建筑直流供用电系统故障电弧检测技术研究综述

袁金荣 李伟进 林宝伟 南树功 刘智亮

1.华南理工大学电力学院 广东广州 5106401；2.珠海格力电器股份有限公司空调设备及系统运行节能国家重点实验室 广东珠海 519000；3.国创能源互联网创新中心（广东）有限公司 广东珠海 519000

1 引言

在碳中和目标指引下，我国光伏等新能源将迎来巨大发展。新能源发电具有高随机性的特点，而用电高峰谷差等的问题日渐突出，集中式输配电具有很大挑战，局域的直流供用电系统是一种有效的解决方案。目前已广泛应用于市政路灯、电动车、数据中心，并且在飞机、船舶、轨道交通、海岛供电、低碳建筑领域具有广阔的应用场景。

在建筑直流供用电系统中，电压不高于1.5 kV，线缆导体截面小、机械强度低、绝缘水平低，其在运行过程中易发生动物咬伤、机械损伤、绝缘老化、接头松动、线路断线或接搭地等，继而在绝缘损坏、接触不良或故障处产生直流电弧。由其发展而来的持续高温电离气体便会释放出大量热量，可能引起火灾等事故，影响电气设备的安全可靠运行[1-2]。回顾交流场景下的历史数据，2013年电气火灾占全年的火灾事故29.7%；2017年我国火灾死亡人数达1065人，直接导致财产损失约26.2亿元，其中因电气引发的火灾共有7.4万次，占火灾总数的33.6%；2019年全年共接报火灾23.3万起，死亡1335人，直接财产损失36.12亿元。住宅火灾中，已查明原因的火灾中有52%系电气原因引起，电气引发火灾高居不下。而故障电弧是引发电气火灾的诱因之一[3-5]。

频繁发生并逐年攀升的电气火灾所造成的巨大经济损失及人身安全事故使得电弧故障保护得到关注，国内外也针对电弧故障保护做了大量的研究。在标准规范方面，针对有关故障电弧的标准如表1所示，多适用交流系统或特殊场景（如光伏）的故障电弧保护电器（arc-fault detection device, AFDD）。交流电弧相关标准全面规定了AFDD性能等要求、试验平台及试验方法，形成了串联电弧故障试验、并联电弧故障试验、屏蔽试验和误脱扣试验等项目；美国国家电气规范（national electrical code, NEC）第690.11号文件提出了直流母线大于80 V的光伏并网系统要配备故障电弧检测装置和断路器，以解决光伏直流电弧故障导致的安全问题；美国保险商试验所（underwriter laboratories Inc., 简称UL）制定了光伏直流AFDD产品标准UL 1699B，其根据光伏直流系统场景的固有特性，如AFDD在逆变器、汇流箱或DC/DC变换器的位置，直流开关、光照突变等试验条件，总结了应用案例及对应的试验电路，被试AFDD只要选择其适用的项目进行试验合格[8,9,12]。交流配电和光伏场景已有相对完善的标准体系，而在建筑场景的直流供用电系统故障电弧检测标准方面，则较为缺乏。由于直流供用电系统中存在着光伏、储能、各母线变换器及直流电器等多源多荷，系统组成方面较交流配电和光伏并网复杂；直流供用电系统当前采用750 VDC/400 VDC/48 VDC供电电压，同种类电器下，直流电器电流幅值较交流电器有变化；直流电器取消了AC/DC变换器，对于接口特征有显著变化，如变换器的开关频率、接口并网谐波、负荷容性等。随着直流供用电技术的迅猛发展及大量示范应用落地，对于直流技术验证有很大推动作用，但未设置直流电弧故障检测及保护的系统存在电气事故风险。直流供用电系统的电弧故障保护研究及标准规范建立尤为必要。

