CN102253293A - 一种直流电弧故障检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种直流电弧故障检测方法，是采集并计算多个电弧现象检测周期，通过时域的标准差法和基于时频域的马氏距离法这两种特征提取法来确认电弧现象——火花放电现象与电弧放电现象，并分别对这两种现象计数。在一次电弧故障诊断周期内，若两种现象的计数总和超过给定阈值，则判定存在电弧故障，若超时仍未超过给定阈值，则需判断是否出现了疑似电弧。此种检测方法可对在通电回路中的电弧故障进行检测与保护，在检测装置中采样流过采样电阻的电流，当判断发生了电弧故障时，发送跳闸信号给功率开关的驱动电路。本发明还公开一种可实现前述检测方法的直流电弧故障检测装置。

Description

一种直流电弧故障检测方法及装置

技术领域

本发明涉及一种检测技术，特别涉及一种电弧故障检测装置及方法，能检测并保护线路中出现的电弧故障。

背景技术

电弧是一种放电击穿现象，将本来绝缘的物质(例如空气)由绝缘状态变为导电状态，使电流得以通过。在正常状态下，气体具有良好的电气绝缘性能，而当在气体间隙的两端加上足够大的电场时，就可以引起电流通过，这种现象就是气体放电，电弧是气体放电的一种。经实验验证，在大气中开断电路时，只要电压超过12～20V，被开断电流超过0.25～1A，在触头间隙中就会产生一团温度极高、发出强光并能够导电的近似圆柱形的气体导电介质，这就是电弧。

电弧具有导电性强、能量集中、温度高、亮度大等特点，在可控状态下产生的电弧在工业领域被广泛利用，如弧光灯、电弧炉、电弧焊等；而在非控制状态下产生的电弧则会对供配电系统及用电设备等造成损害，是一种不被希望出现的现象，被称为电弧故障，是一种严重的电气事故。引发电弧故障的主要原因是电线电缆的绝缘性能老化、破损及空气潮湿、连接松动等。

近年来，在航空电气系统中，由于用电设备的增加及自动化程度的提高，飞机正朝着多电飞机、全电飞机的方向发展，用电量的增加导致机载线缆数量的增加和电压等级的提高，例如，由28VDC向270VDC的转变，115VAC向230VAC转变)，而其中任何一种电源系统都无法排除出现电弧故障的可能性，并且由于电压等级的提高，产生电弧故障的可能性也将同时提高。因此，飞机供配电系统的发展增加了发生电弧故障的隐患。而机载线缆的老化现象也带来了不容忽视的问题，由于老化而造成的线缆绝缘破裂也为电弧故障的产生提供了温床。

电弧故障作为一种高阻抗故障，虽然其产生的电流不大，但能量大，温度高，能引燃周围的易燃易爆品，危害极大，甚至引起火灾、爆炸并威胁人类生命。据统计显示，通过连续十年的调研发现，航空事故中的271次事故是电气事故，其中发电系统占18％、电线电缆占29％、变压器占6％、蓄电池占1％，而造成这些事故的主要元凶就是电弧。1983年，加拿大航空797号班机发生空难，调查人员从黑盒通话记录中听到电弧发出的声音；1996年，环球航空公司800班机失事，调查显示起因源自电弧故障引燃了燃油系统；1998年，瑞士航空111班机坠毁，调查人员发现班机碎片其中一根电缆上有电弧痕迹。由于电弧故障造成的破坏随时间呈指数倍增长，在电弧故障发生的初期就能对其进行检测和识别技术的研究是十分必要的。

然而，由于电弧故障(尤其是串行电弧故障)低电流的特性导致传统的热断路器对于该种故障无能为力，电弧的放电引起其自身温度急剧升高，出现明火和烟雾，其热效应比一般火灾还要严重，带来极大的安全上的威胁，然而其所在线缆却依旧工作于非过流模式下，受损线缆将得不到及时的保护，故障程度将持续扩大而最终失控。近年来，带有电弧故障保护装置的断路器已经逐渐进入市场，然而对于如何进行电弧保护却没有一个成熟的定论，误判的现象依然存在。

