摘要：通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，由電弧故障引發(fā)的新能源汽車起火事故呈逐年增多趨勢，我國品牌眾多的新能源客車尤為嚴(yán)重。為了選擇和優(yōu)化區(qū)分故障電弧的特征參量，識別汽車電弧故障，首先介紹了直流故障電弧產(chǎn)生機理、特性和類型，分析了時域、頻域和時頻域3種直流電弧故障檢測方法。其次，搭建了模擬實驗測試系統(tǒng)，獲取不同負載下的正常電弧和故障電弧回路信號。然后，建立時頻域Cassie電弧仿真模型，利用5層小波包分解技術(shù)，重構(gòu)和提取電弧故障發(fā)生前后的電流信號，使用能量比值作為特征參量。研究結(jié)果表明，在檢測周期內(nèi)大于閾值的特征量區(qū)分度明顯，能有效識別直流電弧故障。

關(guān)鍵詞：電弧故障；Cassie模型；小波包；電氣火災(zāi)；新能源汽車

1新能源汽車電氣火災(zāi)現(xiàn)狀及原因分析

據(jù)2017年《中國消防年鑒》的數(shù)據(jù)顯示，2007—2016年，我國汽車火災(zāi)首要原因是電氣故障，占總數(shù)的44%，其次是供油系統(tǒng)故障，占火災(zāi)總數(shù)的29.4%，三是機械故障，占總數(shù)的14.6%，之后依次為排氣系統(tǒng)故障（5.6%）、人為意外原因（3.8%）和自燃（1.2%）。2017年“中國電動汽車百人會"發(fā)布的新能源汽車安全報告顯示，2015年國內(nèi)發(fā)生起火事故14起，而2016年增加至29起（40輛車），新能源汽車自燃火災(zāi)次數(shù)（包括碰撞后自燃）隨產(chǎn)銷量增長而急劇增加。根據(jù)該報告公開資料不統(tǒng)計，2016年國內(nèi)外共發(fā)生新能源汽車起火事故35起，涉事車輛共計45輛（1起人為縱火除外），根據(jù)動力類型和起火原因分類，分布數(shù)據(jù)如圖1和圖2所示。

圖12016年新能源汽車起火事故數(shù)量及占比

圖2新能源汽車起火原因及占比

汽車電源系統(tǒng)故障是導(dǎo)致起火的首要原因，其次是電氣部件故障，再次是充電和浸水短路故障，碰撞后自燃和電氣線路連接故障。其中，純電動汽車屬于起火高發(fā)領(lǐng)域，由于私人領(lǐng)域新能源汽車數(shù)量持續(xù)增長，乘用車領(lǐng)域起火事故逐漸增多。綜合上述原因，除了操作不當(dāng)和產(chǎn)品質(zhì)量缺陷外，由于電氣系統(tǒng)故障產(chǎn)生故障電弧導(dǎo)致的汽車火災(zāi)比例高達60%。由直流源帶來的故障電弧給電壓不斷升級的新能源汽車電氣系統(tǒng)帶來巨大威脅。

2電弧故障的產(chǎn)生和危害

實驗顯示，在大氣中開斷電路，當(dāng)開斷電壓超過12～20V、開斷電流超過0.25～1A時，在觸頭間隙中產(chǎn)生近似圓柱形的導(dǎo)電氣體介質(zhì)即為電弧，具有導(dǎo)電性強、溫度高、亮度大和能量集中等特點。在工業(yè)領(lǐng)域可控狀態(tài)下，如電弧爐、電弧焊等被廣泛利用；而在非控狀態(tài)下產(chǎn)生火花放電和電弧放電等現(xiàn)象，會對用電設(shè)備造成損傷或嚴(yán)重電氣事故。在新能源汽車三電系統(tǒng)中，由于電氣設(shè)備的增加和自動化程度的提高，增加用電負荷導(dǎo)致車載線路的復(fù)雜化和電壓等級的提高（例如14VDC/42VDC雙電壓系統(tǒng)），汽車電氣系統(tǒng)產(chǎn)生電弧故障的概率增大。2013年國際電工委員會出臺了標(biāo)準(zhǔn)IEC62606-2013《電弧故障檢測設(shè)備的一般要求》，2015年我國開始實施相同作用的標(biāo)準(zhǔn)GB14287.4—2014《電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)：故障電弧檢測器》，這類標(biāo)準(zhǔn)用以指導(dǎo)和設(shè)計故障電弧相關(guān)保護裝置，快速可靠切斷故障電弧，促進新能源汽車“三電"技術(shù)發(fā)展。下面重點分析新能源汽車電弧故障的檢測方法和測試系統(tǒng)。