表1 相关故障电弧的标准、规范

在直流电弧技术研究方面，文献[1]提出针对特征量的提取，需要研究直流电弧高频电压和电流脉冲在电弧不同阶段、不同功率作用下的变化规律；还需明确系统控制策略对检测方法的影响，合理地选择检测装置布置方案。文献[3,6,7]综述了直流故障电弧时域、频域及时频域组合的检测方法，并对比分析了各算法的适用性，提出生成直流故障电弧的不同工况、多信息融合检测、交直流故障电弧的综合防护等研究方向。相关文章还提及了基于声、光、辐射等物理特性等的检测方法及其在不同场景、环境下的特殊算法[10]。文献[4,11]论述了光伏直流电弧故障检测方法，及建立仿真模型和实验平台。考虑到逆变器高频噪声及电网谐波的干扰会对检测产生影响，研究多考虑到场景、运行工况及设备自身特性参数等对检测方法的影响，理论上提出了相应适用的检测方法。但都未具体开展建筑直流供用电系统电弧的检测研究试验。本文梳理了光伏、电储能、电动汽车、飞机、船舶、特/超高压直流场景下故障电弧模型、试验平台方案、特征分析方法及检测算法等，分析了研究成果对建筑直流供用电系统的适用性；对于建筑直流供用电系统电弧检测研究较少的问题，结合格力光伏未来屋直流社区，梳理了故障电弧测试平台、测试内容及测试结果，指出了建筑直流供用电系统电弧检测的技术研究方向，为建筑直流供用电系统的故障电弧试验规范制定及检测技术研究奠定基础。

2 典型场景下故障电弧检测

2.1 光伏系统

UL 1699B中AFDD应用案例细分为集成在逆变器中的AFDD、嵌入在母线盒中的AFDD、独立的AFDD、直流整流器系统中的AFDD。并给出了不同测试电路的参数以及测试电路中至少三个电弧发生器的位置。其表明不同的阻抗网络会显著的影响试验结果。其还提供了误脱扣测试，例如逆变器、整流器和充电控制器，直流开关操作，光照突变等产生干扰时不会跳闸。它不包括并联电弧测试，原因如下：①光伏电缆绝缘层可靠性高，不易自然断裂而产生并联电弧故障；②与家用电路的工作环境不同，光伏的工作环境很少来自外部的机械损伤，极难发生并联电弧故障；③在并联故障电弧发生前，首先会发生过流或短路故障，从而触发保护性电器的动作[12]。

针对光伏系统中的电力电子转换器的开关频率、谐波和EMC噪声干扰等，文献[13]提出了基于系统特征平面的检测方法，通过频域特征向量之间的距离与时域特征向量之间的距离构成系统特征平面（频域特征向量使用小波能量分析方法提取，时域特征向量为电流幅值的方差），以自动排除变换器开关频率的干扰；文献[14]提出一种支持向量机（support vector machine，SVM）与自适应陷波消谐处理相结合的直流故障电弧检测方法，选择40～60 kHz、60～80 kHz、80～100 kHz三个频段谐波能量和值及时域方差特征值四个特征值为SVM的特征量进行分析。为了消除自身谐波特性及噪声干扰对时频域特征产生的影响，文献[15]提出一种基于集合经验模态分解（ensemble empirical mode decomposition, EEMD）和模糊C均值聚类（fuzzy C means clustering, FCM）的组合故障检测方法，其对于不同输出功率、逆变器开关频率、启动及阴影遮挡等情况，具有较好的抗干扰能力；文献[16]通过多频段动态筛选，自适应频率检测方式，通过调整DSP滤波器对光伏输出直流侧电压、电流信号进行滤波，从而滤除逆变器的干扰信号和可能的误触发信号[17]。针对光伏发电低功率，弱电弧燃烧的检测问题，文献[18]提出基于小波-奇异值分解的信号消噪新方法，并采用阈值法实现了弱电弧检测。

在光伏直流故障电弧测试平台的构建上，基本使用UL 1699B测试方法和电弧发生装置，采用不同的源、荷配合来完成拉弧。研究使用真实光伏阵列/光伏模拟器+电子负载/可变纯阻性负载/逆变器的组合方式，以测试正常和故障工况、不同天气环境等条件下的数据[19-23]；也有通过建立一个Cassie电弧模型，形成理论+试验相结合的研究方法[24-25]。基于光伏产业的成熟，直流电弧研究较为深入，不乏有厂家已在光伏逆变器上标配或选配直流电弧检测装置。光伏作为建筑直流供用电系统的组成部分，成熟的光伏系统直流故障电弧试验方案、检测算法等对于建筑直流供用电系统具有一定参考意义，而对于光伏系统输出接入直流母线，其带有不同拓扑结构、工作频率等的DC/DC变换器的故障电弧特征需要研究。

