CN107870286A - 一种直流故障电弧检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直流故障电弧检测方法及装置，方法包括：将电流互感器套设在被保护电路的正极和负极导线上，对线路中的电磁耦合信号实时采集并进行实时信号的四阶累积量峭度值计算，根据预设的峭度值阈值判断是否发生电弧故障。本发明检测方法简单，能够有效解决系统漏判断、误判断问题，且对硬件电路要求低，有效的降低了制造成本。

Description

一种直流故障电弧检测方法及装置

技术领域

本发明涉及电路保护技术领域，尤其涉及一种直流故障电弧检测方法及装置。

背景技术

在多个负载串并联的综合负载回路中，由于直流电弧和交流电弧不同，没有明显的“零休现象”。尤其在发生串联直流故障电弧时，直流电弧呈现负的伏安特性，直流电弧的电流值往往比正常工作时的额定电流小，若小功率负载发生直流电弧故障，会导致故障信号淹没在正常信号中，导致不能检测到直流故障电弧信号，造成检测装置的漏判断。

目前对直流故障电弧的检测方法主要集中在时域和频域两个方面，比如利用电流变化率、FFT频谱分析或者小波分析等，检测的智能算法有BP神经网络、支持向量机SVM等，对于电动汽车、直流低压配电柜等直流故障电弧有较好的检测效果，但检测装置在一些其他的领域也会容易产生误判。比如线路中负载经常性的波动，会导致与电弧故障类似的电流突变现象。在光伏系统中，光伏系统的输出特性受光照强度和温度变化的影响很大，并且和光伏阵列的局部阴影有关，这些因素都容易导致检测装置对负载易波动与直流输出特性受外界影响的系统辨识能力不足导致误漏判。

专利201310371017.3公开了“一种用于光伏发电系统的直流电弧检测及保护方法和电路”，通过将采样得到的电流信号转换成采样电压信号，采样电压信号的采样电压值与预先设定好的电压阀值进行比较，若采样电压值超过电压阀值,则认为已经发生了电弧故障,这样的单一的阈值检测往往容易出现漏判或者误判，存在检测方式单一，相应的阈值难以选取的问题。

专利201510727565.4公开了“一种光伏系统直流故障电弧的识别方法”，通过对对光伏系统中的直流电流进行采样，将采集得到的直流电流数据进行离散傅立叶变换，构建特征向量空间作为Fisher识别算法的输入，并以此作为学习样本，作为Fisher识别算法的训练与学习，该方法的检测算法较复杂，要求数据处理快且对硬件电路要求较高。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提出一种直流故障电弧检测方法及装置，通过线路中直流故障电弧产生的电磁耦合信号并基于高阶累积量统计识别可以有效检测出线路中的直流电弧故障并及时予以保护。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种直流故障电弧检测方法，包括：步骤1：将电流互感器套设在被保护电路的正极和负极导线上；

步骤2：通过电流互感器对线路中的电磁耦合信号实时采集，得到实时信号序列x(t)；

步骤3：对x(t)进行高阶累积量统计，计算其四阶累积量峭度值K；

步骤4：根据预设的峭度值阈值判断是否发生电弧故障。

进一步地，所述步骤3具体为：每隔250ms对x(t)进行高阶累积量统计，设x(t)为平稳随机信号，且x₁＝x(t),x₂＝x(t+τ₁),…x_k＝x(t+τ_k-1)，

其中，τ为延时量，

随机信号x(t)的k阶矩m_k为：m_k(τ₁…τ_k-1)＝E[x(t)x(t+τ₁)…x(t+τ_k-1)]，

随机信号的高阶累积量用高阶矩来表示，对于零均值信号，随机信号的四阶累积量为

c₄(τ₁,τ₂,τ₃)＝m₄(τ₁,τ₂,τ₃)-m₂(τ₁)*m₂(τ₃-τ₂)

-m₂(τ₂)*m₂(τ₃-τ₁)-m₂(τ₃)*m₂(τ₂-τ₁)