3新能源汽車電弧故障檢測方法

3.1直流電弧故障檢測技術(shù)的研究現(xiàn)狀

當(dāng)前國外對直流電弧故障的研究領(lǐng)域涉及汽車電氣系統(tǒng)、船舶電氣系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)和航空供電系統(tǒng)以及公共能源儲存和高壓直流輸電應(yīng)用系統(tǒng)。主要技術(shù)包括：利用電弧模型仿真電路參量特征與識別電??；利用電弧的弧光、溫度變化、輻射等物理現(xiàn)象檢測電弧利用電弧電壓、電流波形特征檢測故障電弧，此方法又分為時域分析法、頻域分析法和時頻域分析法。

國內(nèi)對直流電弧故障的研究處于起步階段，對新能源汽車電弧故障檢測的技術(shù)文獻較少。西安交通大學(xué)祝令瑜等提出用模式識別提高閾值法的局限性，研究多信息融合技術(shù)在電弧故障檢測中的應(yīng)用；南京航空航天大學(xué)王莉等根據(jù)直流電弧故障運行參量，提出以回路中電流標(biāo)準(zhǔn)差、電流交流分量與設(shè)定頻段功率和為特征量，利用馬氏距離算法識別直流電弧故障；華僑大學(xué)丁環(huán)等通過采集汽車不同負載正常時與故障時的電流參量，在并聯(lián)電弧故障發(fā)生時研究其時域波形特征與電火花特性，持續(xù)檢測多個電流脈沖判別汽車電弧故障。

國內(nèi)其他研究偏重于汽車火災(zāi)的產(chǎn)生原因及危害性，提出獲取汽車火災(zāi)后的殘留物和融化痕跡來識別事故前存在的電弧故障，驗證電弧故障與汽車火災(zāi)的密切關(guān)聯(lián)。但是汽車電氣系統(tǒng)與船舶電氣系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)和航空供電系統(tǒng)相比，電壓等級較低且固定，負載種類復(fù)雜多樣，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。而新能源汽車結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電氣系統(tǒng)電壓等級不一，充、用電技術(shù)問題和使用環(huán)境惡劣等原因，還有汽車部件故障之外的常見因素，諸如導(dǎo)線老化斷裂、負極搭鐵不牢靠、線束之間被擠壓、噪音和電磁兼容性等現(xiàn)象都會導(dǎo)致電弧故障頻發(fā)。隨著汽車傳感器技術(shù)、車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，國內(nèi)外出臺電弧相關(guān)安全技術(shù)指標(biāo)，使得汽車電弧故障檢測技術(shù)成為研究熱點。

3.2故障電弧的伏安特性

以某客車24V直流供電系統(tǒng)為例，用純電阻負載采集得到汽車電弧故障電流和電壓的時域波形圖，如圖3所示，在T時刻產(chǎn)生汽車電弧，回路電壓值瞬間增高，在一段時間內(nèi)電壓維持穩(wěn)定，當(dāng)電弧消失時迅速恢復(fù)到端電壓。與電壓波形相反，在電弧發(fā)生時回路電流突然下降，然后波形慢慢地回升，然后趨于平緩，隨著間隙距離增大，電流下降趨近于0，故障電弧消失。電弧存在時段里，電壓和電流的波形不斷上下波動，且它們的變化趨勢恰好相反。圖4為汽車直流電弧的伏安特性曲線。由圖4可知，故障電弧與正常情況下的伏安特性曲線不同，在電弧產(chǎn)生期和電弧即將熄滅期，伏安特性曲線近似直線，具備純阻性特征；在電弧持續(xù)燃燒期，不具備阻性特征。

