CN111398750A - 电弧识别方法和用于电弧识别的系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及低压直流配用电应用技术领域，公开了一种电弧识别方法和用于电弧识别的系统。所述方法包括通过对变换器的输入电信号进行扰动，所述变换器的输出电流信号也就相应地会形成改变，对所述变换器的输出电流信号中被外电路阻抗所分流的电流信号分量进行采集。对所述电流信号分量进行监测，其中，幅值出现周期性变化的纹波即为由于所述变换器的输入电信号扰动造成的。根据所述纹波可以判断系统中是否发生了电弧故障。所述方法利用变换器在电弧故障发生前后的输出电流幅值不同的特性，从而根据电流幅值变化情况来判断是否出现电弧故障，不需要额外使用测量装置来判断，仅需对变换器输出侧的纹波进行观测即可实现电弧识别，无需复杂算法。

Description

电弧识别方法和用于电弧识别的系统

技术领域

本发明涉及低压直流配用电应用技术领域，特别是涉及一种电弧识别方法和用于电弧识别的系统。

背景技术

直流配用电系统中的电弧与交流系统中的电弧相比没有过零点，所以直流电弧比交流电弧更不易熄灭。直流配用电系统中的电弧带来了巨大的安全隐患，易引发火灾、爆炸等安全事故。由于电弧可视为一个非线性电阻，所以当系统中发生串联电弧时，系统的回路阻抗会增大，传统的过流保护无法兼顾串联电弧故障情况下的保护。因此，在供电系统中需要采用一定的电弧检测方法来识别电弧故障，避免热量积聚造成事故。当前已有的检测方法主要有通过声、光等非电气量检测和通过电压、电流等电气量检测，或通过时域分析和频域分析进行判断等检测方法。但当前工程中实际应用的检测装置的可靠性有待提高，而较可靠的算法又过于复杂，不易在工程中实现。

发明内容

基于此，有必要针对传统的测量装置可靠性低、时域分析和频域分析过于复杂不易在工程中实现的问题，提供一种电弧识别方法和用于电弧识别的系统。

一种电弧识别方法，包括对变换器的输入电信号进行扰动，采集所述变换器的输出电流信号中被外电路阻抗所分流的电流信号分量；对所述电流信号分量进行分析，获取所述电流信号分量中幅值出现周期性变化的纹波；根据所述纹波判断是否发生电弧故障。

上述电弧识别方法，通过对变换器的输入电信号进行扰动，所述变换器的输出电流信号也就相应地会形成改变，对所述变换器的输出电流信号中被外电路阻抗所分流的电流信号分量进行采集。对所述电流信号分量进行监测，其中，幅值出现周期性变化的纹波即为由于所述变换器的输入电信号扰动造成的。根据所述纹波可以判断系统中是否发生了电弧故障。本发明提供的电弧识别方法利用所述变换器输出的电流中由于扰动而造成的纹波分量来对系统中是否出现电弧故障进行检测。根据变换器的输出电流变化情况判断是否出现电弧故障，不需要额外使用测量装置来判断，克服了传统的测量装置可靠性低的问题。仅需对变换器输出侧的纹波进行观测即可实现电弧识别，无需复杂算法，克服了时域分析和频域分析过于复杂不易在工程中实现的问题。

在其中一个实施例中，所述对变换器的输入电信号进行扰动，包括改变所述变换器的开关频率，使所述开关频率在预设范围内形成周期性变化。

在其中一个实施例中，所述根据所述纹波判断是否发生电弧故障，包括将所述纹波的幅值与预设电流阈值进行比较，若所述纹波的幅值小于预设电流阈值，则判断发生了电弧故障；若所述纹波的幅值大于预设电流阈值，则判断没有发生电弧故障。

在其中一个实施例中，所述预设电流阈值的计算方法包括采集所述变换器的输出电流信号，测量电源输出电容阻抗、线路阻抗和负载输入阻抗；根据所述输出电流信号、电源输出电容阻抗、线路阻抗和负载输入阻抗计算获取所述预设电流阈值。