2.2 储能系统

光伏发电的随机性，影响电力系统的安全稳定运行，导致了其并网消纳问题凸显。GB 38755-2019《电力系统安全稳定导则》规定，光伏等新能源场站需提高调节能力，配置储能等灵活调节资源。可以窥见，分布式光储系统结合应用十分必要。国内对于电储能系统直流故障电弧检测研究较少，国外学者通过建立直流光储平台，通过将不同电池模组充放电设备和不同厂家、不同类型、不同电压电流等级的电池结合，做以故障电弧数据采集，串、并联直流电弧产生点为光伏组串输出、电池模组输出处。试验架构如图1所示[26]。文献[27]使用一个48 V直流电池组和一个最高可提供1000 A的电阻负载相串联，对不同工况带弧和不带弧的信号进行比较，提取电弧特征量，以论证不同检测方法的电弧故障断路器（arc fault circuit interrupters,AFCI）有效性。文献[28]建立包含直流储能系统的仿真模型。针对电池模组提出一种使用DOCAS（Decomposed Open-Close Alternating Sequence）的形态滤波器，并结合电池管理系统（battery management system, BMS）的SOH/SOC/温度测量，形成自适应阈值分类器，此算法有很好的噪声抗扰度。

图1 直流储能系统串、并联电弧故障示意[26]

相较于光伏，其储能电池全局阻抗低，即做频域分析时，电流幅值更大。具有更高的峰峰值、噪声幅值及开关频率峰值，光伏的相关检测算法应不能直接用于储能。储能系统具有动态充放工况，致使电池充放电倍率动态变化，切换过程与故障电弧状态的时频域特征辨识，也需要特殊考虑。

2.3 电动汽车

汽车电气系统，电压等级低，负载种类多样，各种仪表、车灯等均采用负极搭铁方式连接，电弧故障信号更隐蔽、微弱。基于负载的多样性，文献[29]将车灯、信号灯、动力电池组、启动系统等作为典型负载，并将负载组合为单一串联负载、混合并联负载和突变负载3类。并建立Cassie模型，利用5层小波包分解，重构和提取以电弧故障发生前后的能量比值特征量；文献[30]提出了一种基于先进机器学习的电弧检测算法，以检测48 V汽车电气系统中的串联电弧。电弧由几种类似于车辆48 V系统实际故障情况下产生，并测量了正常48 V负载、负载变化和车辆电气系统噪声的电气特性，用其训练算法；有学者提出一种利用赫斯特指数的新方法[31]，该方法对汽车电气系统中谐波和高频噪声等具有很强的抗干扰能力；还有针对电弧光学物理特性，发明了一种光电组合导体[32]，其由导线和光学透明聚合物覆层组成。创新车载电源电缆，具备光学护套监测和电弧故障监测。原理如图2所示。

图2 光电组合导体的原理[32]

2.4 飞机

随着先进飞机115 V交流电源系统由恒频400 Hz系统向变频电源方向发展，频率变化范围360～800 Hz，交流电弧故障的特征量如电流变化率、平肩段比例、谐波分量等会随着变频而变化，恒频系统的电弧故障检测算法无法完全适用于变频系统[33]。而对于从交流系统发展到直流系统来说，更是如此。在飞机28 V的直流电源条件下，文献[34]通过建立Cassie电弧模型仿真分析，对纯阻性、阻感性、阻容性负载条件下发生串、并联电弧故障的情况仿真，可使用时域波形比较法判别；文献[35]使用基于小波包和BP神经网络的航空故障电弧识别方法。通过参照标准SAE AS 6019-2012“ARC Fault Circuit Breaker (AFCB), Aircraft, Trip-Free 28VDC”搭建串、并联故障电弧实验平台，使用20 Ω电阻、电动机、节能灯来模拟飞机上的阻性负载、感性负载、容性负载。并加之振动台振动频率10 Hz、15 Hz、20 Hz、30 Hz情况模拟松动的接线端子与螺栓之间的电弧，以及负荷突增突减、正常工作和带电弧工作；针对航空270 V高压直流（HVDC）系统，文献[36]通过参考UL 1699搭建实验平台采样数据分析，选择希尔伯特黄变换（Hilbert-Huang Transform, HHT）的固有模态函数IMF5瞬时幅值的峰峰值和标准差作为识别电弧故障的时域特征，与原始信号中提取的时域特征量相比，正常和电弧特征量的区分度更大。选不同的工况条件会对串联电弧故障的检测产生影响，系统的工作条件不同，直流串行电弧故障的区分阈值也不尽相同，需要确定工况条件下，合理选择方可正确识别。

