CN113406455B - 一种低压交流电弧微观状态的宏观表征方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种低压交流电弧微观状态的宏观表征方法，所述方法对电弧产生到熄灭的过程进行表征，包括以下步骤：步骤S1、通过电系统测量模块获取电弧电压数据，同时通过光系统测量模块获得电弧等离子体在时域上的连续电弧谱线数据；步骤S2、通过对电弧电压数据进行小波能量谱变换得到电弧电压波形特征值及电压小波能量谱波形；步骤S3、对电弧谱线的Stark计算得到弧隙间电弧电子密度；步骤S4、选取与电子密度变化趋势具有一致性的电压小波能量谱波形，并根据所选取的电压小波能量谱波形来选取对应的电弧电压波形特征值来表征电弧的燃弧状态和趋势；本发明能利用量化的宏观特征参数来定量反馈电弧的状态与趋势。

Description

一种低压交流电弧微观状态的宏观表征方法
技术领域
本发明涉及电学技术领域，尤其是一种低压交流电弧微观状态的宏观表征方法。
背景技术
对低压交流电弧的研究并降低其危害一直是低压开关设备的重要研究方向。随着智能化技术的发展，基于智能控制的电弧抑制技术已成为低压开关设备智能控制的重要研究内容，对电弧状态进行在线监测并实现熄弧过程的自适应控制已经成为智能化控制的目标，但是在实际研究中存在的主要难题为：1、电弧实时状态缺乏有效的检测方法；2、电弧抑制的效果无法进行有效的对比和评判，限制了智能控制性能的提高。电弧状态的宏观表征与实时反馈是目前智能化开关设备零电流分断控制过程的关键问题。
目前，在低压交流电弧动态特性方面的研究取得了很多成果，电弧仿真技术为灭弧系统的设计提供了重要的指导意义，但是依然无法解决如何直观判断电弧燃烧特征的难题，也无法将电弧燃烧的三种状态过程统一起来分析，要具象化地给出一个定量的燃弧特征参量依然是一个技术瓶颈。低压交流电弧在操作过程中可直接观测到的宏观特性是其电路特性和图像特性，这些特性更容易通过先进的测量技术来获得并反映电弧的燃弧过程和燃弧特征。国内外学者在仿真研究的基础上，通过实验和测试手段对电弧的电路特性进行了深入的研究，并分析了电弧温度，电弧能量以及恢复电压等参数对电弧运动的影响。但这些研究均只能对电弧的电路特性或图像特性实现离线分析，如采用高速摄像机等获得的电弧亮度、尺寸等量化的特性参数无法提供实时在线分析和处理，研究结果由于缺乏有效的电弧状态表征参数而无法与低压电器的智能控制过程相结合。
本发明通过研究电弧电压波形的特征及其在时域上的分布轨迹与电弧状态微观机理的关系，利用量化的宏观特征参数来定量反馈电弧的状态与趋势，利用电弧识别模型识别和提取稳定有效的电弧状态特征参数，并通过等离子体谱线测量及其电子密度计算，从机理上对其进行阐释，从而为电弧状态宏观表征的实现奠定理论基础。
发明内容
本发明提出一种低压交流电弧微观状态的宏观表征方法，能利用量化的宏观特征参数来定量反馈电弧的状态与趋势。
本发明采用以下技术方案。
一种低压交流电弧微观状态的宏观表征方法，所述方法对电弧产生到熄灭的过程进行表征，包括以下步骤：
步骤S1、通过电系统测量模块（1）获取电弧电压数据，同时通过光系统测量模块（2）获得电弧等离子体在时域上的连续电弧谱线数据；
步骤S2、通过对电弧电压数据进行小波能量谱变换得到电弧电压波形特征值及电压小波能量谱波形；
步骤S3、对电弧谱线的Stark计算得到弧隙间电弧电子密度；
步骤S4、选取与电子密度变化趋势具有一致性的电压小波能量谱波形，并根据所选取的电压小波能量谱波形来选取对应的电弧电压波形特征值来表征电弧的燃弧状态和趋势。
