关键词：电弧故障；Cassie模型；小波包；电气失火；新能源汽车
1新能源汽车电气失火现状及缘故原由剖析
据2017年《中国消防年鉴》的数据显示，2007—2016年，我国汽车失火紧张缘故原由是电气故障，占总数的44%，其次是供油系统故障，占失火总数的29.4%，三是机器故障，占总数的14.6%，之后依次为排气系统故障（5.6%）、人为意外缘故原由（3.8%）和自燃（1.2%）。2017年“中国电动汽车百人会”发布的新能源汽车安全报告显示，2015年海内发生动怒事件14起，而2016年增加至29起（40辆车），新能源汽车自燃失火次数（包括碰撞后自燃）随产销量增长而急剧增加。根据该报告公开资料不统计，2016年国内外共发生新能源汽车动怒事件35起，涉事车辆共计45辆（1起人为纵火除外），根据动力类型和动怒缘故原由分类，分布数据如图1和图2所示。
图12016年新能源汽车动怒事件数量及占比
图2新能源汽车动怒缘故原由及占比
汽车电源系统故障是导致动怒的紧张缘故原由，其次是电气零部件故障，再次是充电和浸水短路故障，碰撞后自燃和电气线路连接故障。个中，纯电动汽车属于动怒高发领域，由于私人领域新能源汽车数量持续增长，乘用车领域动怒事件逐渐增多。综合上述缘故原由，除了操作不当和产品质量毛病外，由于电气系统故障产生故障电弧导致的汽车失火比例高达60%。由直流源带来的故障电弧给电压不断升级的新能源汽车电气系统带来巨大威胁。
2电弧故障的产生和危害
实验显示，在大气中开断电路，当开断电压超过12～20V、开断电流超过0.25～1A时，在触头间隙中产生近似圆柱形的导电气体介质即为电弧，具有导电性强、温度高、亮度大和能量集中等特点。在工业领域可控状态下，如电弧炉、电弧焊等被广泛利用；而在非控状态下产生火花放电和电弧放电等征象，会对用电设备造成损伤或严重电气事件。在新能源汽车三电系统中，由于电气设备的增加和自动化程度的提高，增加用电负荷导致车载线路的繁芜化和电压等级的提高（例如14VDC/42VDC双电压系统），汽车电气系统产生电弧故障的概率增大。2013年国际电工委员会出台了标准IEC62606-2013《电弧故障检测设备的一样平常哀求》，2015年我国开始履行相同浸染的标准GB14287.4—2014《电气失火监控系统：故障电弧检测器》，这类标准用以辅导和设计故障电弧干系保护装置，快速可靠割断故障电弧，促进新能源汽车“三电”技能发展。下面重点剖析新能源汽车电弧故障的检测方法和测试系统。
3新能源汽车电弧故障检测方法
3.1直流电弧故障检测技能的研究现状
当前国外对直流电弧故障的研究领域涉及汽车电气系统、船舶电气系统、光伏发电系统和航空供电系统以及公共能源储存和高压直流输电运用系统。紧张技能包括：利用电弧模型仿真电路参量特色与识别电弧；利用电弧的弧光、温度变革、辐射等物理征象检测电弧利用电弧电压、电流波形特色检测故障电弧，此方法又分为时域剖析法、频域剖析法和时频域剖析法。
海内对直流电弧故障的研究处于起步阶段，对新能源汽车电弧故障检测的技能文献较少。西安交通大学祝令瑜等提出用模式识别提高阈值法的局限性，研究多信息领悟技能在电弧故障检测中的运用；南京航空航天算夜学王莉等根据直流电弧故障运行参量，提出以回路中电流标准差、电流互换分量与设定频段功率和为特色量，利用马氏间隔算法识别直流电弧故障；华侨大学丁环等通过采集汽车不同负载正常时与故障时的电流参量，在并联电弧故障发生时研究其时域波形特色与电火花特性，持续检测多个电流脉冲判别汽车电弧故障。