当τ₁＝τ₂＝τ₃＝0时，由上式可得：

c₄(0,0,0)＝m₄(0,0,0)-3m₂ ²(0)＝E[x⁴(t)]-3{E[x²(t)]}²

零均值随机信号x(t)的峭度K为：

其中，σ_x为标准差，N为信号长度。

进一步地，所述步骤4包括：

步骤41：当峭度值K＞峭度值阈值，则电弧故障区间数count加1；当峭度值K≤峭度值阈值，则电弧故障区间数count清零，返回步骤2继续采集信号；

步骤42：当电弧故障区间数count＜2时，返回步骤2继续采集信号；当电弧故障区间数count≥2时，则判定发生电弧故障。

进一步地，所述峭度值阈值为4。

一种直流故障电弧检测装置，包括：电流互感器、微控制单元、驱动电路和脱扣机构，

所述电流互感器套设在被保护电路的正极和负极导线上；

所述微控制单元与电流互感器连接，用于对线路中的电磁耦合信号进行实时采集并进行四阶累积量峭度值计算；

微控制单元根据计算得到的四阶累积量峭度值和预设的峭度值阈值判断是否发生电弧故障，通过驱动电路使脱扣机构动作，从而保护电路。

进一步地，所述微控制单元每隔250ms对实时信号进行四阶累积量峭度值K进行计算，当连续两次计算得到的四阶累积量峭度值大于预设的峭度值阈值，则判定发生电弧故障。

进一步地，所述峭度值阈值为4。

与现有技术相比，本发明具有有益效果：

(1)传统的天线接收电磁耦合信号不能对供电支路直流电弧故障进行定位，本发明通过将正极和负极导线一同穿进电流互感器并且采集线路中的电磁耦合信号，从而对直流故障电弧进行判断，能够有效识别发生直流电弧故障的供电支路，不会影响其他供电支路正常的工作与生产。

(2)本发明将正极和负极导线一并穿进电流互感器采集电磁耦合信号，当支路线路发生直流故障电弧时，可以有效检测出线路中的电磁耦合信号，通过四阶累积量计算得到的峭度值可以表征信号陡峭程度，较明显的区分出正常信号与电弧故障信号，从而解决误判、漏判断问题。

(3)在发生直流电弧故障时，线路中的高频电流产生电磁场耦合到电流互感器，通过对电流互感器的信号采用算法进行识别，本发明可以解决负载波动和直流输出特性受外界影响，解决误判问题。

(4)本发明设置连续两次检测到峭度值异常判断为电弧故障，避免由于某些负载(如冰箱)启动时会有瞬时脉冲，造成其峭度值很大使得检测装置产生误动作；

(5)本发明算法较为简单易于实现在线监测，适用于各类负载及各种组合情况，避免了判断负载性质的复杂过程，并且降低了对硬件电路的要求。

说明书附图

图1是电流元辐射电磁场示意图；

图2是高频电流产生的磁场示意图；

图3是本发明一种直流故障电弧检测方法的流程示意图；

图4是本发明一种直流故障电弧检测装置的结构示意图；

图5是本发明实施例一中白炽灯正常工作时采集信号的波形图；

图6是本发明实施例一中白炽灯正常工作时采集信号的幅值分布直方图；

图7是本发明实施例一中白炽灯发生电弧故障时采集信号的波形图；

图8是本发明实施例一中白炽灯发生电弧故障时采集信号的幅值分布直方图；

图9是本发明实施例二中直流电动机正常工作时采集信号的波形图；

图10是本发明实施例二中直流电动机正常工作时采集信号的幅值分布直方图；

图11是本发明实施例二中直流电动机发生电弧故障时采集信号的波形图；

图12是本发明实施例二中直流电动机发生电弧故障时采集信号的幅值分布直方图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

电流元沿x轴产生的磁场，如图1所示，在距离为R处，由一长度为δ的电流元在沿x轴方向所产生的电场大小可表示为

式中:θ为电流与R向量之间的夹角；i为电流；ε₀为介电常数；c为光速。从式中可以看出电流变化率越大，向周围激发的电场越大。在一项电极为银的电弧放电实验中发现：放电初始阶段的辐射信号频率高达10MHz，电弧阶段将超过100MHz。

按照位移电流的概念，任何随时间而变化的电场，都要在邻近空间激发磁场。根据麦克斯韦第一方程

式中H为磁场强度；J为电流密度；为位移电流密度。一般来说，随时间变化的电场所激发的磁场也随时间变化，概括的讲：充满变化电场的空间，同时也充满变化的磁场，这两种变化的场，电场和磁场永远互相联系着形成统一的电磁场。随时间变化的磁场产生电场的现象称为电磁感应，是法拉第于1831年发现的。根据大量的实验结果总结出电磁感应定律：当穿过闭合导体回路中的磁通量发生变化时，回路中将产生感应电动势及感应电流，而且，所产生的感应电动势等于磁通对时间的变化率的负值，电磁感应用以下公式表示

其中e是单位为伏特的电动势；N是线圈匝数；Φ为磁通量。进一步由楞次定律可以知道感应电动势的方向：电路上产生的感应电动势方向使得所产生的感应电流阻碍原先产生电动势的磁通量之变化。