2.5 船舶

舰船电力网有三个特征：①能量来源多样，发电机、岸电等均可作为舰船电力系统的能量来源；②为保证系统可靠，一般采用环状结构，横向结构较多；③能量流向不定，可根据供电连续性需要通过母联开关、跨接开关改变系统能量流向[37]。基于电参数作故障电弧检测较为复杂。在船舶电力系统中主要采用弧光保护装置对设备的电弧故障进行保护；也有使用电流增量检测结合弧光检测，作为弧光保护的动作判据，对于复杂多变的船舶系统来说，具有一定实用性[37,38]。如图3所示为船舶弧光保护装置配置。

图3 中低压供配电网络及弧光保护装置配置示意图[37]

2.6 特/超高压

输电线路的瞬时故障多为电弧性故障，可靠确认电弧性故障的电弧熄灭时刻有利于提高重合闸的重合成功率，相关研究通过对电弧建模仿真，实现以故障相端电压高频分量、故障过渡电阻等为特征量识别电弧熄灭时刻[39-40]。也有通过加装快速接地开关（high speed grounding switch, HSGS）和中性点小电抗2种方式实现电弧有效抑制[41-42]。文献[43]对于过电压易击穿绝缘子串旁并联的招弧角而建立直流电弧，开展了直流电弧熄弧试验，为直流接地极线路招弧角形状、电极距离设计提供参考。文献[44]针对低气压绝缘子污闪放电问题，测试了低气压沿面直流电弧和空气间隙直流电弧特性。结果表明随着气压降低，两者的E-I特性明显下降；空气间隙直流电弧特性受气压的影响程度较沿面直流电弧特性大。

通过如上6种直流系统应用场景分析，可得出对于不同的场景，电弧的检测会考虑不同的影响因素，在信号提取、算法实现上有很强的专一性。而在直流供用电系统中，包含的光伏、储能等直流化部件可以基于此引申应用，而直流电器的差异，则必须建立相应试验系统做以真实数据分析，以充分了解直流电器的特征。

针对不同场景下的使用不同的电弧模型、特征分析方法及检测算法，总结如表2所示。

表2 故障电弧模型、特征分析方法及检测算法[45-49]

3 建筑直流供用电系统故障电弧检测

3.1 交流电弧故障检测

UL 1699标准于1999年首次发行，用以指导并敦促用于交流故障电弧保护的装置的大规模生产和市场推广[3]。2002年美国全国电气条例要求所有卧室内的支路，都必须安装符合工艺要求的电弧故障断路器（Arc Fault Circuit Interrupters，AFCI），以保护整条支路[50]。2004年开始，美国家用空调必须带具有AFCI功能的电源插头。交流配用电系统的电弧故障保护试验已相对完善，如表3试验项目。屏蔽试验的目的是在负载侧连接各种电气器具，AFDD不应失去判别能力而应能检测电弧故障[8]。

表3 交流AFDD试验内容

3.2 建筑直流供用电系统电弧检测

家居级交流配电，在人频繁接触到的区域及大功率用电的插头插座处都有相关规范要求，以降低电气事故风险。而直流供用电却未有相关规范。在建筑直流供用电系统中，其包含直流源如光伏、储能、电网（市电整流）等种类多样，负荷如直流空调、充电桩、办公设备及生活电器也十分丰富，有必要搭建试验平台，采集试验数据并分析，掌握其特有规律和特征。直流住宅[51]早在2012年就有提及，但在没有“碳中和”目标，没有光伏等新能源的暴发性增长，没有低碳建筑大力发展的情况下，未能得到发展。当下，格力光伏未来屋直流社区，使用13个集装箱搭建，实现近用户侧场景的直流供用电系统示范，实现了750 VDC、400 VDC、48 VDC三个电压等级用电，涵盖了光伏、风机、储能、家居生活和办公用直流用电电器等。并联合联盟单位开展直流供用电系统规划评价、电能质量分析、保护等试验研究。社区平台开展了直流故障电弧试验，直流故障电弧发生装置及检测节点布置如图4所示。对于直流供用电系统中光伏、储能、市电整流、用电电器皆需测试，对于同一支路下，可设置为近源侧的测试节点和近负荷侧的测试节点。