圖3汽車電弧故障電流和電壓時域波形圖

圖4汽車直流電弧伏安特性圖

3.3直流電弧故障檢測方法

選擇正確的電弧故障檢測方法是準(zhǔn)確測試的前提。直流電弧故障分為串聯(lián)電弧故障和并聯(lián)電弧故障，并聯(lián)電弧故障又分為線線電弧故障和搭鐵電弧故障，故障類型如圖5所示。其中，串聯(lián)電弧故障的發(fā)生率占直流電弧故障的絕大部分。

圖5直流電弧故障類型

（1）時域直流電弧故障檢測法

由圖3和圖4得出，直流電弧故障會使回路中的電量發(fā)生突變，電流變化率和電壓變化率與電弧故障的電量變化有關(guān)，如果進行等周期時間Ts采樣，通過公式（1）可得到電壓變化量Δu，通過公式（2）可得到電流變化量ΔI。采樣周期會根據(jù)原始直流故障信號特性調(diào)整，以免出現(xiàn)誤檢測。

Δu=u(Ts+t)-u(t)（1）

ΔI=Imax-Imin（2）

式（1）～（2）中：Ts為采樣周期時間；Δu為電壓變化量；u(Ts+t)為Ts+t時刻的電壓；ΔI為電流變化量；Imax為采樣周期內(nèi)的大電流；Imin為采樣周期內(nèi)的小電流。

MRABLA等2013年提出了另一種時域檢測方法，建立的測試系統(tǒng)如圖6所示，運用雙羅氏線圈檢測電弧故障電路輸出的電量波形，其中一個羅氏線圈與故障電弧保持距離不變獲得電量信號f(t)，另一個羅氏線圈與故障電弧保持漸變距離獲取電量信號g(t)，通過兩個信號間的關(guān)聯(lián)程度，通過公式（3）得到表征量Φ(t)，在正常狀態(tài)下其波形平滑，在故障狀態(tài)下其波形產(chǎn)生劇烈波動。由于羅氏線圈在檢測單元中的位置限制，該方法只適合汽車靜態(tài)下的測試。

圖6雙羅氏線圈電弧故障測試系統(tǒng)

（2）頻域直流電弧故障檢測法

通過對故障電弧的回路電壓、電流數(shù)據(jù)的傅里葉變換，可以發(fā)現(xiàn)故障電弧暫態(tài)過程和穩(wěn)態(tài)過程中各頻段的幅值變化，暫態(tài)時電壓幅值增加，進入燃弧穩(wěn)態(tài)時幅值回落，低頻段非常明顯。韓國首爾國立大學(xué)的GSSEO等研究了不同電壓等級下串聯(lián)、并聯(lián)和接地電弧的變化特性，得出直流系統(tǒng)電弧故障頻域分析方法，但是新能源汽車負載頻率大多較低，環(huán)境高頻噪音比較復(fù)雜，給提取電弧故障頻段帶來影響。

（3）時頻域直流電弧故障檢測法

小波變換和短時傅里葉分析等數(shù)學(xué)工具被應(yīng)用于研究直流電弧故障中。美國圣地亞哥實驗室成員WANGZ等提出對比短時傅里葉變換與正交連續(xù)小波變換兩種方法；美國俄亥俄州立大學(xué)YAOX等學(xué)者對電流信號極值差進行3層小波包分解，利用分解后小波包系數(shù)有效值對電弧故障識別；英國諾丁漢大學(xué)CAOY等[16]學(xué)者提出將信號能量與電流信號3層小波包分解后的3層低頻信號能量的比值，作為電弧特征向量研究故障信號的時頻域方法。下面以兩層小波包分解法為例進行說明。

