CN113097988A - 一种应用无源元件抑制直流故障电弧的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用无源元件抑制直流故障电弧的方法，在直流系统中的电源输出侧加入基于无源元件的故障电弧抑制模块，无源元件中的电感L串联在系统回路中，可控制故障电弧发生瞬间电流不发生大波动，电容C并联在系统电源输出侧两端，两者配合可控制系统电源输出侧在故障电弧发生期间不发生大波动，降低故障电弧自持概率，使系统无法提供足够的故障电弧电压，实现直流系统中故障电弧的迅速熄弧，并抑制故障电弧出现重击穿现象，从而保护直流系统安全可靠运行。
Description
技术领域
本发明属于电气故障检测与保护技术领域，涉及一种应用无源元件抑制直流故障电弧的方法。
背景技术
随着光伏、风电等新能源技术以及电动汽车、储能技术的推广与发展，直流配用电系统成为了电网发展的热点。然而线路中可能存在的连接松动、绝缘损坏等因素会导致直流故障电弧的出现，由此引发火灾甚至爆炸等危险事故，严重威胁到生产和生命财产安全。在直流系统中，流过故障电弧的电流不具有过零点，因而这种可持续的故障电弧将会产生更严重的安全问题。在相近的电源电压下，直流系统内的最小生弧电流相较于交流系统更小，因而相应故障电弧的发生也更为容易。同时，直流用电需求的增加导致系统电压等级不断提高，如轨道牵引供电已达1500V、数据中心也从早期的48V提高到400V、中小型船舶供电系统为1000V等，电源电压的提高也会导致最小生弧电流进一步地减小。
故障电弧主要分为串联故障电弧及并联故障电弧。其中，并联故障电弧发生后往往产生的电流较大，故障电弧行为较剧烈，多数情况下可为现有保护动作。串联故障电弧会增大回路阻抗，相应的故障电流减小，故而传统保护装置无法检测并及时切断故障所在回路。因此需要对串联故障电弧进行及时、积极、有效的防治。
中国专利CN103457238A公开了一种用于光伏发电系统的直流电弧故障检测及保护方法，该专利通过采集故障电弧电流信号进行分析计算，从而起到电弧故障检测作用，但仍需与断路器配合开断故障回路，根源上无法改变故障电弧发生条件，且对于不同场景下的故障电弧检测准确率并非100％，存在电弧自持的风险，同时该专利模块可能的误动作会影响系统正常工作。
发明内容
本发明的目的在于提供一种应用无源元件抑制直流故障电弧的方法，可以在直流系统发生故障电弧时快速、有效地抑制电弧持续燃烧，通过及时熄弧保护系统线路。
为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：
该抑制直流故障电弧的方法包括以下步骤：
通过在直流系统中设置由无源元件构成的故障电弧抑制模块，使直流系统无法提供足够的故障电弧电压，从而实现直流系统中故障电弧的迅速、及时熄弧，降低直流系统中由故障电弧引发的火灾等事故的风险；所述无源元件包括电感L和电容C，电感L串联在系统回路中，并用于维持故障电弧发生瞬间电流稳定，电容C并联在系统电源输出侧，并用于维持系统电源输出侧电压在故障电弧发生期间稳定。
优选的，所述抑制直流故障电弧的方法具体包括以下步骤：
1)在直流系统的回路中电源的任意输出端处串联具有一定额定电流值的电感L，从而在故障电弧发生瞬间保持直流系统回路的电流不发生较大的改变或波动(例如，变化不超过之前幅值的20％)；
2)在所述直流系统的回路中电源的两输出端处并联具有一定额定电压值的电容C，从而在故障电弧发生前至发生后保持电源输出侧的电压不发生较大的改变或波动(例如，变化不超过之前幅值的20％)。
优选的，所述抑制直流故障电弧的方法还包括以下步骤：
将电感L及电容C安装至直流系统后，将直流系统回路的电流值由小依次变大，直至达到直流系统回路的最大电流，对无源元件抑制直流系统故障电弧的能力及安全稳定性进行评估。
优选的，所述无源元件抑制直流系统故障电弧的能力评估具体包括以下步骤：计算安装无源元件前与安装无源元件后对应的两个电弧电流下降比的比值k，k越小则表明无源元件抑制故障电弧的能力越强，所述电弧电流下降比是指故障电弧发生前与发生后对应的直流系统回路电流平均值的比值。
优选的，所述无源元件的安全稳定性评估具体包括以下步骤：计算安装无源元件前与安装无源元件后对应的两个系统启动时间的差值t，t越小则表明无源元件对直流系统的安全稳定性的不良影响越小，所述系统启动时间是指直流系统中的负载从启动至稳定运行的时间。