图4 实验平台及AFDD、测点建议安装位置

结合试验平台，在试验回路中分别按如表4所示接入直流源和直流电器，通过故障电弧发生装置产生故障电弧，测量回路中的电压及电流信号。以全面测试采集家居直流供用电系统运行工况下数据。根据不同用电电器的工作原理，将全部已有的直流电器分为以下几类：

表4 直流电弧试验内容

1）电磁类：电磁炉等；

2）电热类：电饭煲等；

3）电光类：照明、电视、触屏等；

4）电机类：空调、空气净化器、风扇、冰箱、加湿器等；

5）电储能类：户用储能系统等。

根据以上测试节点及测试内容，格力光伏未来屋直流社区进行了测试取样。其中，图5所示为400 V直流电磁炉正常运行到生弧和火力档位切换时电流变化过程，故障电弧电流波形与切换档位电流波形存在一定的相似之处，存在误动风险，因此需要设计相应的故障电弧检测算法对二者进行有效区分。图6所示为48 V+3 A电阻正常运行到生弧、48 V直流冰箱+3 A电阻+风扇+净化器组合正常运行到生弧的过程，可见48 V组合电器在故障电弧发生后，电流不仅没有出现下降，反而出现了上升现象，与单一48 V电器故障电弧现象反常。存在拒动风险，因此需要深入直流电器内部电气结构建模仿真，设计相应的故障电弧检测算法对二者进行有效区分。

图5 400 V直流电器故障电弧电流波形

图6 48 V直流电器故障电弧电流波形

可以预见，对于直流电器故障电弧的频域分析，直流电器会存在检测特征量异常的现象，因为不同的电器负载有不同的电气结构及开关频率干扰，出现异常的频段并非一致，单一频段进行故障电弧检测特征量的构建不具适用性，需采用多频段组合的形式构建检测特征量。

4 结论

基于各场景下直流电弧研究成果及直流供用电系统实验平台实测结果，针对建筑直流供用电系统电弧检测适用性，总结如下：

1）区别于光伏系统，建筑直流供用电系统并联电弧故障的检测既有必要，且应区分由并联电弧故障导致的跳闸，以保证用户排除故障后启动，降低火灾事故风险；

2）直流供用电系统中的直流储能，故障电弧的检测可以结合BMS做多信息融合判定，其他直流设备也可存储正常运行时特征量，在检测时融合判别；

3）直流供用电系统中设备的启停、调档运行等过程与故障电弧状态的时频域特征辨识需要注意；

4）搭建的直流供用电试验系统，应使用真实的直流电器负载测试，保证特征量的有效识别，对不同工况、设备开关频率干扰等需要考量；

5）试验系统直流电器负载设定方面，通过全面测试分析，可梳理直流电器设定典型负载，提取如直流空调、直流电磁炉、直流风扇等代表负载，亦可形成单一负载、混合负载和突变负载等试验；

6）家居直流电弧故障检测在实际应用时，通过在安全区域设定在线起弧装置的方式，实现定期或不定期AFDD校验，可以考量；

7）结合试验测试结果，建立直流用电电器数学仿真模型，仿真与测试并举。

相较于交流系统，直流供用电系统可实现新能源和直流/变频负荷的高效接入和灵活调配，并带来安全的用电服务。随着直流建筑的广泛应用实现，直流故障电弧检测及保护尤为必要。针对建筑直流供用电场景下，直流用电电器的复杂性、特殊性，已建立真实场景的试验平台，测试电弧特征参数并分析，但对于如不同低气压环境下、不同设备厂家以及不同系统接线形式等试验暂未涉及，仍需考虑测试全面；在电弧故障检测方面，建筑直流供用电系统回路中存在较多电器的干扰，对于集成在断路器的故障电弧检测装置要求复杂。需研究实现在单一直流电器内进行故障电弧检测，以更好的提升故障电弧检测准确率；对于深入细化直流电器对故障电弧检测特征量频段影响的主因和内因，还需考虑对电器内部电气结构进行建模，结合故障电弧仿真模型，促进故障电弧检测特征量的构建以及相应算法的开发，从源头上构建最为合适、精准的检测特征量。