圖7兩層小波包分解法

如圖7所示，根據(jù)小波類型，利用低通濾波器h[n]2采樣得到逼近信號a，通過高通濾波器g[n]2采樣得到細節(jié)信號d，2層分解亦同，空間劃分更為細致。然后利用公式（4）的j節(jié)點處時間窗分解系數(shù)的方均根值，可以獲得更好的區(qū)分效果。研究者認(rèn)為，不能僅靠一次檢測結(jié)果判斷電弧故障，應(yīng)連續(xù)重復(fù)檢測多次，以避免偶然條件下的誤動作。

式(4)中：Xj,i為節(jié)點j在i個時間窗下分解系數(shù)的方均根值；Kj,n為節(jié)點j處的n個系數(shù)；N為j節(jié)點的全部系數(shù)個數(shù)。

4新能源汽車電弧故障模擬實驗

4.1模擬實驗測試系統(tǒng)的搭建

由于暫未出臺新能源汽車電弧故障實驗平臺標(biāo)準(zhǔn)，參考國內(nèi)新能源客車電氣結(jié)構(gòu)和美國電氣規(guī)范的UL1699b標(biāo)準(zhǔn)搭建電弧故障模擬實驗系統(tǒng)，如圖8所示，測試不同單一負載、復(fù)合負載下汽車電弧故障的回路電流信號和電壓信號，并經(jīng)過濾波放大調(diào)理之后，分析故障電弧伏安特性和故障特征，然后識別汽車電弧故障。

圖8電弧故障模擬實驗測試系統(tǒng)

4.2電弧故障模擬實驗方案

實驗測試平臺給電弧發(fā)生裝置提供12～42V的可調(diào)直流電源，把新能源汽車典型負載車燈、信號燈、動力電池組、起動系統(tǒng)等與電弧發(fā)生裝置串聯(lián)，實驗過程分為正常運行和故障運行兩種模式，每種模式下有單一串聯(lián)負載、混合并聯(lián)負載和突變負載3種類型。單一串聯(lián)負載類型較少，而混合式負載數(shù)量巨大，表1只列舉了12種單一負載和6種常見混合式負載，實際中的突變負載包括線路碳化、開關(guān)燒蝕、過電壓等復(fù)雜故障。

由于電弧故障的不可預(yù)知性，將電弧故障回路電流作為比對參數(shù)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，由高頻電流互感器PA3655NL（50～500kHz）采集高頻交流分量，獲得電流信號數(shù)據(jù)，然后信號調(diào)理電路濾除干擾信號，接著利用采樣率可調(diào)的信號采集器PXI（1MS/s、2MS/s、250kS/s）采集實驗數(shù)據(jù)。實驗中通過負荷切換開關(guān)實現(xiàn)各種類型的切換導(dǎo)通。在60～110kHz頻段下，故障信號功率譜幅值大于正常信號值，可作為汽車直流電氣系統(tǒng)電弧故障的特征頻段，但是汽車負載固有頻率大多分布于低頻，并且攜帶較大能量和噪聲，僅靠功率譜很難識別復(fù)雜電弧故障。由于故障前后電量的突變，使得電故障電路的信號能量低于正常電路，因此考慮采用故障發(fā)生前后能量比值作為識別汽車電弧故障的特征量。

4.3仿真模型的建立與實例

為了判斷電弧故障的物理特性，建立優(yōu)的直流電弧故障模型，使輸出的理論波形與檢測的故障電量波形吻合，才能準(zhǔn)確檢測和識別電弧故障。Cassie電弧模型主要適用于高阻電弧仿真，改進的Mayr電弧模型適用于低阻電弧仿真。通過能量平衡原理可以得到直流電弧故障的Cassie仿真模型，如式（5）所示。利用電弧故障模擬實驗測試平臺，分別獲得正常電流信號、串/并聯(lián)故障電弧電流信號和負載突變電流信號，以小波變換之后的系數(shù)變化作為基礎(chǔ)。以5層小波包分解法為例，使用節(jié)點能量之比λ作為有效識別汽車電弧故障的特征量，以式（6）的2～5個節(jié)點間能量與1節(jié)點能量的比值作為特征量，設(shè)定閾值為0.001，分別計算16個周期內(nèi)的4種電流信號的特征量，實驗結(jié)果如圖9所示，超過閾值的次數(shù)分別為0次、1次、11次和11次，在預(yù)設(shè)周期內(nèi)，可以通過此仿真模型構(gòu)造的特征量識別