综上所述，由于配电系统的发展和线缆老化问题的存在，无法从根本上消除电弧故障的产生根源，而对全部配电线缆进行维护更新的成本很高，无法推广执行。因此，对于电弧故障的研究和准确检测，使电弧故障被扼杀于出现初期，是十分必要的，并且具有极其广阔的应用前景。

国外对于电弧故障的检测研究开展得较早，自2002年起，NEC规定美国的新建住宅中都必须安装具有电弧保护功能的开关装置AFCI，新的《加拿大电气条例》要求全国全面采用AFCI，以取代现在普遍使用的标准电流断路器。目前，通用电气、伊顿电气、德州仪器、西门子等公司已批量生产此类带有电弧检测功能的断路器并投入市场。我国国内有一些公司开发AFCI已经多年，但至今未有通过认证的AFCI产生进入市场。我国也还没有制定相应标准，也没有相应的检测机构。

电弧放电时的光、热、声音、电磁辐射等特性可以做为电弧故障的检测依据，并且在电弧频发的开关柜中得到了很好的应用。然而，依靠这种特性的分析需要用到传感器等体积比较大、且安装位置相对固定的器件，不适合集成在开关中，而且其检测范围相对较小，不适合应用在输配线缆等这种需要较大的检测范围的情况下。因此，需要通过其它特性找寻电弧特征，如电压、电流、阻抗特性等，由于线缆上电弧发生位置的不确定性，用于线缆保护的电弧故障断路器多采用的是和传统断路器相同的电流特征的检测法，如TI公司研发的应用于航空115VAC和28VDC电气系统中的AFCB。

目前，虽然在国外已经有产品推出，却并没有一种规范的检测方法。在对可能出现在通电线缆中的电弧的检测中，多采用提取电流特征的研究方法。这种基于电弧的电流特征的研究方法从最初的模拟检测向数字化检测方向发展，从时域检测发展为频域检测，神经网络算法、模糊自适应法等相对比较复杂的算法也逐步被应用到电弧故障的检测中。这类算法由于计算量比较大，虽然具有理论研究意义，却不适合应用于在线检测。相对而言，时域检测的方法由于比较简单，较常见于电弧故障的在线检测装置的研制中，如时域有效值、峰-峰值检测的方法以及交流电弧的平肩检测、电流变化率检测方法等。这些方法由于没有充分利用到电弧现象所带来的电气信息，通用性相对较低，比较适用于负载固定的专用AFCI的设计中。

近年来，国内也已经关注并展开了电弧故障检测技术的研究，研究成果以基于小波算法的交流电弧检测为主，在电弧故障检测中取得了不错的效果。这类方法的主要思想是通过选择合适的小波基函数，将故障电弧电流信号中的有用信息通过小波系数反应出来，以此作为故障检测的特征值。然而，由于小波算法自身的复杂性，在不影响算法的实时性的要求下，对硬件的要求比较高，增加了生产成本，不利于广泛应用。

同时，由于民用电气系统使用交流电源，国内对于电弧的研究主要集中在交流电弧中，而对直流电弧的研究涉猎较少。但是，正如前文中所提到的，直流电源在飞机电气系统中被普遍使用，且随着电压等级升高，发生电弧的可能性大大增加。因为直流电弧不存在过零点，不容易灭弧，如不及时保护，可能会出现长时间的燃炽，往往会带来更大的灾难。并且，直流电弧故障做为电弧故障的一种，与交流电弧在电流特性的表现上有很大的区别，适用于交流电弧检测的方法未必能在直流电弧检测中取得效果。因此，直流电弧的研究和检测也是一个不容小觑的问题。

美国专利No.US 2009/0284265 A1的全文被引用于此以作参考，其讲述了“电弧检测装置及相应飞机设备”，使用基于频域4个特定点的马氏距离法检测直流电弧故障。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，是针对前述背景技术中的缺陷和不足，提供一种直流电弧故障检测方法及装置，其可对在通电回路中的电弧故障进行检测与保护，其中，通电回路中包括电源、电线、功率负载、检测电阻及功率开关。在检测装置中采样流过采样电阻的电流，当判断发生了电弧故障时，发送跳闸信号给功率开关的驱动电路。