海内其他研究侧重于汽车失火的产生缘故原由及危害性，提出获取汽车失火后的残留物和融化痕迹来识别事件前存在的电弧故障，验证电弧故障与汽车失火的密切关联。但是汽车电气系统与船舶电气系统、光伏发电系统和航空供电系统比较，电压等级较低且固定，负载种类繁芜多样，各种仪表车灯等均采取负极搭铁办法连接，电弧故障旗子暗记更暗藏、微弱。而新能源汽车构造繁芜，电气系统电压等级不一，充、用电技能问题和利用环境恶劣等缘故原由，还有汽车零部件故障之外的常见成分，诸如导线老化断裂、负极搭铁不牢固、线束之间被挤压、噪音和电磁兼容性等征象都会导致电弧故障频发。随着汽车传感器技能、车联网技能的不断发展，国内外出台电弧干系安全技能指标，使得汽车电弧故障检测技能成为研究热点。
3.2故障电弧的伏安特性
以某客车24V直流供电系统为例，用纯电阻负载采集得到汽车电弧故障电流和电压的时域波形图，如图3所示，在T时候产生汽车电弧，回路电压值瞬间增高，在一段韶光内电压坚持稳定，当电弧消逝时迅速规复到端电压。与电压波形相反，在电弧发生时回路电流溘然低落，然后波形逐步地回升，然后趋于平缓，随着间隙间隔增大，电流低落趋近于零，故障电弧消逝。电弧存在时段里，电压和电流的波形不断高下颠簸，且它们的变革趋势恰好相反。图4为汽车直流电弧的伏安特性曲线。由图4可知，故障电弧与正常情形下的伏安特性曲线不同，在电弧产生期和电弧即将熄灭期，伏安特性曲线近似直线，具备纯阻性特色；在电弧持续燃烧期，不具备阻性特色。
图3汽车电弧故障电流和电压时域波形图
图4汽车直流电弧伏安特性图
3.3直流电弧故障检测方法
选择精确的电弧故障检测方法是准确测试的条件。直流电弧故障分为串联电弧故障和并联电弧故障，并联电弧故障又分为线线电弧故障和搭铁电弧故障，故障类型如图5所示。个中，串联电弧故障的发生率占直流电弧故障的绝大部分。
图5直流电弧故障类型
（1）时域直流电弧故障检测法
由图3和图4得出，直流电弧故障会使回路中的电量发生突变，电流变革率和电压变革率与电弧故障的电量变革有关，如果进行等周期韶光Ts采样，通过公式（1）可得到电压变革量Δu，通过公式（2）可得到电流变革量ΔI。采样周期会根据原始直流故障旗子暗记特性调度，以免涌现误检测。
Δu=u(Ts+t)-u(t)（1）
ΔI=Imax-Imin（2）
式（1）～（2）中：Ts为采样周期韶光；Δu为电压变革量；u(Ts+t)为Ts+t时候的电压；ΔI为电流变革量；Imax为采样周期内的大电流；Imin为采样周期内的小电流。
MRABLA等2013年提出了另一种时域检测方法，建立的测试系统如图6所示，利用双罗氏线圈检测电弧故障电路输出的电量波形，个中一个罗氏线圈与故障电弧保持间隔不变得到电量旗子暗记f(t)，另一个罗氏线圈与故障电弧保持渐变间隔获取电量旗子暗记g(t)，通过两个旗子暗记间的关联程度，通过公式（3）得到表征量Φ(t)，在正常状态下其波形平滑，在故障状态下其波形产生剧烈颠簸。由于罗氏线圈在检测单元中的位置限定，该方法只适宜汽车静态下的测试。
图6双罗氏线圈电弧故障测试系统
（2）频域直流电弧故障检测法
通过对故障电弧的回路电压、电流数据的傅里叶变换，可以创造故障电弧暂态过程和稳态过程中各频段的幅值变革，暂态时电压幅值增加，进入燃弧稳态时幅值回落，低频段非常明显。韩国首尔国立大学的GSSEO等研究了不同电压等级下串联、并联和接地电弧的变革特性，得出直流系统电弧故障频域剖析方法，但是新能源汽车负载频率大多较低，环境高频噪音比较繁芜，给提取电弧故障频段带来影响。
（3）时频域直流电弧故障检测法
