CN108132413B - 一种交流故障电弧的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交流故障电弧检测方法。该方法对交流电流进行带通滤波后采样一段时间的信号，根据采样点分布情况分辨并提取出信号的峰值突出区域。若已知检测通道负载为线性，则根据峰值突出点的分布计数电弧事件发生的次数以判断是否发生了电弧故障；否则先根据峰值突出区域的近似周期性分辨是电弧峰值还是非线性负载造成的峰值，若为电弧峰值再计数电弧事件判断是否发生电弧故障。本发明采用的这种电弧故障检测方法能够应用于多种参数及电流等级下的电弧故障的在线检测，并可排除对无电弧的非线性负载的误判，提高了负载适应性和检测精度。

Description

一种交流故障电弧的检测方法

技术领域

本发明属于电气系统安全技术领域，涉及一种交流故障电弧的检测方法。

背景技术

航空电缆相当于飞机的动脉和神经网络，航空电缆的可靠性对于飞机来说至关重要。而航空电缆上产生的故障电弧是影响其可靠性的重要因素，线路的损坏或连接故障都有可能引起电弧故障。电弧的温度很高，电弧放电时会产生大量的热，因此较小电流等级下产生的电弧就足以引发火灾。传统的固态功率控制器的过流和短路保护的功能并不能保护电弧事件，因此将电弧检测的功能集成到SSPC中具有极大的意义。

对电弧电流进行带通滤波，可以保留电弧特征信息，滤掉与电弧无关的基波分量等信息，滤波后的波形通常在电弧发生处表现出突出的、参差的峰值。许多文献以此方法为检测基础，对带通滤波后的信号进一步处理，后续采用的方法多为直接设置阈值后比较检测，如文献“航空电弧断路器的研究及应用金勇”、“航空交流电弧特性及检测算法研究王禹”。带通滤波参数一旦固定，对于特定的线性负载，在特定环境下可以将带通滤波后的信号与某一阈值进行比较检测出具有电弧特征的突变峰值信号；但如果负载参数改变可能会造成电弧特征的突变峰值改变，如果环境因素不同可能会使滤波后信号值大小改变，这些情况下都需要对所设阈值进行重新调整，极不利于在线检测的实现；而如果负载为非线性，则在滤波后在无电弧情况下也会有突变峰值的现象，直接使用阈值比较的方法就无法检测出电弧。

发明内容

本发明解决的技术问题：提供一种适用范围广、检测精确的交流故障电弧检测方法。

本发明的技术方案：其特征在于所述的方法包括如下步骤：

步骤一，按10K-100KHz的通频带对交流电流进行带通滤波，并对滤波后的交流电流进行连续采样N个点，采样的时间长度大于两个电源周期长度；

步骤二，记录采样点值和该采样点所对应的采样序号，按从小到大的顺序对采样点值进行排序，并提取前5％-30％的最大点值组成数组R1，按采样点值从小到大的顺序依次计算相邻两点之差，若当前采样点与前一采样点差值大于设定的阈值1则认为当前采样点为峰值突出区域的边界点，将数组R1中的大于边界点值的采样点作为初选的峰值突出点，包括初选峰值突出点的数组为R2；

所述的阈值1为(当前采样点值-R1中的最小采样点值)/当前采样点序号 *7；

步骤三，将R2中值大于阈值2的采样点列入数组Y中，作为由电弧造成的峰值突出点；

所述的阈值2为：R2中最小采样值*2；

步骤四，若已知检测通道负载为线性，则步骤三中得出的峰值突出点即为电弧造成的峰值突出点，电弧造成的峰值突出点记为数组X；

步骤五，将数组X中序号相连的数据记为一段，相邻两段数据的序号距离为a_i+1与b_i之差，相邻两段数据的序号距离小于电源半周期时间长度*(1+允许误差)且大于电源半周期时间长度*最小电弧长度比时，或电源半周期时间长度内有3段以上数据段，则认为发生了电弧事件；