串、并聯(lián)和突變負載電弧故障。

圖9電弧故障的區(qū)分

式(5)～(6)中：g為電弧電導(dǎo)值；τ為時間常數(shù)；u為電弧電壓；UC為電弧電壓系數(shù)；λ為故障區(qū)分特征量；E為2至5節(jié)點間的能量之和；E1為1節(jié)點的能量；X1(n)為1節(jié)點的重建系數(shù)；xr(n)為r節(jié)點的重建系數(shù)。

5安科瑞智慧消防云平臺

5.1平臺概述

安科瑞智慧消防云平臺依托物聯(lián)網(wǎng)、云計算、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、AI等技術(shù)，對充電站配電系統(tǒng)的運行、電能消耗、電能質(zhì)量、充電安全和行為安全進行實時監(jiān)控和預(yù)警，為充電站的可靠、安全、經(jīng)濟運行提供保障，并及時切除安全隱患、避免電氣火災(zāi)發(fā)生，從而保障人員的生命財產(chǎn)安全，打造“安全、高效、舒適、綠色"的“人—車—樁—電網(wǎng)—互聯(lián)網(wǎng)—多種增值業(yè)務(wù)"的智慧充電站，提升充電站的社會和經(jīng)濟價值。

5.2適用場合

可廣泛應(yīng)用于醫(yī)院、學(xué)校、酒店、體育場等公共建筑；商業(yè)廣場、產(chǎn)業(yè)園等綜合園區(qū)；企業(yè)、住宅小區(qū)等場所。

5.3組網(wǎng)架構(gòu)

平臺采用分層分布式結(jié)構(gòu)，主要由終端感知設(shè)備、邊緣計算網(wǎng)關(guān)和能效管理平臺層三個部分組成，詳細拓撲結(jié)構(gòu)如下：

5.4參考選型

6相關(guān)產(chǎn)品介紹

6.1 7KW交流充電樁AEV-AC007D

產(chǎn)品功能

（1）智能監(jiān)測：充電樁智能控制器對充電樁具備測量、控制與保護的功能，如運行狀態(tài)監(jiān)測、故障狀態(tài)監(jiān)測、充電計量與計費以及充電過程的聯(lián)動控制等。

（2）智能計量：輸出配置智能電能表，進行充電計量，具備完善的通信功能，可將計量信息通過RS485分別上傳給充電樁智能控制器和網(wǎng)絡(luò)運營平臺。

（3）云平臺：具備連接云平臺的功能，可以實現(xiàn)實時監(jiān)控，財務(wù)報表分析等等。

（4）保護功能：具備防雷保護、過載保護、短路保護，漏電保護和接地保護等功能。

（5）材質(zhì)可靠：保證長期使用并抵御復(fù)雜天氣環(huán)境。

（6）適配車型：滿足國標(biāo)充電接口，適配所有符合GB/T20234.2-2015國標(biāo)的電動汽車，適應(yīng)不同車型的不同功率。

（7）資產(chǎn)安全：產(chǎn)品全部由中國平安保險承保，充分保障設(shè)備、車輛、人員的安全。

6.2直流充電樁系列

6.3電氣火災(zāi)探測器ARCM300-Z

6.4限流式保護器ASCP200

產(chǎn)品功能：

（1）短路保護：保護器實時監(jiān)測用電線路電流，當(dāng)線路發(fā)生短路故障時，能在150微秒內(nèi)實現(xiàn)快速限流保護，并發(fā)出聲光報警信號；

（2）過載保護：當(dāng)線路電流過載且持續(xù)時間超過動作時間（3~60秒可設(shè)）時，保護器啟動限流保護，并發(fā)出聲光報警信號；

（3）表內(nèi)超溫保護：當(dāng)保護器內(nèi)部器件工作溫度過高時，保護器實施超溫限流保護，并發(fā)出聲光報警信號；

（4）組網(wǎng)通訊：保護器具有1路RS485接口，可以將數(shù)據(jù)發(fā)送到后臺監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)遠程監(jiān)控。

