大。選不同的工況條件會對串聯電弧故障的檢測產生影響，系統的工作條件不同，直流串行電弧故障的區分閾值也不盡相同，需要確定工況條件下，合理選擇方可正確識別。

2.5 船舶

艦船電力網有三個特征：①能量來源多樣，發電機、岸電等均可作為艦船電力系統的能量來源；②為保證系統可靠，一般采用環狀結構，橫向結構較多；③能量流向不定，可根據供電連續性需要通過母聯開關、跨接開關改變系統能量流向[37]。基于電參數作故障電弧檢測較為復雜。在船舶電力系統中主要采用弧光保護裝置對設備的電弧故障進行保護；也有使用電流增量檢測結合弧光檢測，作為弧光保護的動作判據，對于復雜多變的船舶系統來說，具有一定實用性[37,38]。如圖3所示為船舶弧光保護裝置配置。

圖3 中低壓供配電網絡及弧光保護裝置配置示意圖[37]

2.6 特/超高壓

輸電線路的瞬時故障多為電弧性故障，可靠確認電弧性故障的電弧熄滅時刻有利于提高重合閘的重合成功率，相關研究通過對電弧建模仿真，實現以故障相端電壓高頻分量、故障過渡電阻等為特征量識別電弧熄滅時刻[39-40]。也有通過加裝快速接地開關（high speed grounding switch, HSGS）和中性點小電抗2種方式實現電弧有效抑制[41-42]。文獻[43]對于過電壓易擊穿絕緣子串旁并聯的招弧角而建立直流電弧，開展了直流電弧熄弧試驗，為直流接地極線路招弧角形狀、電極距離設計提供參考。文獻[44]針對低氣壓絕緣子污閃放電問題，測試了低氣壓沿面直流電弧和空氣間隙直流電弧特性。結果表明隨著氣壓降低，兩者的E-I特性明顯下降；空氣間隙直流電弧特性受氣壓的影響程度較沿面直流電弧特性大。

通過如上6種直流系統應用場景分析，可得出對于不同的場景，電弧的檢測會考慮不同的影響因素，在信號提取、算法實現上有很強的專一性。而在直流供用電系統中，包含的光伏、儲能等直流化部件可以基于此引申應用，而直流電器的差異，則必須建立相應試驗系統做以真實數據分析，以充分了解直流電器的特征。

針對不同場景下的使用不同的電弧模型、特征分析方法及檢測算法，總結如表2所示。

表2 故障電弧模型、特征分析方法及檢測算法[45-49]

3 建筑直流供用電系統故障電弧檢測

3.1 交流電弧故障檢測

UL 1699標準于1999年首次發行，用以指導并敦促用于交流故障電弧保護的裝置的大規模生產和市場推廣[3]。2002年美國全國電氣條例要求所有臥室內的支路，都必須安裝符合工藝要求的電弧故障斷路器（Arc Fault Circuit Interrupters，AFCI），以保護整條支路[50]。2004年開始，美國家用空調必須帶具有AFCI功能的電源插頭。交流配用電系統的電弧故障保護試驗已相對完善，如表3試驗項目。屏蔽試驗的目的是在負載側連接各種電氣器具，AFDD不應失去判別能力而應能檢測電弧故障[8]。

表3 交流AFDD試驗內容

3.2 建筑直流供用電系統電弧檢測

家居級交流配電，在人頻繁接觸到的區域及大功率用電的插頭插座處都有相關規范要求，以降低電氣事故風險。而直流供用電卻未有相關規范。在建筑直流供用電系統中，其包含直流源如光伏、儲能、電網（市電整流）等種類多樣，負荷如直流空調、充電樁、辦公設備及生活電器也十分豐富，有必要搭建試驗平臺，采集試驗數據并分析，掌握其特有規律和特征。直流住宅[51]早在2012年就有提及，但在沒有“碳中和”目標，沒有光伏等新能源的暴發性增長，沒有低碳建筑大力發展的情況下，未能得到發展。當下，格力光伏未來屋直流社區，使用13個集裝箱搭建，實現近用戶側場景的直流供用電系統示范，實現了750 VDC、400 VDC、48 VDC三個電壓等級用電，涵蓋了光伏、風機、儲能、家居生活和辦公用直流用電電器等。并聯合聯盟單位開展直流供用電系統規劃評價、電能質量分析、保護等試驗研究。社區平臺開展了直流故障電弧試驗，直流故障電弧發生裝置及檢測節點布置如圖4所示。對于直流供用電系統中光伏、儲能、市電整流、用電電器皆需測試，對于同一支路下，可設置為近源側的測試節點和近負荷側的測試節點。