在规定的连续时间内若电弧事件发生次数大于所规定次数则认为发生了电弧故障。

优选地，若事先检测通道负载是否为线性不确定，则将数组Y中采样点序号相连的数据记为一段，若当前一个电源周期内共有n个数据段，那么找出当前电源周期内每个数据段的最大值并记为max1(i)，其中每段数据的开始序号为 a_i和结束序号为b_i，i＝1,2...n；并且找出序号a_i+S至b_i+S之间的最大值并记入max2(i)，其中电源周期长度为S；

若max2(i)中有两个以上值为0，则判断峰值突出点的波形为非周期性；否则求序列max2(i)/max1(i)的方差f，若f<0.2则认为峰值突出点的波形具有周期性，否则波形为非周期；

依次对各电源周期时间内的峰值突出点波形进行以上判别后，从数组Y中删除判定为具有周期性波形的峰值突出点形成数组X，数组X中的峰值突出点均为电弧造成的峰值突出点。

优选地，记录采样点值和该采样点所对应的采样序号，按从小到大的顺序对采样点值进行排序，并提取前10％的最大点值组成数组R1。

本发明的有益效果：根据电流波形的分布特征分辨突出峰值区域，能够适应于电流值变化，可用于多种负载参数和电流等级下电弧故障的在线检测；采用周期性判别法可以排除对无电弧的非线性负载的误判，提高了检测精度。

附图说明

图1为本发明的故障电弧检测方法流程图，

图2为分辨无电弧非线性负载的周期性检测流程图，

图3为有电弧故障的线性负载的电弧端电压、原始电弧电流、带通滤波后电弧电流的波形，

图4为经过步骤一至三处理后，从电弧电流中分辨出的电弧峰值突出波形，

图5为无电弧非线性负载滤波后电流及其经过峰值突出分辨后的峰值突出波形，

图6为采用步骤四中的周期性检测排除正常非线性负载处理的有电弧的线性负载电流和无电弧非线性负载电流的电弧峰值突出，

图7为所采集的各段电弧电流的电弧事件计数结果。

具体实施方式

一种交流故障电弧的检测方法，其特征在于所述的方法包括如下步骤：

步骤一，以10K-100KHz的通频带对交流电流进行带通滤波，并对滤波后的交流电流连续采样N个点，由于后续可能需要比较相邻两个电源周期内的电流突出点的周期性，所以采样的时间长度应大于两个电源周期。采样得到滤波后的电流采样序列I，如下：

采样序号	1	2	3	4	5	6	7	8	......	N
											采样点	I<sub>1</sub>	I<sub>2</sub>	I<sub>3</sub>	I<sub>4</sub>	I<sub>5</sub>	I<sub>6</sub>	I<sub>7</sub>	I<sub>8</sub>	I<sub>n</sub>	I<sub>N</sub>

在电弧发生的位置滤波后的电流相应地产生了突出的尖峰，并且这些峰值突出点产生于电弧的起弧和熄弧的位置，因此可以通过检测和提取这些突出点来判断电弧的发生。

步骤二，按照步骤一的 表记录采样序列I的各采样点值和该采样点所对应的采样序号，按从小到大的顺序对采样点值进行重新排列，记为I′，如下:

采样序号

s<sub>1</sub>

s<sub>2</sub>

s<sub>3</sub>

s<sub>4</sub>

s<sub>5</sub>

s<sub>6</sub>

s<sub>7</sub>

s<sub>8</sub>

......

s<sub>N</sub>

采样点

I′<sub>1</sub>

I′<sub>2</sub>

I′<sub>3</sub>

I′<sub>4</sub>

I′<sub>5</sub>

I′<sub>6</sub>

I′<sub>7</sub>

I′<sub>8</sub>

I′<sub>n</sub>

I′<sub>N</sub>

其中I_i′＝I_j且I_i′₊₁≥I_i′，I_i′为I′中的任一采样点，I_j为I中的任一采样点， s₁—s_N记录相应采样点重新排序前的采样序号。

提取I′中前10％个最大点值组成数组R1，如下：

采样序号

s<sub>1</sub>

s<sub>2</sub>

s<sub>3</sub>

s<sub>4</sub>

s<sub>5</sub>

s<sub>6</sub>

......