本发明为解决以上技术问题，所采用的技术方案是：

一种直流电弧故障检测方法，包括如下步骤：

(1)在一个固定的时间周期内以一定的采样频率采样若干个电流瞬时值，该周期为电弧现象检测周期；

(2)采样多个电弧现象检测周期的数值，作为正常时刻的参考数据，计算参考参数：计算出正常时刻电流的时域平均值、时域标准差以及求解马氏距离所需要的电流的频域平均值、频域标准差、相关系数矩阵；

(3)时频域转换的方法为快速傅里叶变换法，选取了三个马氏矩阵的特征量，分别为：电流的时域标准差以及电流的两组不同的频域谐波和；

(4)采样当前电弧现象检测周期的电流瞬时值数据，计算时域平均值μ，若μ＞η₁，其中，η₁为给定阈值，则计算时域的标准差σ和基于时频域的马氏距离值d_M；

(5)若σ＞η₂，则指示为发生火花放电现象，若σ＜η₂且d_M＞η₃，则指示为发生电弧放电现象，其中，η₂和η₃为给定阈值；

(6)连续对若干个电弧现象检测周期进行检测，其中指示为电弧现象的次数为M，若η₄＜M≤N，则判定出现了电弧故障，其中，N为连续检测的电弧现象检测周期的次数，η₄为给定阈值。

一种直流电弧故障检测装置，包括直流电源、电弧发生模块、功率开关、检测电阻、功率负载、驱动电路、电流检测电路和微处理器，其中，直流电源、电弧发生模块、功率开关、检测电阻、功率负载依次串联组成回路，直流电源负责为系统提供电能，电弧发生模块负责向系统中引入电弧故障，功率开关负责开通、切断供电电源，检测电阻负责采集电路电流；电流检测电路的输入端连接检测电阻，输出端连接微处理器的模数转换口，负责调理流过检测电阻的电流瞬时值再送入微处理器；微处理器对当前的电流进行采样并实时处理，判断是否发生电弧故障；驱动电路的一端连接微处理器，另一端连接功率开关，根据微处理器的控制指令控制功率开关的开通与关断。

上述功率开关为MOSFET。

上述驱动电路由电阻、电容组成的RC网络和图腾柱驱动电路组成。

上述微处理器为自带A/D采样电路的微处理器。

采用上述方案后，本发明确定了一套带有疑似电弧报告功能的直流电弧故障的判断标准。通过检测在一定的时间段内是否存在一定次数的电弧现象来判断电弧故障的产生与否，当出现了多次电弧现象但是还未达到电弧故障时，将发出疑似电弧警告信号。其相对现有技术的优点在于：其同时考虑了电弧电流信号在时域和频域两个方面的特征，能在极短的时间内发现电弧故障并自动切断电源，并考虑了疑似电弧的情况，给出疑似报告。

本发明提出一套适用于直流系统的电弧故障的检测算法，该算法对流过回路的电流进行采样分析，分析方法同时覆盖了时域和频域这两个重要的信号域，使用马氏距离相关度算法将时域信息和频域信息结合起来考虑。本发明所提供的检测方法采集并计算多个电弧现象检测周期，通过时域的标准差法和基于时频域的马氏距离法这两种特征提取法来确认电弧现象——火花放电现象与电弧放电现象，并分别对这两种现象计数。在一次电弧故障诊断周期内，若两种现象的计数总和超过给定阈值，则判定存在电弧故障，若超时仍未超过给定阈值，则需判断是否出现了疑似电弧。