圖4 實驗平臺及AFDD、測點建議安裝位置

結合試驗平臺，在試驗回路中分別按如表4所示接入直流源和直流電器，通過故障電弧發生裝置產生故障電弧，測量回路中的電壓及電流信號。以全面測試采集家居直流供用電系統運行工況下數據。根據不同用電電器的工作原理，將全部已有的直流電器分為以下幾類：

表4 直流電弧試驗內容

1）電磁類：電磁爐等；

2）電熱類：電飯煲等；

3）電光類：照明、電視、觸屏等；

4）電機類：空調、空氣凈化器、風扇、冰箱、加濕器等；

5）電儲能類：戶用儲能系統等。

根據以上測試節點及測試內容，格力光伏未來屋直流社區進行了測試取樣。其中，圖5所示為400 V直流電磁爐正常運行到生弧和火力檔位切換時電流變化過程，故障電弧電流波形與切換檔位電流波形存在一定的相似之處，存在誤動風險，因此需要設計相應的故障電弧檢測算法對二者進行有效區分。圖6所示為48 V+3 A電阻正常運行到生弧、48 V直流冰箱+3 A電阻+風扇+凈化器組合正常運行到生弧的過程，可見48 V組合電器在故障電弧發生后，電流不僅沒有出現下降，反而出現了上升現象，與單一48 V電器故障電弧現象反常。存在拒動風險，因此需要深入直流電器內部電氣結構建模仿真，設計相應的故障電弧檢測算法對二者進行有效區分。

圖5 400 V直流電器故障電弧電流波形

圖6 48 V直流電器故障電弧電流波形

可以預見，對于直流電器故障電弧的頻域分析，直流電器會存在檢測特征量異常的現象，因為不同的電器負載有不同的電氣結構及開關頻率干擾，出現異常的頻段并非一致，單一頻段進行故障電弧檢測特征量的構建不具適用性，需采用多頻段組合的形式構建檢測特征量。

4 結論

基于各場景下直流電弧研究成果及直流供用電系統實驗平臺實測結果，針對建筑直流供用電系統電弧檢測適用性，總結如下：

1）區別于光伏系統，建筑直流供用電系統并聯電弧故障的檢測既有必要，且應區分由并聯電弧故障導致的跳閘，以保證用戶排除故障后啟動，降低火災事故風險；

2）直流供用電系統中的直流儲能，故障電弧的檢測可以結合BMS做多信息融合判定，其他直流設備也可存儲正常運行時特征量，在檢測時融合判別；

3）直流供用電系統中設備的啟停、調檔運行等過程與故障電弧狀態的時頻域特征辨識需要注意；

4）搭建的直流供用電試驗系統，應使用真實的直流電器負載測試，保證特征量的有效識別，對不同工況、設備開關頻率干擾等需要考量；

5）試驗系統直流電器負載設定方面，通過全面測試分析，可梳理直流電器設定典型負載，提取如直流空調、直流電磁爐、直流風扇等代表負載，亦可形成單一負載、混合負載和突變負載等試驗；

6）家居直流電弧故障檢測在實際應用時，通過在安全區域設定在線起弧裝置的方式，實現定期或不定期AFDD校驗，可以考量；

7）結合試驗測試結果，建立直流用電電器數學仿真模型，仿真與測試并舉。

相較于交流系統，直流供用電系統可實現新能源和直流/變頻負荷的高效接入和靈活調配，并帶來安全的用電服務。隨著直流建筑的廣泛應用實現，直流故障電弧檢測及保護尤為必要。針對建筑直流供用電場景下，直流用電電器的復雜性、特殊性，已建立真實場景的試驗平臺，測試電弧特征參數并分析，但對于如不同低氣壓環境下、不同設備廠家以及不同系統接線形式等試驗暫未涉及，仍需考慮測試全面；在電弧故障檢測方面，建筑直流供用電系統回路中存在較多電器的干擾，對于集成在斷路器的故障電弧檢測裝置要求復雜。需研究實現在單一直流電器內進行故障電弧檢測，以更好的提升故障電弧檢測準確率；對于深入細化直流電器對故障電弧檢測特征量頻段影響的主因和內因，還需考慮對電器內部電氣結構進行建模，結合故障電弧仿真模型，促進故障電弧檢測特征量的構建以及相應算法的開發，從源頭上構建最為合適、精準的檢測特征量。