优选的，所述直流系统中，电源输出侧电压小于维持电弧燃烧的电弧电压与负载电压之和。
优选的，所述电容C的电容量的数值(单位为F)为直流系统线路总电感数值(单位为H)的600-23000倍，所述直流系统线路总电感为安装无源元件前直流系统线路电感与电感L的电感量之和。
优选的，所述直流系统线路电感按照线路阻抗为0.5-0.8μH/m计算。
本发明的有益效果体现在：
1)该方法可以在故障电弧产生初期有效地抑制故障电弧的持续发展，通过电感L维持故障电弧发生瞬间的电流，通过电容C维持整个故障电弧发展阶段电源侧输出电压稳定，通过无源元件的配合使得系统输出无法提供足够的电弧电压，从而无法形成持续燃烧的电弧，达到熄弧的目的，降低系统故障电弧威胁，保障系统线路的安全与可靠。
2)该方法中故障电弧抑制模块采用基于无源元件的结构，其中的电感L和电容C在直流系统内均不会产生额外的能量、功率损耗，从而可以有效地控制元件损耗，降低使用成本，在不干扰系统正常运行的同时，实现了较快完成熄弧操作的目的，兼顾保证了系统的经济性与可靠性。
3)该方法采用相对简单地硬件结构实现了对故障电弧的有效抑制，易于工程实现，能从源头上降低故障电弧发生概率，最大限度地防止故障电弧引发的事故发生，对电弧抑制理论有着重大且必要的意义。
本发明进一步取得的技术效果：
该方法具有广泛的适用性，对于不同电压等级、不同负载类型均可以通过调整相关的元件参数实现有效地抑制电弧操作，对于不同线缆长度的直流系统也可以通过对线路阻抗的估计进一步调整元件参数，使得该方法对于不同场景下的直流系统故障电弧均有抑制作用。
附图说明
图1为本发明实施例中安装有无源元件的直流系统结构图。
图2为本发明实施例中采用无源元件抑制直流系统故障电弧的结构功能原理图。
图3a为应用无源元件抑制直流故障电弧前的系统回路电流仿真结果图。
图3b为应用无源元件抑制直流故障电弧后的系统回路电流仿真结果图。
图4a为应用无源元件抑制直流故障电弧前的系统回路电流实验结果图。
图4b为应用无源元件抑制直流故障电弧后的系统回路电流实验结果图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述。
参见图1，本发明采用基于LC结构的无源元件(电容C、电感L)，并将这些无源元件加装在直流系统电源输出侧构成直流故障电弧抑制模块(简称LC模块)，从而抑制直流故障电弧的持续燃烧，可以有效抑制负载侧线路故障电弧的发生与自持。所述故障电弧抑制模块中的电容C仅在Boost变换器的输出两端并联，电感L串联在Boost变换器的电容节点外端任意一侧的导线上，图1以接至正极线为例进行说明，电容C与电感L均需要符合器件的连接方式，器件正极端首先与正极线连接。
参见图2，上述故障电弧抑制模块内部的电感L可以保证在故障电弧发生瞬间回路中的电流不出现较大波动，电容C可以保障输出侧电压不出现较大波动，两者的配合最终使得系统在故障电弧发生后无法提供足够的电弧电压维持电弧燃烧，在故障电弧初期便自发熄弧，实现对线路中可能发生故障电弧的有效抑制，降低故障电弧的潜在危害，对直流系统进行适当的保护。
应用无源元件的直流故障电弧抑制方法包括以下步骤：
1)串联在系统回路电源输出端处的电感L，额定电流值应满足系统参数要求(例如，应不超过系统提供的最大电流)，在故障电弧发生瞬间保持系统回路的电流不发生较大的改变。
2)并联在电源输出两端的电容C，额定电压值应与电源输出电压保持匹配(例如，属于相同的电压等级)，在故障电弧发生前至发生后保持系统回路电源两端的电压不发生较大的改变。
3)将直流故障电弧抑制模块的电感L及电容C安装至直流系统后，对直流系统应用无源元件抑制故障电弧能力及安全稳定性进行评估，通过评估对模块的功能验证过后即可正常带载使用。
利用电阻箱调节系统电流值由小依次变大，直至达到系统可提供的最大电流(电流等级越大，抑制电弧难度也越大，因此需要调节到最大电流后再进行下述k和t的计算)；将故障电弧发生前后电流平均值的比值作为电弧电流下降比，计算应用无源元件前后两个电弧电流下降比的比值k表明无源元件抑制故障电弧的能力，k越小则无源元件的抑制能力越强，k为0时表明无源元件完全熄弧；为了降低k，可以在不改变电感量的基础上适当增大电容量，增大范围优选为原有电容量的105％-110％，应避免过度增大电容量可能会导致系统无法正常有效运行；