附图说明

图1是本发明故障检测装置的示例性方框图；

图2(a)是在直流系统中发生串行火花放电的电流时域波形图；

图2(b)是在直流系统中发生并行火花放电的电流时域波形图；

图3(a)是在直流系统中发生串行电弧放电的电流时域波形图；

图3(b)是在直流系统中发生并行电弧放电的电流时域波形图；

图4是串行火花放电的时域电流、平均值和标准差分析图；

图5(a)是正常状态下的时域电流、平均值和标准差分析图；

图5(b)是串行电弧放电时的时域电流、平均值和标准差分析图；

图6是正常工作电流为10A时串行电弧稳定放电电流与电源电压的关系曲线图；

图7是28V电压等级下串行电弧稳定放电电流与正常工作电流的关系曲线图；

图8是270V电压等级下串行电弧稳定放电电流与正常工作电流的关系曲线图；

图9是电弧放电状态时的谐波频谱分析图；

图10是正常平稳状态下的电流马氏距离特征量分析图；

图11是电弧放电状态下的电流马氏距离特征量分析图；

图12是电弧故障检测保护算法的主流程图；

图13是执行一次电弧现象检测的流程图；

图14是实验中电弧故障检测装置对电弧故障的保护波形图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，为本发明一种直流电弧故障检测装置示例性实施例的系统框图，包括直流电源11、电弧发生模块12、功率开关13、检测电阻14、功率负载15、驱动电路16、电流检测电路17和微处理器18，其中，直流电源11、电弧发生模块12、功率开关13、检测电阻14、功率负载15依次串联组成回路，直流电源11负责为系统提供电能，电弧发生模块12负责向系统中引入电弧故障，功率开关13负责开通、切断供电电源，检测电阻14负责采集电路电流；电流检测电路17的输入端连接检测电阻14，输出端连接微处理器18的模数转换口，负责调理流过检测电阻14的电流瞬时值，送入微处理器18；微处理器18负责对当前的电流进行采样并实时处理，判断是否发生电弧故障；驱动电路16的一端连接微处理器18，另一端连接功率开关13，根据微处理器18的控制指令控制功率开关13的开通与关断。

在图1中，直流电源11可以为24VDC～500VDC。

在图1中，电弧发生模块12中实验模拟故障电弧的方法是依据由SAE协会撰写的有关电弧故障断路器的第一份标准AS5692A提出的对串行电弧和并行电弧的模拟方法，其中，串行电弧的发生多是由于接触松动，采用的是振动实验方法模拟螺栓接触松动；而并行电弧的发生多是由于导线的绝缘失效，分别采用了铡刀实验和潮湿实验方法模拟该种电弧故障。

如图2(a)、(b)和图3(a)、(b)所示，为电弧现象的两种放电形式，即火花放电和电弧放电。其中，图2(a)、(b)为火花放电，图3(a)、(b)为电弧放电。火花放电是一种临界放电现象，是一种断续的放电现象，这种不稳定的放电可以发展成电弧放电，这两种放电现象都伴随着极高的温度，高温会进一步破坏绝缘，使击穿程度更加剧烈，将现象升级，如火花放电上升为电弧放电，而电弧放电的燃炽则更加旺盛，因此，这两种都具有极大的危害性。通常情况下，两者会同时发生，而火花放电往往是电弧放电的前奏。本发明同时研究了火花放电和电弧放电，这两种现象其中一种发生或者同时发生，都可被归结为发生了电弧故障。因此，本发明所提到的电弧故障包括火花放电和电弧放电两种放电形式，统称电弧现象。

由错误！未找到引用源。2(a)可以看出，当发生串行火花放电现象时，由于电弧的弧柱存在一定的阻抗，电弧电流首先会产生急剧下降，由于火花放电自身的不稳定性，弧柱受外界影响平衡被破坏，这时可能出现两种极端情况，电极两端实接触或者完全断开，弧柱会变小乃至消失，电流很快又会大幅回升至接近正常状态下的电流值或者骤降至零；由图2(b)可以看出，当发生并行火花放电现象时，发生电弧的支路为电路引入了一定的阻抗，而这部分的阻抗在电路中是与负载并联的，因此，电路中的总阻抗与正常状态相比是突降的，因而，电弧电流首先会产生急剧上升，而同样由于其不稳定放电燃烧的特性，可能会出现两种极端情况，电极两端实接触或者完全断开，电弧可能会将负载短路，引起总电路的过载乃至短路，或者电流可能很快又会大幅下降至接近正常状态下的电流值。