在其中一个实施例中，所述预设电流阈值的计算式为

其中，I_rip-in为预设电流阈值，I_rip为输出电流信号，Z₁为电源输出电容阻抗，Z_line为线路阻抗，Z_load-in为负载输入阻抗。

在其中一个实施例中，所述电弧识别方法还包括通过数字处理器分析所述电流信号分量的幅频特性变化，并根据所述幅频特性变化判断是否出现电弧故障。

在其中一个实施例中，所述电弧识别方法还包括在判断发生电弧故障后，发出警报信号或/和切断电源。

一种用于电弧识别的系统包括频谱分析模块，与直流配电系统连接，用于采集变换器的输出电流信号中被外电路阻抗所分流的电流信号分量；分析处理模块，与所述频谱分析模块连接，用于对所述电流信号分量进行分析，获取所述电流信号分量中幅值出现周期性变化的纹波，并根据所述纹波判断是否出现电弧故障。

在其中一个实施例中，所述系统还包括检测模块，与所述直流配电系统及分析处理模块连接，用于测量电源输出电容阻抗、线路阻抗和负载输入阻抗。

在其中一个实施例中，所述系统还包括保护模块，与所述直流配电系统及分析处理模块连接，用于在判断发生电弧故障后，发出警报信号或/和切断电源。

附图说明

图1为本发明其中一实施例的电弧识别方法流程图；

图2为本发明其中一实施例的根据所述纹波判断是否发生电弧故障的流程图；

图3为本发明其中一实施例的预设电流阈值的计算方法流程图；

图4为本发明其中一实施例的直流配电系统的电路结构图；

图5本发明其中一实施例的电弧故障发生前后的幅频特性曲线；

图6为本发明其中一实施例的用于电弧识别的系统框图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的优选实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反的，提供这些实施方式的目的是为了对本发明的公开内容理解得更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”、“上”、“下”、“前”、“后”、“周向”以及类似的表述是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

图1为本发明其中一实施例的电弧识别方法流程图，在其中一个实施例中，所述电弧识别方法包括如下步骤S100至S300：

S100：对变换器的输入电信号进行扰动，采集所述变换器的输出电流信号中被外电路阻抗所分流的电流信号分量。

S200：对所述电流信号分量进行分析，获取所述电流信号分量中幅值出现周期性变化的纹波。

S300：根据所述纹波判断是否发生电弧故障。

具体地，对变换器的输入电信号进行扰动，则所述变换器的输出电流信号也会因为输入电信号的扰动而相应地形成改变。由于电弧可视为一非线性电阻，当发生电弧故障时，外电路阻抗回增大。所述变换器的输出电流信号在直流配电系统中会按照阻抗反比在输出电容阻抗与外电路阻抗之间进行分流，而输出电容阻抗是固定不变的，其值在电弧故障发生前后并不会出现变化。因此，需要对所述变换器的输出电流信号中被外电路阻抗所分流的电流信号分量进行采集分析，来进行电弧故障的识别判断。对所述电流信号分量进行监测分析，提取出所述电流信号分量中幅值出现周期性变化的纹波。所述电流信号分量中幅值出现周期性变化的纹波即为根据输入电信号的扰动而相应地形成改变的部分，根据所述纹波可以判断是否发生了电弧故障。通过本发明提供的电弧识别方法，只需对所述变换器的输入电信号进行扰动，并对所述变换器的输出电流信号进行监测分析，即可根据所述输出电流信号的变化情况对应判断出是否发生了电弧故障。

在其中一个实施例中，所述对变换器的输入电信号进行扰动，包括改变所述变换器的开关频率f，使所述开关频率f在预设范围内形成周期性变化。本发明提供的电弧识别方法通过改变所述变换器的开关频率f，可以使所述变换器完成一系列的开关动作。直流配电系统内部的变换器在开关动作时会产生谐波，所述变换器的输出电信号中包含所述因开关动作而产生的谐波。所述谐波在电弧故障发生前后具有不同的电力特性，因此可以根据此特点通过改变所述变换器的开关频率f，使所述开关频率f在预设范围内形成周期性变化对所述变换器的输出电信号进行监测，从而实现对电弧的故障识别与检测。