上述电弧电流下降比(r)的具体计算公式为：
其中，ICur为故障电弧发生后1s内回路电流的平均值，IPre为故障电弧发生前1s内回路电流的平均值。电弧电流下降比越低意味着故障电弧后电流幅值降低越明显。
同时，将系统负载从正常启动至稳定正常运行的时间作为系统启动时间，计算应用无源元件前后两个系统启动时间的差值t表明无源元件对直流系统的不良影响，t越小则无源元件的不良影响越小，t为0时表明无源元件不会对系统正常启动产生干扰。为了降低t，可以适当减小电感量，减小范围优选为原有电感量的90％-105％；应避免过度减小电感值量可能会导致电弧抑制能力下降。
4)对加装的无源元件评估并调整完毕后，可以在无能量损耗的前提下使系统中发生的串联故障电弧及时熄弧，起到保护系统线路的作用，从而更好地从源头层面消除故障电弧的不良影响。
所述电感L的电感量范围推荐为6.5-210μH，回路中串联加入的电感L在故障电弧发生瞬间保障仍有电流流过电弧间隙，由于电弧电阻的存在，而产生较大的电弧电压，实际系统中由于存在传输长导线等自身线路阻抗的影响，往往视为系统线路中已存在一定数值的电感，因此无源元件的设定电感值需考虑线路电感的影响，参照美国保险商实验室(UL)制定的UL 1699B标准，实际情况中线路阻抗的参考值为0.7μH/m。
所述电容C的电容量范围推荐为5-400mF，电源输出端并联加入的电容C，在故障电弧发生期间有效的保证电源输出侧的电压保持不变，由于故障电弧产生较大的电弧电压，使得电源输出侧的电压小于维持电弧燃烧的电弧电压与负载电压之和。
所述电感L与电容C合理配合的方法为：当直流系统正常工作时，LC模块作为无源器件在回路中并不消耗能量；在故障电弧发生后，系统无法为故障电弧的持续燃烧提供足够的条件，从而使得电弧无法自持而熄弧，电容C在无源元件中起相对主导的地位，从而使得电感L维持电流稳定的作用仅在故障电弧发生瞬间起作用，一旦系统输出电压无法提供足够的电弧电压，电感的维持电流效应也无法使电弧自持，其中电容C的数值(单位为F)应大于系统线路总电感L总(安装无源元件前系统线路电感与电感L的电感量之和)的数值(单位为H)。
所述电容C的电容量数值的选择方法为：无源元件中电容C的电容量若过大则会使得系统负载的启动过程电压建立较为缓慢，影响负载的正常快速运行，电容C的电容量数值若超过系统线路总电感L总数值的23000倍，则会使系统正常启动相较于未安装无源元件时延迟至少0.1s，对负载正常使用造成干扰，因此鉴于不影响系统的正常启动过程的运行以及对于故障电弧自行熄灭的保证，电容C的电容量的范围介于系统线路总电感L总数值的600-23000倍之间，优选为系统线路总电感L总数值的1000倍以上，可以保证在不影响系统正常启动的同时完成熄弧操作。
利用如图1所示的直流系统对应用无源元件抑制直流故障电弧的方法进行检验。所述直流系统整体组成包括光伏阵列、故障电弧模型、BOOST变换器、直流负载以及基于无源元件的直流故障电弧抑制模块。其中，光伏阵列的输出可以通过调节温度和光照强度来调节，系统线路阻抗(指的是根据线路长度计算的线路阻抗数值)与无源元件(此处指电感L)总电感量为17μH时，在电源输出侧并联的电容C的电容量应大于10.2mF，优选值为170mF。实际运用的时候无需增加电阻(因为实际电感存在内阻)，只有仿真拓扑中需要增加电阻，以模拟实际的电感内阻。
参见图3a，系统在0.15s前完成了启动过程，并在0.35s前维持稳定工作运行。在0.35s故障电弧发生后，回路电流出现了下降并在0.38s左右重新达到稳定，此后故障电弧保持稳定燃烧，如无人为干预便无法自行熄弧，产生较大危害。
参见图3b，系统在0.2s前完成了启动过程，相较于无抑制结构稍微延迟0.05s，并在0.35s前维持稳定工作运行。在0.35s故障电弧发生后，回路电流在基于无源元件的电弧抑制模块作用下出现了大幅度下降，很快便降为零值，此时电弧迅速熄灭，不再燃弧，从而不会产生较大不良影响。
参见图4a，系统在4.3s前均处于正常工作状态，在4.3s故障电弧发生后，故障电弧电流出现了小幅下降现象，但却一直保持稳定燃弧的状态，若无7.2s时人为开断开关的操作，电弧则会持续燃烧，对系统线路及人身安全产生较大的威胁。
参见图4b，系统在6s前均处于正常工作状态，在6s故障电弧发生后，回路电流在基于无源元件的电弧抑制模块作用下，很快降到零值，电弧仅仅产生一个微弱的火花便自行熄弧，且不会重击穿燃弧。