由错误！未找到引用源。3(a)可以看出，而当发生串行电弧放电现象时，电弧电流也会突降，原因同上，但是由于燃炽稳定，电弧不容易熄灭，弧柱相对比较稳定，电弧的阻抗在一个很小的幅值范围内波动，因此，表现在电流上是较正常状态下的电流而言偏低的电流值，并含有大量的谐波成分。由错误！未找到引用源。3(a)可以看出，而当在回路中发生并行电弧放电现象时，电弧电流也会突增，原因同上，但是由于燃炽稳定，电弧不容易熄灭，弧柱相对比较稳定，电弧的阻抗在一个很小的范围内波动，因此，表现在电流上是较正常状态下的电流而言偏高的电流值，并含有大量的谐波成分。

综上所述，当发生串行电弧现象时，两种放电现象的电流值都不会超过正常状态下的电流值；当发生并行电弧现象时，两种放电现象的电流值都高于正常状态下的电流值。

直流电弧故障由火花放电和电弧放电组成。通过对多种状态下的电弧现象进行实验模拟和电流采样发现，这两种现象的电气特性有很大的区别，因此，在分析的时候，需要就这两种情况分别讨论。通过实验数据还可以看出，发生电弧时采集到的信号是一种非平稳信号，相对随机性较大，尤其是火花放电，既不能准确预测其未来瞬时值，也不能用数学式准确描述。但通过大量实验可以看出，该随机信号具有一定的相似性，具有某些统计特征，故可以用统计的方法来分析。

火花放电和电弧放电这两种情况都是应该在保护范围内的。因而，对电弧故障的判断应该从这两个方面着手，以保证这两种情况下的故障特征都能被提取出来。当线路上有火花放电发生时，采集到的电流信号为高度非平稳非线性信号，因此，适合平稳信号的频谱分析方法并不适合用在此处。而在发生电弧放电时，电流信号在时域的特征表现不是很明显，其幅值变换范围不是很大，需要从频域着手分析。

如图4所示，为串行火花放电的时域电流、平均值和标准差的分析结果。

1、平均值μ：反映集中趋势的特征数。样本的平均值表示样本内所包含的时变量的瞬时值在给定时间间隔内的算术平均值。对于周期量，时间间隔为一个周期。在本发明中，由于研究对象是直流电流，对不同时间段内的采样数据进行平均值的计算表征了电流的幅值在不同时间段的数量上的变化，计算方法如下(x_i是指不同时间段内的采样数据)：

$\mathrm{\μ}=E\left(x\right)=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i$

2、标准差σ：反映分散程度的特征数。样本的标准差是用来计算所测数据的偏离平均值程度，衡量该组样本波动程度的大小，在本发明中可以衡量电流随时间的波动程度，记录波动值以区分当前时刻有无电弧出现，计算方法如下：

$\mathrm{\σ}=\sqrt{\frac{1}{n-1}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(x_i-\mathrm{\μ})}^2}$

在本发明中，采用加窗的方法对数据进行时域故障分析，窗口长度为设定的固定值，实时采样电流信号数据，每采样一个窗口长度的数据后，对其进行数据统计分析，当故障检测启动阀被激活后，进入时域检测模块，计算窗口内数据的平均值和标准差。待分析数据是在直流28V负载条件下，以100kHz做为采样频率采样得到，负载电阻为2.2Ω。图4是对100ms内的电流波形采样并分析所得到的结果，最上面的图是时域电流波形，中间的图是平均值计算，下面的图是标准差的计算，由该结果可以看到，在发生火花放电时，出现由火花带来的电流骤变时，从平均值和标准差的角度来看，特征值均有明显的变化，而标准差的特征表现更加明显，在电极长时间保持实接触时，打火现象停止，电路暂时处于正常工作状态，标准差接近零值，而在发生打火现象导致电流骤变的时候，标准差超过0.5A。

由图5(b)可以看出，在发生串行电弧放电时，由于引入了与负载串联弧间阻抗，增大了回路的阻值，电流的幅值首先会有一个较大的跌落，随后放电进入稳定状态电弧放电燃炽稳定，然而此时弧柱的物理状态并不是静止的，在其中始终进行着游离和去游离的过程。观察发现，虽然电流在宏观上稳定，但微观上仍然不断变化，且电流的幅值变化相较火花放电来说相对较小。