s<sub>N*0.1</sub>

采样点

R1<sub>1</sub>

R1<sub>2</sub>

R1<sub>3</sub>

R1<sub>4</sub>

R1<sub>5</sub>

R1<sub>6</sub>

R1<sub>n</sub>

R1<sub>N*0.1</sub>

其中R1_i＝I_i′，i＝1,2...N*0.1

所提取的最大值点数应该能够大于电弧产生的峰值突出点的数量，但是即使电弧持续发生，所产生的峰值突出区域也只是滤波后电流信号的一小部分，正常的无峰值突出的区域还是占了滤波后电流信号的一大部分，因此无需将最大值点数取得过大以防增加过多的无用数据处理和计算量，一般取总数的5％至30％之间，这里以取10％为例。对R1中的采样点按采样点值从小到大的顺序依次计算相邻两点之差V，若当前采样点与前一采样点差值V大于设定的阈值1(τ₁)则认为当前采样点为峰值突出区域的边界点b，将数组R1中的大于等于边界点b值的采样点作为初选的峰值突出点，包括初选峰值突出点的数组为 R2；

其中V_i＝R1_i+1-R1_i，i＝1,2...N*0.1-1

若V₁<τ₁，V₂<τ₁，…V_j-2<τ₁且V_j-1≥τ₁那么b＝R1_j，R2截取R1中的如下部分：

采样序号	s<sub>j</sub>	s<sub>j+1</sub>	s<sub>j+2</sub>	......	s<sub>N*0.1-1</sub>
						采样点	R1<sub>j</sub>	R1<sub>j+1</sub>	R1<sub>j+2</sub>	R1<sub>n</sub>	R1<sub>N*0.1-1</sub>

且R2₁＝R1_j，R2₂＝R1_j+1，…R2_N*0.1-j＝R1_N*0.1-1

所述的阈值1(τ₁)为：(当前采样点值-R1中的最小采样点值)/当前采样点序号*7；阈值1采用被测数据的相对量，其值大小会随着被测数据的改变而自动调整，能够自动适应不同的被测数据，无需像常数阈值那样要随被测数据的改变而手动调整阈值大小，因而能够适应于在线检测。τ₁可以表示为：

τ₁＝(R1_i-R1₁)*7/i

步骤三，虽然在电弧发生时滤波后电流会产生较大峰值的突出点，但是即使是正常的滤波后电流也会不时的产生毛刺，虽然幅值较小但也是峰值突出点。步骤二得到的数组R2中的峰值突出点既包括了电弧产生的峰值突出点，也包括了正常电流毛刺的峰值突出点。电弧造成的峰值突出点的值相对较大且各点值大小分散，而正常电流毛刺的峰值突出点值较小且值大小分布比较集中。因此可以通过设置阈值的方法排除掉值较小的毛刺的峰值突出点。将R2中值大于阈值2(τ₂)的采样点列入数组Y中，作为由电弧造成的峰值突出点；假设上述处理后数组Y的长度为N′，那么：

Y_N′＝R2_N*0.1-j，Y_N′-1＝R2_N*0.1-j-1，…Y₁＝R2_i且R2_i≥τ₂，R2_i-1<τ₂， N′为Y中采样点数。

所述的阈值2为：R2中最小采样值*2，即τ₂＝2*R2₁。

步骤四，如果线路所带负载为非线性，即使未发生电弧，电流波形也可能在每半周期的起始位置和结束位置存在类似电弧特征的平肩，经过滤波后电流波形的平肩位置也会产生峰值突变点，这样的情况就会造成电弧误判，所以要利用滤波后电流的峰值突变点来检测电弧就需要排除正常运行的非线性负载的情况。由于正常运行的非线性负载的电流波形具有周期性，因此可以利用滤波后电流的峰值突出区域的周期性分辨正常运行的非线性负载。