仿真和实验结果表明，本发明提出的应用无源元件抑制直流故障电弧的方法，通过在直流系统中的电源输出侧加入基于无源元件的故障电弧抑制模块降低故障电弧自持概率，从而降低直流系统中由故障电弧引发的火灾等事故风险，无源元件中的电感L可维持故障电弧发生瞬间电流不发生大波动，电容C可维持系统电源输出侧在故障电弧发生期间不发生大波动，两者配合使系统无法提供足够的故障电弧电压，最终实现直流系统中故障电弧的迅速熄弧，起到故障电弧抑制的作用。
总之，本发明可以在故障电弧产生初期有效地抑制故障电弧的持续发展，通过无源元件的配合使得系统输出无法提供足够的电弧电压，从而无法形成持续燃烧的电弧，达到熄弧的目的，降低系统故障电弧威胁，保障系统线路的安全与可靠。本发明从积极防护的角度主动抑制故障电弧的持续燃烧，有效地减小故障电弧发生的概率，可以与消极防护角度的故障电弧检测技术配合使用，从而更迅速、更准确、更经济地消除故障电弧对人身和系统安全的威胁。本发明可以利用较为简单的结构在故障电弧产生初期有效地抑制故障电弧的持续发展，通过无源元件的配合使得直流系统内故障电弧无法自持，达到熄弧的目的，最大限度地从源头降低故障电弧发生概率，降低系统故障电弧威胁，易于工程实现，保护人身财产安全，保障直流系统线路可靠运行。
Claims (10)
1.一种抑制直流故障电弧的方法，其特征在于：包括以下步骤：
在直流系统中设置由无源元件构成的故障电弧抑制模块；所述无源元件包括电感L和电容C，电感L串联在系统回路中，并用于维持故障电弧发生瞬间电流稳定，电容C并联在系统电源输出侧，并用于维持系统电源输出侧电压在故障电弧发生期间稳定。
2.根据权利要求1所述一种抑制直流故障电弧的方法，其特征在于：所述抑制直流故障电弧的方法具体包括以下步骤：
1)在直流系统的回路中电源的任意输出端处串联具有一定额定电流值的电感L，从而在故障电弧发生瞬间保持直流系统回路的电流不发生改变或波动；
2)在所述直流系统的回路中电源的两输出端处并联具有一定额定电压值的电容C，从而在故障电弧发生前至发生后保持电源输出侧的电压不发生改变或波动。
3.根据权利要求2所述一种抑制直流故障电弧的方法，其特征在于：所述抑制直流故障电弧的方法还包括以下步骤：
将电感L及电容C安装至直流系统后，对无源元件抑制直流系统故障电弧的能力及安全稳定性进行评估。
4.根据权利要求3所述一种抑制直流故障电弧的方法，其特征在于：所述无源元件抑制直流系统故障电弧的能力评估具体包括以下步骤：计算安装无源元件前与安装无源元件后对应的两个电弧电流下降比的比值k，k越小则表明无源元件抑制故障电弧的能力越强，所述电弧电流下降比是指故障电弧发生前与发生后对应的直流系统回路电流平均值的比值。
5.根据权利要求3所述一种抑制直流故障电弧的方法，其特征在于：所述无源元件的安全稳定性评估具体包括以下步骤：计算安装无源元件前与安装无源元件后对应的两个系统启动时间的差值t，t越小则表明无源元件对直流系统的安全稳定性的影响越小，所述系统启动时间是指直流系统中的负载从启动至稳定运行的时间。
6.根据权利要求1所述一种抑制直流故障电弧的方法，其特征在于：所述直流系统中，电源输出侧电压小于维持电弧燃烧的电弧电压与负载电压之和。
7.根据权利要求1或2所述一种抑制直流故障电弧的方法，其特征在于：所述电容C的电容量的数值为直流系统线路总电感数值的600-23000倍，所述直流系统线路总电感为安装无源元件前直流系统线路电感与电感L的电感量之和。
8.根据权利要求7所述一种抑制直流故障电弧的方法，其特征在于：所述直流系统线路电感按照线路阻抗为0.5-0.8μH/m计算。
9.一种直流系统，其特征在于：该直流系统包括由无源元件构成的故障电弧抑制模块；所述无源元件包括电感L和电容C，电感L串联在系统回路中，并用于维持故障电弧发生瞬间电流稳定，电容C并联在系统电源输出侧，并用于维持系统电源输出侧电压在故障电弧发生期间稳定。
10.根据权利要求9所述一种直流系统，其特征在于：所述直流系统为光伏系统。
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| 吴润宇等: "《实用稳定电源》", 31 May 1994, 人民邮电出版社 * |
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