从图5(a)可以看出，当发生电弧放电时，平均值将一直保持低于正常状态的现象，然而，若发生正常减载时，平均值也会发生类似的变化，因此，在这种状态下，不能单纯地通过求解平均值的手段来判断该种现象的存在与否，平均值的判断方法失效。而对比图5(a)与图5(b)，可以发现该种故障状态的标准差相比正常平稳的工作状态，还是有明显的区别，因此，依然可以沿用标准差的判断方法对该种故障做出有效的判断，同时可以看出正常工作状态下的标准差具有一定的周期性。然而，在发生电弧放电时，标准差不超过0.1，故障特征不如火花放电时明显，因此，需要通过其它方法进一步证实该种故障的存在性。

当发生电弧现象时，平均值与标准差相对于正常平稳状态下都有较大的变化，而由于火花放电本身的随机剧烈振荡的特性，能很好地表示波动程度的标准差对这种现象有更本质的反映；并且标准差表示的是分散程度，是一种相对量，而平均值表示的是总体趋势，是一种绝对量，因此，标准差较平均值更具有通用性。在本发明中，选择了标准差做为时域特征量。

如图6所示，为使用Paukert模型仿真得到的正常工作电流为10A时，串行火花放电振动幅度与电源电压之间的关系。由仿真结果可见，正常工作电流值和串行燃弧电流的差值，即火花放电的振动幅度与电源电压之间存在反比例的关系。因此，为了更好地对此种故障进行判断，在不同的电压等级时可选择不同的阈值。其中，Paukert电弧模型为Paukert于1993年提出的最高可满足电流300kA的电弧模型，支持200毫米以内的直流和交流电弧的模拟。

如图7和图8所示，为相同电压等级下串行电弧稳定放电电流与正常工作电流的关系，图7为28V时的关系曲线，其中，最上面和最下面的曲线是使用Paukert电弧模型仿真得到的，分别为放电间隙为5mm和1mm时的振动幅度与正常工作电流之间的关系，中间的曲线为实验时检测得到的。图8是在270V条件下仿真得到的波形，由图可见这种正比关系在相同电压等级下都是存在的，因此，当工作在不同的电流等级时可以对阈值做相应的简单的改变。

如图9所示，当出现电弧放电现象时，在100kHz以内的谐波幅值与正常状态下相比幅值较大，由此可见，电弧放电引入了噪声，这是从频域中分析判断电弧放电是否存在的一个重要的特征量。并且从图9还可以看出，发生电弧放电时，故障频谱集中在100kHz以内，频谱幅值从1kHz～10kHz呈上升趋势，然后从10kHz～100kHz呈衰减趋势，在50kHz以后，频谱幅值已经极为微弱，故本发明中将使用100kHz的采样频率采集数据，分析0～50kHz的频谱值，由上面的分析可见，已经完全可以覆盖电弧的频域特征值了。

如图10和图11所示，为电流的马氏距离特征值分析，待分析数据是在直流28V负载条件下，以100kHz做为采样频率采样得到，负载电阻为2.2Ω时得到。由图10可以看出，在平稳的工作状态下，电流的马氏距离特征量的数量值只有几十(马氏距离为无量纲量)，而由图11可以看出，当发生电弧放电现象时，虽然时域上的幅值变化不是很剧烈，但是频域转换后经过马氏距离分析后，马氏距离的量值出现了巨大的增加，大约为正常状态下的上千倍。电弧放电的马氏距离远远大于正常平稳状态下的马氏距离特征值，由此可见，当发生电弧放电时，可以通过马氏距离特征值来加以区分。