若已知或可以通过额外信息判定检测通道负载为线性，则步骤三中得出的峰值突出点即为电弧造成的峰值突出点，将电弧造成的峰值突出点记为数组X，即X＝Y；

若事先检测通道负载是否为线性不确定，则要检测所得的峰值突出点波形的周期性，周期性判定的流程如图2。将数组Y中采样点序号相连的数据记为一段:首先将Y中的采样点按照s_j由小到大的顺序重排，s_j的值连续的一段采样点为一段，将Y中的数据分为n段，例如重排Y后：

其中a_i+1>b_i+1，即两段数据的采样序号s_j不连续。

若当前一个电源周期内共有n个数据段，那么找出当前电源周期内每个数据段的最大值并记为max1(i)，其中每段数据的开始序号为a_i和结束序号为b_i， i＝1,2...n；并且找出序号a_i+S至b_i+S之间的最大值并记入max2(i)，其中电源周期长度为S；max2(i)的计算方法同理于max1(i)。

若max2(i)中有两个以上值为0，则上一个电源周期中至少有两个以上数据段在下一个电源周期的对应位置是不存在的，那么认为峰值突出点的波形为非周期性；否则相邻两电源周期的数据段分布一致，若数据为周期性，那么相邻两电源周期内各数据段值之比也应大致一致，可以通过求各段数据最大值比值的方差来判断其周期性：求序列max2(i)/max1(i)的方差f，若f<0.2则认为峰值突出点的波形具有周期性，否则波形为非周期；

依次对各电源周期时间内的峰值突出点波形进行以上判别，若判定某相邻两电源周期数据位周期性，则从数组Y中删除这两个周期中的峰值突出点后形成数组X，数组X中的峰值突出点均为电弧造成的峰值突出点。

步骤五，电弧的产生以半周期为单位，一种比较典型的电弧就是半周期过零点后开始起弧，下个半周期过零点前熄弧，而在起弧和熄弧处均会产生相应的突变峰值，对于这种电弧可以通过检测相邻两段突变峰值的位置距离小于半周期来判定。燃弧的持续时间过短可不被记为电弧事件，因此可以设置相邻两段突变峰值的位置距离应大于某个较小值的约束。如果一个半周期内发生了多次起弧和熄弧，认为该半周期产生了电弧事件。按上述方法计数发生的电弧事件的半周期数：将数组X中采样序号相连的数据记为一段，同理于步骤四中对 Y的重排序，假设重排序并分段后的X如下：

相邻两段数据的序号距离为a_i+1与b_i之差，例如按照上述X，1、2段数据的序号距离为a₂-b₁＝θ-(p+2)。若相邻两段数据的序号距离<电源半周期长度(S/2)*(1+允许误差)且>电源半周期长度(S/2)*最小电弧长度比时，或电源半周期长度S/2内有3段以上数据段，则认为发生了电弧事件；上述的最小电弧长度比的定义为：若电弧燃弧时间长度占电源半周期时长的比例值大于最小电弧长度比，则认为产生的电弧事件，否则认为未产生电弧事件。该值可以采用相关标准值，也可以根据需要自行设置。

在规定的连续时间内若电弧事件发生次数大于所规定次数则认为发生了电弧故障。一般按照美国标准“SAE AS5692”中的航空交流电弧故障检测判据：若100ms内电弧事件累计达到8次，则认为发生了电弧故障。非航空类电弧检测可以按照电源频率对上述标准中的判据进行扩展应用。也可根据需要自行设置判据。

实施例1

选取挂在115V/400Hz航空电源上的交流固态功率控制器上的某个带有线性负载的通道，采用电弧发生装置对该通道串入电弧。将该通道电流送入带通滤波器后以1MHz采样率连续采样10K个点(4个电源周期)，得到滤波后的电流I。如图3中包含了该通道的电弧端电压、原始电流波形和滤波后电流波形I，电弧端电压波形表明了电弧发生的位置：在电弧端电压达到约±20V时发生电弧。在发生电弧时原始电流在半周期过零点处会产生相应的平肩，相应的滤波后的电流产生了峰值突出。按照步骤二、步骤三对滤波后的电流I进行处理，得到电弧的峰值突出点，如图4所示，正常电流及其毛刺全部被排除掉，只留下了起弧和熄弧处对应的突出尖峰。