7平臺功能

7.1登錄

7.2首頁

平臺首頁顯示充電站的位置及在線情況，統(tǒng)計充電站的充電數(shù)據(jù)

7.3實時監(jiān)控

（1）充電站監(jiān)控

可以按站點名稱進行篩選，顯示站點詳情、充電槍列表、統(tǒng)計訂單信息、故障記錄，點擊某個充電槍編號后在進入充電槍監(jiān)控頁面實時監(jiān)測變壓器負荷（搭配ACM300T、ADW300），當(dāng)負荷超過50%時，系統(tǒng)會限制新增開始充電的充電樁的功率，降為50%，當(dāng)變壓器負荷超過80%時，系統(tǒng)將不允許新增充電樁開始充電，直到負荷下降為止。如圖所示：

統(tǒng)計當(dāng)前充電站各充電樁回路的數(shù)據(jù)；通過卡片的形式展現(xiàn)充電樁的數(shù)據(jù)；顯示故障列表；如圖所示：

（2）充電樁監(jiān)控

顯示充電樁充電數(shù)據(jù)；顯示各回路的充電狀態(tài)；可以對充電中的回路進行手動終止；顯示訂單信息、故障信息；如圖所示：

（3）設(shè)備監(jiān)控

顯示限流式保護器的狀態(tài)，包括線路中的剩余電流、溫度及異常報警，如圖所示：

7.4故障管理

（1）故障查詢

故障查詢中記錄了登錄用戶相關(guān)聯(lián)的所有故障信息。如圖所示：

（2）故障派發(fā)

故障派發(fā)中記錄了當(dāng)前待派發(fā)的故障信息。如圖所示：

（3）故障處理

故障處理中記錄了當(dāng)前待處理的故障信息。如圖所示：

7.5能耗分析

在能耗分析中，可查看時段關(guān)聯(lián)站點和關(guān)聯(lián)樁的能耗信息并顯示對應(yīng)的能耗趨勢圖。如圖所示：

7.6故障分析

在故障分析中，可查看相關(guān)時間內(nèi)的故障數(shù)、故障狀態(tài)、故障類型、趨勢分析以及故障列表。如圖所示：

7.7財務(wù)報表

在財務(wù)報表中，可根據(jù)時間查看關(guān)聯(lián)站點的財務(wù)數(shù)據(jù)。如圖所示：

7.8收益查詢

在收益查詢中，可查看總的收益統(tǒng)計、收益變化曲線圖、支付占比餅圖以及實際收益報表。如圖所示：

8案例實景

9結(jié)論

為了準(zhǔn)確檢測與區(qū)分新能源汽車電弧故障，分析和研究了汽車直流系統(tǒng)的電弧故障檢測方法，并搭建了模擬實驗測試系統(tǒng)。研究認(rèn)為故障電弧是引發(fā)新能源汽車發(fā)生自燃事故的首要因素，故障電弧包括單一串聯(lián)負載、混合并聯(lián)負載和突變負載3種類型。產(chǎn)生期和熄滅期的故障電弧伏安特性曲線近似直線，具備純阻性特征；持續(xù)燃燒期的故障電弧不具備阻性特征。搭建了電弧故障模擬實驗測試系統(tǒng)，分析確認(rèn)使用電弧故障發(fā)生前后的能量比值作為識別電弧故障的特征量。從時域、頻域和時頻域3方面分析了直流電弧故障檢測法，建立時域Cassie直流電弧仿真模型，利用5層小波包分解技術(shù)，重構(gòu)和提取了故障電弧的特征量，在檢測周期內(nèi)大于閾值的特征量區(qū)分度明顯，能有效識別故障電弧。研究結(jié)果為快速、可靠切除產(chǎn)生故障電弧的電氣系統(tǒng)組件單元，有效提高直流供電系統(tǒng)的安全性，為保障汽車電氣系統(tǒng)安全運行提供了必要條件。

參考文獻

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