时域和频域相结合的马氏距离特征提取方法如下：

(一)正常状态下的参数提取：

在使用马氏距离算法进行电弧故障状态的识别之前，需要对数据进行预处理求得距离计算的参照点。本发明采用正常状态下的电流特征信息(由64组128点采样电流数据计算得到)作为马氏距离计算的参数，特征参数分别为数据(128点采样电流数据)的标准差、该组数据经快速傅里叶变换后的谐波和(10kHz以内)、以及该组数据经快速傅里叶变换后的谐波和(10kHz～50kHz)。经过以下5个步骤得到特征参照相关系数逆矩阵C^-1，平均值μ和标准差σ。

1、特征矩阵的求取：在电路正常平稳工作的状态下，采样Y＝64组时域电流数据，每组采样点为128点，分别对各组求标准差及进行FFT变换，取上文所述3个特征量，求得一个(64×3)阶特征频谱值矩阵[y_ij]；

2、频谱平均值和标准差的求取：利用步骤1中得到的特征矩阵[y_ij]，求取特征频谱的平均值μ_i和标准差σ_i，结果皆为(1×3)阶矩阵。

3、归一化计算：利用上面两个步骤中得到的矩阵进行数据的归一化计算，去除量纲的影响，计算方法如下式所示，所得结果为一个(Y×3)阶矩阵P，该矩阵将应用于后文对相关系数矩阵的计算。计算方法为，

$P_{\mathrm{ij}}=\frac{y_{\mathrm{ij}}-{\mathrm{\μ}}_j}{{\mathrm{\σ}}_j}(i=1,...,Y;j=\mathrm{1,2,3})$

4、计算相关系数矩阵C，所得结果为一个(3×3)阶矩阵。计算方法为，

$C_{\mathrm{ij}}=\frac{\underset{a=1}{\overset{Y}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{ai}}{P}_{\mathrm{aj}}}{Y}(i=\mathrm{1,2,3};j=\mathrm{1,2,3})$

5、对相关系数矩阵C求逆，求得C^-1。

通过上面的5个步骤的计算，可以求出做马氏距离特征计算所需要的参数。

(二)电弧故障检测阶段的马氏距离计算：

利用(一)中求得的参数，通过下式求取基于马氏距离的特征值，在实时计算马氏距离时，只有待测样本特征x的值是变量。相关系数逆矩阵C^-1，平均值μ和标准差σ都是定值，在数据预处理中得到。

$d_M^2\left(x\right)={\left(\frac{x-\mathrm{\μ}}{\mathrm{\σ}}\right)}^T{C}^{-1}\left(\frac{x-\mathrm{\μ}}{\mathrm{\σ}}\right)$

如图12所示，微处理器的工作流程如下：

1、上电复位；

2、程序初始化，系统初始化、中断初始化、IO初始化、AD初始化以及定时器初始化，开启中断，启动A/D转换；

3、将电弧检测标志位清零；

4、进行预处理监控——初始化参考参数：正常时刻电流的时域平均值、时域标准差以及求解马氏距离所需要的电流的频域平均值、频域标准差、相关系数矩阵；

5、进行预处理监控——实时监控系统电流：通过对时域平均值的计算判定是否进入电弧故障检测及判断程序；

6、调用电弧检测子程序，工作流程如图13所示；

7、调用故障诊断子程序，判断是否发生电弧故障及疑似电弧现象；

8、若返回跳闸信号，则微处理器发出跳闸命令，切断电源；

9、若返回疑似报告信号，则微处理器发出疑似警告命令，程序返回至步骤6，继续对电流信号进行电弧现象的检测；

10、若无任何信号返回，则程序返回至步骤5，实时监控系统电流。

如图13所示，电弧检测子程序的工作流程如下：

1、提取128点电流时域瞬时数据；

2、求取标准差σ，若σ＞η₂，则指示为发生火花放电现象并计数，其中，η₂为给定阈值；

3、若σ≤η₂，求取马氏距离d_M，若d_M＞η₃，则指示为发生电弧放电现象并计数，其中，η₂和η₃为给定阈值。

电弧故障的判断标准为：

依据AS5692A中的规定，在100ms内，若超过20％的时间出现明显的电弧特征，则可判定电弧故障的存在。本发明在沿用该规定的基础上做出了一些修改。

在100ms的时间范围内，以一个固定的比较小的时间间隔t_s对火花放电和电弧放电进行分别判定并计数，设一次故障检测算法的最大检测次数为N＝100(ms)/t_s(ms)，火花放电次数为n_hh，电弧放电次数为n_dh，含有电弧放电现象的疑似故障数n_ys，计数结果可通过以下五个判据进行分析和判定：