经理论分析与实验结果，如图2所示，在发生电弧故障时，需要电弧提供电磁能量释放的通道，其电弧一般要经历起弧、电弧拉长、电弧能量的增加、直径变粗、弧根在电极上运动、电弧在外力下运动弯曲变形以及反复的熄灭和重燃等阶段。伴随上述电弧的物理过程，电弧电压、电流等端口参数也发生剧烈的变化，电弧的熄灭和重燃，在母线上产生一系列的高频电流和电压。快速瞬变电压和电流一方面沿着开关导体结构以及载流线路向外传导，同时通过触头及连接电缆向周围空间产生高频的电磁耦合，电磁场耦合到电流互感器在其二次侧产生感应电动势，从而对故障电弧信号进行分析与判断。

如图3所示，本发明的一种直流故障电弧检测方法，包括：

步骤1：将电流互感器套设在被保护电路的正极和负极导线上；

步骤2：通过电流互感器对线路中的电磁耦合信号实时采集，得到实时信号序列x(t)；

步骤3：对x(t)进行高阶累积量统计，计算其四阶累积量峭度值K；

所述步骤3具体为：每隔250ms对x(t)进行高阶累积量统计，设x(t)为平稳随机信号，且x₁＝x(t),x₂＝x(t+τ₁),…x_k＝x(t+τ_k-1)，

其中，τ为延时量，

随机信号x(t)的k阶矩m_k为：m_k(τ₁…τ_k-1)＝E[x(t)x(t+τ₁)…x(t+τ_k-1)]，

随机信号的高阶累积量用高阶矩来表示，对于零均值信号，随机信号的四阶累积量为

c₄(τ₁,τ₂,τ₃)＝m₄(τ₁,τ₂,τ₃)-m₂(τ₁)*m₂(τ₃-τ₂)

-m₂(τ₂)*m₂(τ₃-τ₁)-m₂(τ₃)*m₂(τ₂-τ₁)

当τ₁＝τ₂＝τ₃＝0时，由上式可得：

c₄(0,0,0)＝m₄(0,0,0)-3m₂ ²(0)＝E[x⁴(t)]-3{E[x²(t)]}²

零均值随机信号x(t)的峭度K为：

其中，σ_x为标准差，N为信号长度。

步骤4：根据预设的峭度值阈值判断是否发生电弧故障。

所述步骤4包括：

步骤41：当峭度值K＞峭度值阈值，则电弧故障区间数count加1；当峭度值K≤峭度值阈值，则电弧故障区间数count清零，返回步骤2继续采集信号；

步骤42：当电弧故障区间数count＜2时，返回步骤2继续采集信号；当电弧故障区间数count≥2时，即为连续两次检测到峭度异常，则判定发生电弧故障，将脱扣信号trip置1，断开电路。

从上述定义式可知，峭度值K是信号的四阶累积量，任何高斯过程的高阶累积量均为零，所以对于任何高斯过程的峭度值均为3，理论正常情况下峭度值应该在3左右，实际工作时可能由于信号的扰动或其他一些外界干扰，计算得到的峭度值不可能完全理想，在本实施例中，设置峭度值K取阈值4。当发生直流电弧故障时，采集的信号中出现冲击信号，使得x(t)的概率密度发生变化，其幅值分布偏离正态分布，正态曲线变得尖锐。四阶累积量峭度值正是对正态曲线陡峭度的反映，当曲线变得尖锐，峭度值变大。

如图4所示，一种直流故障电弧检测装置，包括：电流互感器、微控制单元、驱动电路和脱扣机构，

电流互感器套设在被保护电路的正极和负极导线上；

微控制单元与电流互感器连接，用于对线路中的电磁耦合信号进行实时采集并进行四阶累积量峭度值计算；

微控制单元根据计算得到的四阶累积量峭度值和预设的峭度值阈值判断是否发生电弧故障，微控制单元每隔250ms对实时信号进行四阶累积量峭度值K计算，当连续两次计算得到的四阶累积量峭度值大于预设的峭度值阈值4，则判定发生电弧故障，通过驱动电路使脱扣机构动作，从而保护电路。

实施例1

对典型阻性负载200w白炽灯进行试验，电弧发生器为根据UL1699标准制作的起弧装置，具有使用操作简单、安全等特点。电流互感器套设在白炽灯供电电路的正极和负极导线上；微控制单元与电流互感器连接，对线路中的电磁耦合信号进行实时采集并每隔250ms对实时信号进行四阶累积量峭度值K计算。