图2为本发明其中一实施例的根据所述纹波判断是否发生电弧故障的流程图，在其中一个实施例中，包括如下步骤S310至S320：

S310：将所述纹波的幅值与预设电流阈值进行比较，若所述纹波的幅值小于预设电流阈值，则判断发生了电弧故障。

S320：若所述纹波的幅值大于预设电流阈值，则判断没有发生电弧故障。

具体地，对因开关动作而产生的纹波的幅值进行监测，获取多个相邻周期的平均幅值并将其余预设电流阈值进行比较，若所述纹波的平均幅值小于预设电流阈值，则判断出现了电弧故障；若所述纹波的平均幅值大于预设电流阈值，则判断没有发生电弧故障。当所述直流配电系统正常工作时，电路的外电路阻抗为线路阻抗与负载输入阻抗两部分的和；而当电路中发生电弧故障时，外电路阻抗则变为电弧电阻、线路阻抗与三部分之和。由于发生电弧故障时的外电路阻抗比未发生电弧故障时的外电路阻抗增大，那么发生电弧故障时的纹波整体幅值会比未发生电弧故障时的纹波幅值小。因此，可以根据因开关动作而产生的纹波的平均幅值与预设电流阈值的比较结果判断是否出现电弧故障。即，若所述纹波的幅值小于预设电流阈值，则判断出现了电弧故障；反之，则判断没有发生电弧故障。同样地，若所述纹波出现了幅值突然下降的情况，则也可以判断出现了电弧故障。

图3为本发明其中一实施例的直流配电系统的电路结构图，其中，C_out为电源输出电容，C_in为负载输入阻抗，I_rip为所述变换器的输出电流信号，I_rip-in为被所述电源输出电容所分流的电流分量，I_rip-out为外电路阻抗所分流的电流分量，I_rip-in与I_rip-out的和等于所述变换器的输出电流信号I_rip。

由于直流配电系统内部变换器的开关动作，所述变换器的输出电流中会存在高频纹波Irip，所述输出电流按照阻抗反比在电源输出电容与外电路之间进行分流。将所述电源输出电容阻抗记为Z₁，Z₁的值仅由所述电源输出电容的值决定。将外电路阻抗记为Z₂，当所述直流配电系统正常工作时，所述外电路阻抗Z₂为线路阻抗Z_line与负载输入阻抗Z_load-in两部分的和，且由于线路阻抗为所述系统中的连接线路自带的阻抗，是固定不变的，同时由于负载具有较大输入电容，所以所述辅助输入阻抗Z_load-in也可视为固定不变的。而当系统中发生电弧故障时，外电路阻抗Z₂’则为电弧电阻R_arc、线路阻抗Z_line与负载输入阻抗Z_load-in三部分之和。即，在系统中发生电弧故障前后，外电路阻抗的值是不同的，因此被外电路所分流的所述电流信号分量在系统发生电弧故障前后也不相同。可以针对系统中这一信号值的前后变化差异来判断系统中是否出现了电弧故障。

图4为本发明其中一实施例的预设电流阈值的计算方法流程图，在其中一个实施例中，包括如下步骤S311至S312：

S311：采集所述变换器的输出电流信号，测量电源输出电容阻抗、线路阻抗和负载输入阻抗。

S312：根据所述输出电流信号、电源输出电容阻抗、线路阻抗和负载输入阻抗计算获取所述预设电流阈值。

具体地，对所述变换器的输出电流信号I_rip进行采集，对电源输出电容阻抗Z₁、线路阻抗Z_line和负载输入阻抗Z_load-in进行测量计算。根据所述输出电流信号I_rip、电源输出电容阻抗Z₁、线路阻抗Z_line和负载输入阻抗Z_load-in计算获取所述预设电流阈值I_rip。所述预设电流阈值I_rip即为当所述直流配电系统正常工作时所述被外电路所分流的所述电流信号分量，将测量所得的因开关动作而产生的纹波的幅值与所述预设电流阈值I_rip比较，若所述纹波小于所述预设电流阈值I_rip则表示系统中出现了电弧故障；否则，所述系统中没有出现电弧故障。