将该通道负载换成非线性，取消电弧发生装置，使该通道在无电弧情况下正常运行。按照与上述线性负载同样的方法进行步骤一、步骤二、步骤三的处理，得到该电流的峰值突出点，如图5所示，可以看出即使未发生电弧，滤波后的非线性负载的电流也存在峰值突出点，这主要是由于正常的非线性负载电流的也存在类似电弧电流的平肩。

对上述产生的线性有电弧电流的峰值突出点和非线性无电弧电流的峰值突出点分别进行步骤四的周期性检测处理，结果如图6所示，线性有电弧电流的峰值突出点没有任何损失，被完全保留；非线性无电弧电流的峰值突出点则被全部舍弃，这是由于通过检测其周期性判定其为非线性无电弧负载，而线性电弧负载的峰值突出点不具有周期性。至此，该检测算法已经能够检测出线性负载的峰值突出点，并且能够有效地排除非线性负载带来的电弧误判。

对所得到电弧电流的电弧峰值突出点进行步骤五的处理：半周期内相邻两个峰值突出段的位置之差小于1300且大于200或者半周期内有三段以上峰值突出段则电弧事件+1，否则认为该半周期未发生电弧事件。得到每个采样段的电弧事件计数结果，如图7所示，算法比较准确地计算出了每段电弧事件的发生次数，因而能够准确地检测出电弧故障。

Claims (2)

1.一种交流故障电弧的检测方法，其特征在于所述的方法包括如下步骤：

步骤一，按10K-100KHz的通频带对交流电流进行带通滤波，并对滤波后的交流电流进行连续采样N个点，采样的时间长度大于两个电源周期长度；

步骤二，记录采样点值和该采样点所对应的采样序号，按从小到大的顺序对采样点值进行排序，并提取前5％-30％的最大点值组成数组R1，按采样点值从小到大的顺序依次计算相邻两点之差，若当前采样点与前一采样点差值大于设定的阈值1则认为当前采样点为峰值突出区域的边界点，将数组R1中的大于边界点值的采样点作为初选的峰值突出点，包括初选峰值突出点的数组为R2；

所述的阈值1为((当前采样点值-R1中的最小采样点值)/当前采样点序号)*7；

步骤三，将R2中值大于阈值2的采样点列入数组Y中，作为由电弧造成的峰值突出点；

所述的阈值2为：R2中最小采样值*2；

步骤四，若已知检测通道负载为线性，则步骤三中得出的峰值突出点即为电弧造成的峰值突出点，电弧造成的峰值突出点记为数组X；

若事先检测通道负载是否为线性不确定，则将数组Y中采样点序号相连的数据记为一段，若当前一个电源周期内共有n个数据段，那么找出当前电源周期内每个数据段的最大值并记为max1(i)，其中每段数据的开始序号为a_i和结束序号为b_i，i＝1,2...n；并且找出序号a_i+S至b_i+S之间的最大值并记入max2(i)，其中电源周期长度为S；

若max2(i)中有两个以上值为0，则判断峰值突出点的波形为非周期性；否则求序列max2(i)/max1(i)的方差f，若f<0.2则认为峰值突出点的波形具有周期性，否则波形为非周期；

依次对各电源周期时间内的峰值突出点波形进行以上周期性判别后，从数组Y中删除判定为具有周期性波形的峰值突出点形成数组X，数组X中的峰值突出点均为电弧造成的峰值突出点；

步骤五，将数组X中序号相连的数据记为一段，相邻两段数据的序号距离为a_i+1与b_i之差，相邻两段数据的序号距离小于电源半周期时间长度*(1+允许误差)且大于电源半周期时间长度*最小电弧长度比时，或电源半周期时间长度内有3段以上数据段，则认为发生了电弧事件；

在规定的连续时间内若电弧事件发生次数大于所规定次数则认为发生了电弧故障。

2.根据权利要求1所述的一种交流故障电弧的检测方法，其特征为：记录采样点值和该采样点所对应的采样序号，按从小到大的顺序对采样点值进行排序，并提取前10％的最大点值组成数组R1。

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