小波变换和短时傅里叶剖析等数学工具被运用于研究直流电弧故障中。美国圣地亚哥实验室成员WANGZ等提出比拟短时傅里叶变换与正交连续小波变换两种方法；美国俄亥俄州立大学YAOX等学者对电流旗子暗记极值差进行3层小波包分解，利用分解后小波包系数有效值对电弧故障识别；英国诺丁汉大学CAOY等[16]学者提出将旗子暗记能量与电流旗子暗记3层小波包分解后的3层低频旗子暗记能量的比值，作为电弧特色向量研究故障旗子暗记的时频域方法。下面以两层小波包分解法为例进行解释。
图7两层小波包分解法
如图7所示，根据小波类型，利用低通滤波器h[n]2采样得到逼近旗子暗记a，通过高通滤波器g[n]2采样得到细节旗子暗记d，2层分解亦同，空间划分更为细致。然后利用公式（4）的j节点处韶光窗分解系数的方均根值，可以得到更好的区分效果。研究者认为，不能仅靠一次检测结果判断电弧故障，应连续重复检测多次，以避免有时条件下的误动作。
式(4)中：Xj,i为节点j在i个韶光窗下分解系数的方均根值；Kj,n为节点j处的n个系数；N为j节点的全部系数个数。
4新能源汽车电弧故障仿照实验
4.1仿照实验测试系统的搭建
由于暂未出台新能源汽车电弧故障实验平台标准，参考海内新能源客车电气构造和美国电气规范的UL1699b标准搭建电弧故障仿照实验系统，如图8所示，测试不同单一负载、复合负载下汽车电弧故障的回路电流旗子暗记和电压旗子暗记，并经由滤波放大调理之后，剖析故障电弧伏安特性和故障特色，然后识别汽车电弧故障。
图8电弧故障仿照实验测试系统
4.2电弧故障仿照实验方案
实验测试平台给电弧发生装置供应12～42V的可调直流电源，把新能源汽车范例负载车灯、旗子暗记灯、动力电池组、起动系统等与电弧发生装置串联，实验过程分为正常运行和故障运行两种模式，每种模式下有单一串联负载、稠浊并联负载和突变负载3种类型。单一串联负载类型较少，而稠浊式负载数量巨大，表1只列举了12种单一负载和6种常见稠浊式负载，实际中的突变负载包括线路碳化、开关烧蚀、过电压等繁芜故障。
由于电弧故障的不可预知性，将电弧故障回路电流作为比对参数。数据采集系统中，由高频电流互感器PA3655NL（50～500kHz）采集高频互换分量，得到电流旗子暗记数据，然后旗子暗记调理电路滤除滋扰旗子暗记，接着利用采样率可调的旗子暗记采集器PXI（1MS/s、2MS/s、250kS/s）采集实验数据。实验中通过负荷切换开关实现各种类型的切换导通。在60～110kHz频段下，故障旗子暗记功率谱幅值大于正常旗子暗记值，可作为汽车直流电气系统电弧故障的特色频段，但是汽车负载固有频率大多分布于低频，并且携带较大能量和噪声，仅靠功率谱很难识别繁芜电弧故障。由于故障前后电量的突变，使得电故障电路的旗子暗记能量低于正常电路，因此考虑采取故障发生前后能量比值作为识别汽车电弧故障的特色量。
负载
类型
负载
编号
负载类型
负载
编号
正常运行
故障运行
正常运行
故障运行
单一
串联
负载
车灯
A1
B1
稠浊式
负载
两车灯
A13
B13
左转向灯
A2
B2
右转向灯
A3
B3
电机+车灯
A14
B14
刹车灯
A4
B4
动力电池组
A5
B5
喇叭＋车灯
A15
B15
发电机
A6
B6
起动机
A7
B7
电池组+起动机
A16
B16
点火电路
A8
B8
雨刮电机
A9
B9
电池组+点火电路
A17
B17
车窗电机1-4
A10
B10
喇叭
A11
B11
电池组+点火+起动机
A18
B18
突变负载
空调系统
A12
B12
串联突变负载
A19
B19
突变负载
并联突变负载
A20
B20
4.3仿真模型的建立与实例