在其中一个实施例中，所述预设电流阈值的计算式为

其中，I_rip-in为预设电流阈值，I_rip为输出电流信号，Z₁为电源输出电容阻抗，Z_line为线路阻抗，Z_load-in为负载输入阻抗。

由系统中各元件间的连接关系可得以下方程组：

当所述直流配电系统正常工作时，所述外电路阻抗Z₂为线路阻抗Z_line与负载输入阻抗Z_load-in两部分的和，故，可得所述预设电流阈值I_rip-in的计算式为：

同理，发生电弧故障时也可列出等式，解得纹波的计算式为：

可见，电弧发生前后输出电流纹波由I_rip-out变为I_rip-out’，幅值降低。因此，可以根据电流纹波的幅值来判断系统中是否出现电弧故障。

图5本发明其中一实施例的电弧故障发生前后的幅频特性曲线，为在其中一个实施例中，所述电弧识别方法还包括通过数字处理器分析所述电流信号分量的幅频特性变化，并根据所述幅频特性变化判断是否出现电弧故障。由于电弧可视为一非线性电阻，所以如果当系统中出现了电弧故障，则变换器的输出电信号中因开关动作而产生的纹波的幅频特性曲线的幅值受频率变化的影响较小。由图5可见，电弧发生后所述纹波的幅频特性曲线与发生前所述纹波的幅频曲线相比出现了明显下移。因此，在对所述电弧进行识别时，还可以通过数字处理器对所述因开关动作而产生的纹波进行实时监测，若所述纹波的幅频特性曲线出现了明显下移，则判断系统中出现了电弧故障。

在其中一个实施例中，所述电弧识别方法还包括在判断发生电弧故障后，发出警报信号或/和切断电源。当经过上述电弧识别方法判断出系统中出现了电弧故障，则发出报警信号对所述电弧故障情况进行报警。所述报警信号可以是例如声音信号报警或光信号报警，还可以对上位机发送故障信息等等。或/和，在判断发生电弧故障后，将上述直流配电系统中的电源切断，以避免由于出现了电弧故障而对系统中的器件造成损坏。

图6为本发明其中一实施例的用于电弧识别的系统框图，在其中一个实施例中，一种用于电弧识别的系统10包括频谱分析模块100和分析处理模块200。所述频谱分析模块100与直流配电系统20连接，用于采集变换器的输出电流信号中被外电路阻抗所分流的电流信号分量。所述分析处理模块200，与所述频谱分析模块100连接，用于对所述电流信号分量进行分析，获取所述电流信号分量中幅值出现周期性变化的纹波，并根据所述纹波判断是否出现电弧故障。

具体地，所述系统利用所述频谱分析模块100对所述变换器的输出电流信号I_rip和被外电路阻抗所分流的电流信号分量I_rip-out进行采集，并传输至所述分析处理模块200。所述分析处理模块200对所述电流信号分量进行分析，获取所述电流信号分量中幅值出现周期性变化的纹波。所述分析处理模块200根据上述纹波判断系统中是否出现了电弧故障。