图5、图6分别是白炽灯正常工作采集的电磁耦合信号及其幅值分布直方图，图中可以看出其幅值分布直方图近似为高斯分布，利用matlab高阶累积量计算结果如下：

均值＝-0.0007712

方差＝3.96995e-007

标准差＝0.000630075

斜度＝-0.181435

峭度＝1.23086

图7、图8分别是白炽灯发生电弧故障零序电流采集的波形图及其幅值分布直方图。从图中可以看出其幅值分布直方图不再是高斯分布，利用matlab高阶累积量计算结果如下：

均值＝0.00064272

方差＝5.84451e-006

标准差＝0.00241754

斜度＝-0.907411

峭度＝10.9601

实施例2

对直流电动机进行电弧试验，电弧发生器为根据UL1699标准制作的起弧装置，具有使用操作简单、安全等特点。电流互感器套设在直流电动机供电电路的正极和负极导线上；微控制单元与电流互感器连接，对线路中的电磁耦合信号进行实时采集并每隔250ms对实时信号进行四阶累积量峭度值K计算。

图9、图10分别为直流电动机正常工作采集的电磁耦合信号及其幅值分布直方图。利用matlab高阶累积量计算结果如下：

均值＝0.00093632

方差＝4.18665e-007

标准差＝0.000647043

斜度＝-0.84552

峭度＝3.66209

图11、图12分别为直流电动机发生电弧故障零序电流采集的波形图及其幅值分布直方图，从图中可以看出其幅值分布直方图不再是高斯分布，利用matlab高阶累积量计算结果如下：

均值＝-0.0003936

方差＝0.00407935

标准差＝0.0638698

斜度＝2.20323

峭度＝24.4156

实施例1、实施例2在未发生直流电弧故障时，其峭度值都小于4，在发生直流电弧故障时，其峭度值都远大于4，设定峭度值阈值为4，利用高阶累积量算法可以很好的识别直流电弧故障。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (7)

1.一种直流故障电弧检测方法，其特征在于，包括：

步骤1：将电流互感器套设在被保护电路的正极和负极导线上；

步骤2：通过电流互感器对线路中的电磁耦合信号实时采集，得到实时信号序列x(t)；

步骤3：对x(t)进行高阶累积量统计，计算其四阶累积量峭度值K；

步骤4：根据预设的峭度值阈值判断是否发生电弧故障。

2.根据权利要求1所述的直流故障电弧检测方法，其特征在于，所述步骤3具体为：每隔250ms对x(t)进行高阶累积量统计，设x(t)为平稳随机信号，且

x₁＝x(t),x₂＝x(t+τ₁),…x_k＝x(t+τ_k-1)，

其中，τ为延时量，

随机信号x(t)的k阶矩m_k为：m_k(τ₁…τ_k-1)＝E[x(t)x(t+τ₁)…x(t+τ_k-1)]，

随机信号的高阶累积量用高阶矩来表示，对于零均值信号，随机信号的四阶累积量为

c₄(τ₁,τ₂,τ₃)＝m₄(τ₁,τ₂,τ₃)-m₂(τ₁)*m₂(τ₃-τ₂)

-m₂(τ₂)*m₂(τ₃-τ₁)-m₂(τ₃)*m₂(τ₂-τ₁)

当τ₁＝τ₂＝τ₃＝0时，由上式可得：

c₄(0,0,0)＝m₄(0,0,0)-3m₂ ²(0)＝E[x⁴(t)]-3{E[x²(t)]}²

零均值随机信号x(t)的峭度K为：

其中，σ_x为标准差，N为信号长度。

3.根据权利要求1所述的直流故障电弧检测方法，其特征在于，所述步骤4包括：

步骤41：当峭度值K＞峭度值阈值，则电弧故障区间数count加1；当峭度值K≤峭度值阈值，则电弧故障区间数count清零，返回步骤2继续采集信号；

步骤42：当电弧故障区间数count＜2时，返回步骤2继续采集信号；当电弧故障区间数count≥2时，则判定发生电弧故障。

4.根据权利要求3所述的直流故障电弧检测方法，其特征在于，所述峭度值阈值为4。

5.一种直流故障电弧检测装置，其特征在于，包括：电流互感器、微控制单元、驱动电路和脱扣机构，

所述电流互感器套设在被保护电路的正极和负极导线上；

所述微控制单元与电流互感器连接，用于对线路中的电磁耦合信号进行实时采集并进行四阶累积量峭度值计算；

微控制单元根据计算得到的四阶累积量峭度值和预设的峭度值阈值判断是否发生电弧故障，通过驱动电路使脱扣机构动作，从而保护电路。

6.根据权利要求5所述的直流故障电弧检测装置，其特征在于，所述微控制单元每隔250ms对实时信号进行四阶累积量峭度值K计算，当连续两次计算得到的四阶累积量峭度值大于预设的峭度值阈值，则判定发生电弧故障。

7.根据权利要求6所述的直流故障电弧检测装置，其特征在于，所述峭度值阈值为4。