为了判断电弧故障的物理特性，建立优的直流电弧故障模型，使输出的理论波形与检测的故障电量波形吻合，才能准确检测和识别电弧故障。Cassie电弧模型紧张适用于高阻电弧仿真，改进的Mayr电弧模型适用于低阻电弧仿真。通过能量平衡事理可以得到直流电弧故障的Cassie仿真模型，如式（5）所示。利用电弧故障仿照实验测试平台，分别得到正常电流旗子暗记、串/并联故障电弧电流旗子暗记和负载突变电流旗子暗记，以小波变换之后的系数变革作为根本。以5层小波包分解法为例，利用节点能量之比λ作为有效识别汽车电弧故障的特色量，以式（6）的2～5个节点间能量与1节点能量的比值作为特色量，设定阈值为0.001，分别打算16个周期内的4种电流旗子暗记的特色量，实验结果如图9所示，超过阈值的次数分别为0次、1次、11次和11次，在预设周期内，可以通过此仿真模型布局的特色量识别
串、并联和突变负载电弧故障。
图9电弧故障的区分
式(5)～(6)中：g为电弧电导值；τ为韶光常数；u为电弧电压；UC为电弧电压系数；λ为故障区分特色量；E为2至5节点间的能量之和；E1为1节点的能量；X1(n)为1节点的重修系数；xr(n)为r节点的重修系数。
5安科瑞聪慧消防云平台
5.1平台概述
安科瑞聪慧消防云平台依托物联网、云打算、互联网、大数据、AI等技能，对充电站配电系统的运行、电能花费、电能质量、充电安全和行为安全进行实时监控和预警，为充电站的可靠、安全、经济运行供应保障，并及时切除安全隐患、避免电气失火发生，从而保障职员的生命财产安全，打造“安全、高效、舒适、绿色”的“人—车—桩—电网—互联网—多种增值业务”的聪慧充电站，提升充电站的社会和经济代价。
5.2适用场合
可广泛运用于医院、学校、酒店、运动场等公共建筑；商业广场、家当园等综合园区；企业、住宅小区等场所。
5.3组网架构
平台采取分层分布式构造，紧张由终端感知设备、边缘打算网关和能效管理平台层三个部分组成，详细拓扑构造如下：
5.4参考选型
序号
名称
单位
1
聪慧用电云平台
EIOT
2
电气失火探测器
ARCM300系列
3
限流式保护器
ASCP系列
4
汽车充电桩
AEV200系列
6干系产品先容
6.1 7KW互换充电桩AEV-AC007D
产品功能
（1）智能监测：充电桩智能掌握器对充电桩具备丈量、掌握与保护的功能，如运行状态监测、故障状态监测、充电计量与计费以及充电过程的联动掌握等。
（2）智能计量：输出配置智能电能表，进行充电计量，具备完善的通信功能，可将计量信息通过RS485分别上传给充电桩智能掌握器和网络运营平台。
（3）云平台：具备连接云平台的功能，可以实现实时监控，财务报表剖析等等。
（4）保护功能：具备防雷保护、过载保护、短路保护，泄电保护和接地保护等功能。
（5）材质可靠：担保长期利用并抵御繁芜景象环境。
（6）适配车型：知足国标充电接口，适配所有符合GB/T20234.2-2015国标的电动汽车，适应不同车型的不同功率。
（7）资产安全：产品全部由中国安然保险承保，充分保障设备、车辆、职员的安全。
6.2直流充电桩系列
6.3电气失火探测器ARCM300-Z
序号
名称
型号、规格
单位
数量
备注
1
电气失火监控装置
三相（I、U、Kw、Kvar、Kwh、Kvarh、Hz、COSφ），视在电能、四象限电能打算，单回路剩余电流监测，4路温度监测，2路继电器输出，2路开关量输入，事宜记录，内置时钟，点阵式LCD显示，1路独立RS485/Modbus通讯，支持4G/NB等多种无线上传方案，支持断电报警上传功能。
只
1
安科瑞
6.4限流式保护器ASCP200