在其中一个实施例中，所述系统还包括检测模块300，与所述直流配电系统20及所述分析处理模块200连接，用于测量电源输出电容阻抗、线路阻抗和负载输入阻抗。所述检测模块300对所述直流配电系统20中的电源输出电容阻抗Z₁、线路阻抗Z_line和负载输入阻抗Z_load-in进行检测计算，并传输至所述分析处理模块200。所述分析处理模块200根据所述输出电流信号I_rip、所述电源输出电容阻抗Z₁、所述线路阻抗Z_line和所述负载输入阻抗Z_load-in计算获取预设电流阈值I_rip，并将上述纹波与所述预设电流阈值I_rip进行对比。若所述纹波小于所述预设电流阈值I_rip则表示系统中出现了电弧故障；否则，所述系统中没有出现电弧故障。

在其中一个实施例中，所述系统还包括保护模块400，与所述直流配电系统20及所述分析处理模块200连接，用于在判断发生电弧故障后，发出警报信号或/和切断所述直流配电系统的电源。当经过上述电弧识别方法判断出系统中出现了电弧故障后，所述保护模块400发出报警信号对所述电弧故障情况进行报警。所述报警信号可以是例如声音信号报警或光信号报警，还可以是对上位机发送故障信息等等。或/和，在判断发生电弧故障后，所述保护模块400将上述直流配电系统中的电源切断，以避免由于出现了电弧故障而对系统中的器件造成损坏。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种电弧识别方法，其特征在于，包括：

对变换器的输入电信号进行扰动，采集所述变换器的输出电流信号中被外电路阻抗所分流的电流信号分量；

对所述电流信号分量进行分析，获取所述电流信号分量中幅值出现周期性变化的纹波；

根据所述纹波判断是否发生电弧故障。

2.根据权利要求1所述的电弧识别方法，其特征在于，所述对变换器的输入电信号进行扰动，包括改变所述变换器的开关频率，使所述开关频率在预设范围内形成周期性变化。

3.根据权利要求1所述的电弧识别方法，其特征在于，所述根据所述纹波判断是否发生电弧故障，包括：

将所述纹波的幅值与预设电流阈值进行比较，若所述纹波的幅值小于预设电流阈值，则判断发生了电弧故障；

若所述纹波的幅值大于预设电流阈值，则判断没有发生电弧故障。

4.根据权利要求3所述的电弧识别方法，其特征在于，所述预设电流阈值的计算方法包括：

采集所述变换器的输出电流信号，测量电源输出电容阻抗、线路阻抗和负载输入阻抗；

根据所述输出电流信号、电源输出电容阻抗、线路阻抗和负载输入阻抗计算获取所述预设电流阈值。

5.根据权利要求4所述的电弧识别方法，其特征在于，所述预设电流阈值的计算式为：

其中，I_rip-in为预设电流阈值，I_rip为输出电流信号，Z₁为电源输出电容阻抗，Z_line为线路阻抗，Z_load-in为负载输入阻抗。

6.根据权利要求1所述的电弧识别方法，其特征在于，所述电弧识别方法还包括：

通过数字处理器分析所述电流信号分量的幅频特性变化，并根据所述幅频特性变化判断是否出现电弧故障。

7.根据权利要求1所述的电弧识别方法，其特征在于，所述电弧识别方法还包括：

在判断发生电弧故障后，发出警报信号或/和切断电源。

8.一种用于电弧识别的系统，其特征在于，包括：

频谱分析模块，与直流配电系统连接，用于采集变换器的输出电流信号中被外电路阻抗所分流的电流信号分量；

分析处理模块，与所述频谱分析模块连接，用于对所述电流信号分量进行分析，获取所述电流信号分量中幅值出现周期性变化的纹波，并根据所述纹波判断是否出现电弧故障。

9.根据权利要求8所述的用于电弧识别的系统，其特征在于，所述用于电弧识别的系统还包括：

检测模块，与所述直流配电系统及所述分析处理模块连接，用于测量电源输出电容阻抗、线路阻抗和负载输入阻抗。

10.根据权利要求8所述的用于电弧识别的系统，其特征在于，所述用于电弧识别的系统还包括：

保护模块，与所述直流配电系统及所述分析处理模块连接，用于在判断发生电弧故障后，发出警报信号或/和切断所述直流配电系统的电源。

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