1、若n_hh+n_dn≥N×20％，，则可确定电弧故障的存在，需对其支路进行立即保护；

2、若N×5％≤n_hh+n_dn＜N×20％，且n_dh≠0，则n_ys++。从n_ys开始计数的10个故障检测周期内，若n_ys＞5，则确定电弧故障存在，发出保护动作指令；否则n_ys清零，并判断存在疑似电弧故障；

3、若N×5％≤n_hh+n_dn＜N×20％，且n_dh＝0，则判断存在疑似电弧故障；

4、若n_hh+n_dn＜N×5％，且n_dh≠0，则判断存在疑似电弧故障；

5、若n_hh+n_dn＜N×5％，且n_dh＝0，则忽略此次判定，离开电弧故障保护程序。

如图13所示，在前一个电弧故障诊断周期内，检测到的电弧现象未超过周期的20％，却大于了5％，这时的电弧现象还不够充分，不能判定发生了电弧故障，但是与正常工作状态相比，却出现了明显的异常，因此，微处理器向外发送了疑似报告信号以提高警觉，但是电路依然处于工作状态，不会出现跳闸保护。，而在后一个电弧故障诊断周期开始之后，这种现象不仅没有消除，反而更加剧烈，在未到达一个电弧故障诊断周期时即超过了20％，因此，电路发生了跳闸保护。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种直流电弧故障检测方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）在一个固定的时间周期内以一定的采样频率采样若干个电流瞬时值，该周期为电弧现象检测周期；

（2）采样多个电弧现象检测周期的数值，作为正常时刻的参考数据，计算参考参数：计算出正常时刻电流的时域平均值、时域标准差以及求解马氏距离所需要的电流的频域平均值、频域标准差、相关系数矩阵；

（3）时频域转换的方法为快速傅里叶变换法，选取了三个马氏矩阵的特征量，分别为：电流的时域标准差以及电流的两组不同的频域谐波和；

（4）采样当前电弧现象检测周期的电流瞬时值数据，计算时域平均值μ，若μ＞η₁，其中，η₁为给定阈值，则计算时域的标准差σ和基于时频域的马氏距离值d_M；

（5）若σ＞η₂，则指示为发生火花放电现象，若σ＜η₂且d_M＞η₃，则指示为发生电弧放电现象，其中，η₂和η₃为给定阈值；

（6）连续对若干个电弧现象检测周期进行检测，其中指示为电弧现象的次数为M，若η₄＜M≤N，则判定出现了电弧故障，其中，N为连续检测的电弧现象检测周期的次数，η₄为给定阈值。

2.采用如权利要求1所述的一种直流电弧故障检测方法的检测装置，其特征在于：包括直流电源、电弧发生模块、功率开关、检测电阻、功率负载、驱动电路、电流检测电路和微处理器，其中，直流电源、电弧发生模块、功率开关、检测电阻、功率负载依次串联组成回路，直流电源负责为系统提供电能，电弧发生模块负责向系统中引入电弧故障，功率开关负责开通、切断供电电源，检测电阻负责采集电路电流；电流检测电路的输入端连接检测电阻，输出端连接微处理器的模数转换口，负责调理流过检测电阻的电流瞬时值再送入微处理器；微处理器对当前的电流进行采样并实时处理，判断是否发生电弧故障；驱动电路的一端连接微处理器，另一端连接功率开关，根据微处理器的控制指令控制功率开关的开通与关断。

3.如权利要求2所述的一种直流电弧故障检测装置，其特征在于：所述功率开关为MOSFET。

4.如权利要求2所述的一种直流电弧故障检测装置，其特征在于：所述驱动电路由电阻、电容组成的RC网络和图腾柱驱动电路组成。

5.如权利要求2所述的一种直流电弧故障检测装置，其特征在于：所述微处理器为自带A/D采样电路的微处理器。

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