产品功能：
（1）短路保护：保护器实时监测用电线路电流，当线路发生短路故障时，能在150微秒内实现快速限流保护，并发生发火声光报警旗子暗记；
（2）过载保护：当线路电流过载且持续韶光超过动作韶光（3~60秒可设）时，保护器启动限流保护，并发生发火声光报警旗子暗记；
（3）表内超温保护：当保护器内部器件事情温度过高时，保护器履行超温限流保护，并发生发火声光报警旗子暗记；
（4）组网通讯：保护用具有1路RS485接口，可以将数据发送到后台监控系统，实现远程监控。
7平台功能
7.1登录
7.2首页
平台首页显示充电站的位置及在线情形，统计充电站的充电数据
7.3实时监控
（1）充电站监控
可以按站点名称进行筛选，显示站点详情、充电枪列表、统计订单信息、故障记录，点击某个充电枪编号后在进入充电枪监控页面实时监测变压器负荷（搭配ACM300T、ADW300），当负荷超过50%时，系统会限定新增开始充电的充电桩的功率，降为50%，当变压器负荷超过80%时，系统将不许可新增充电桩开始充电，直到负荷低落为止。如图所示：
统计当前充电站各充电桩回路的数据；通过卡片的形式展现充电桩的数据；显示故障列表；如图所示：
（2）充电桩监控
显示充电桩充电数据；显示各回路的充电状态；可以对充电中的回路进行手动终止；显示订单信息、故障信息；如图所示：
（3）设备监控
显示限流式保护器的状态，包括线路中的剩余电流、温度及非常报警，如图所示：
7.4故障管理
（1）故障查询
故障查询中记录了登任命户干系联的所有故障信息。如图所示：
（2）故障派发
故障派发中记录了当前待派发的故障信息。如图所示：
（3）故障处理
故障处理中记录了当前待处理的故障信息。如图所示：
7.5能耗剖析
在能耗剖析中，可查看时段关联站点和关联桩的能耗信息并显示对应的能耗趋势图。如图所示：
7.6故障剖析
在故障剖析中，可查看干系韶光内的故障数、故障状态、故障类型、趋势剖析以及故障列表。如图所示：
7.7财务报表
在财务报表中，可根据韶光查看关联站点的财务数据。如图所示：
7.8收益查询
在收益查询中，可查看总的收益统计、收益变革曲线图、支付占比饼图以及实际收益报表。如图所示：
8案例实景
9结论
为了准确检测与区分新能源汽车电弧故障，剖析和研究了汽车直流系统的电弧故障检测方法，并搭建了仿照实验测试系统。研究认为故障电弧是引发新能源汽车发生自燃事件的紧张成分，故障电弧包括单一串联负载、稠浊并联负载和突变负载3种类型。产生期和熄灭期的故障电弧伏安特性曲线近似直线，具备纯阻性特色；持续燃烧期的故障电弧不具备阻性特色。搭建了电弧故障仿照实验测试系统，剖析确认利用电弧故障发生前后的能量比值作为识别电弧故障的特色量。从时域、频域和时频域3方面剖析了直流电弧故障检测法，建立时域Cassie直流电弧仿真模型，利用5层小波包分解技能，重构和提取了故障电弧的特色量，在检测周期内大于阈值的特色量区分度明显，能有效识别故障电弧。研究结果为快速、可靠切除产生故障电弧的电气系统组件单元，有效提高直流供电系统的安全性，为保障汽车电气系统安全运行供应了必要条件。
参考文献
[1]郭琳，柯希彪，汤引生，陈垚，李英，刘志远.新能源汽车电弧故障检测方法及测试系统设计.
[2]彭忆强,芦文峰,邓鹏毅,等.新能源汽车“三电”系统功能安全技能现状剖析[J].西华大学学报(自然科学版),2018,37(1):54-61.
[3]陈思磊,李兴文,屈建宇.直流故障电弧研究综述[J].电器与能效管理技能,2015(15):1-6,45
[4]安科瑞企业微电网设计与运用手册2022.05版.