所述步骤S4中，当弧隙间电弧电子密度保持在预设数量级时；所述电弧电压波形特征值为对处于稳定燃弧状态的电弧进行表征的电弧电压波形特征值，电压小波能量谱特征值稳定在由采样率和电压等级决定的稳定燃弧阈值；此时的电弧电子密度处于稳定燃弧数量级。
所述步骤S4中，当弧隙间电弧电子密度出现不稳定的剧烈变化，且电压小波能量谱特征值增大至稳定燃弧阈值的2.5倍时，所述电弧电压波形特征值为对处于趋于熄灭状态的电弧进行表征的电弧电压波形特征值。
所述步骤S4中，当弧隙间电弧电子密度出现不稳定的剧烈变化，且当电压小波能量谱特征值增大至稳定燃弧阈值的三倍以上时，可判定电弧已熄灭。
所述步骤S4中，当弧隙间电弧电子密度出现不稳定的剧烈变化，且当电压小波能量谱特征值小于稳定燃弧阈值时，所述电弧电压波形特征值为对处于趋向更猛烈重燃阶段的电弧进行表征的电弧电压波形特征值。
当低压交流电弧熄灭过程中，介质恢复强度逐渐增加时，所述电压小波能量谱特征值表征介质恢复强度与电压恢复强度的竞争关系；
当电压小波能量谱特征值越大，则介质恢复强度越大，电弧趋向于熄灭；
当电压小波能量谱特征值越小，则介质恢复强度越小，电弧趋向于重燃。
所述电系统测量模块（1）包括模块A1、模块C1；所述光系统测量模块（2）包括模块A2、模块C2；
所述模块A1和模块A2对电弧进行实时检测，得到电弧的电压信号的电压波形B1，以及可与B1进行比对的电弧等离子光谱的光谱波形B2；
所述模块C1对电弧电压信号进行小波能量谱变换得到小波能量谱值D1及其在时域上的轨迹变化；
所述模块C2对电弧等离子光谱进行Stark计算及Boltzmann图法处理，得到与D1具有内在关联性的电弧等离子体电子密度D2及其在时域上的轨迹变化。
所述电系统测量模块（1）为实时采集电弧电压波形的交流电弧检测系统，其嵌入有可提取电压波形的小波能量谱算法模块；所述小波能量谱算法模块根据实际采样的结果设定波形特征值的阈值。
所述光系统测量模块以光谱检测方法对低压交流电电弧进行时域上的连续测量，以得到其光谱变化曲线，并按光谱曲线以及电极材料种类选取合适的元素波长，查询得到对应的光谱参数来计算出电弧等离子体的电子温度变化轨迹，再根据温度计算得到所需的电子密度变化轨迹。
本发明通过研究电弧电压波形的特征及其在时域上的分布轨迹与电弧状态微观机理的关系，利用量化的宏观特征参数来定量反馈电弧的状态与趋势，利用电弧识别模型识别和提取稳定有效的电弧状态特征参数，并通过等离子体谱线测量及其电子密度计算，从机理上对其进行阐释，从而为电弧状态宏观表征的实现奠定理论基础。
本发明的创造性在于：
1、将时域上连续光谱测量的方法引入电弧特性分析中，通过电弧间隙内的等离子体光谱信息在时域上连续测量得到的数据轨迹，为电弧微观状态的宏观表征提供理论支持。
2、提出了一种有效的电弧状态宏观表征参数，可实现低压交流电弧状态的实时观测。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
附图1是本发明的原理示意图；
图中：1-电系统测量模块；2-光系统测量模块。
具体实施方式
如图所示，一种低压交流电弧微观状态的宏观表征方法，所述方法对电弧产生到熄灭的过程进行表征，包括以下步骤：
步骤S1、通过电系统测量模块1获取电弧电压数据，同时通过光系统测量模块2获得电弧等离子体在时域上的连续电弧谱线数据；
步骤S2、通过对电弧电压数据进行小波能量谱变换得到电弧电压波形特征值及电压小波能量谱波形；
步骤S3、对电弧谱线的Stark计算得到弧隙间电弧电子密度；
步骤S4、选取与电子密度变化趋势具有一致性的电压小波能量谱波形，并根据所选取的电压小波能量谱波形来选取对应的电弧电压波形特征值来表征电弧的燃弧状态和趋势。
所述步骤S4中，当弧隙间电弧电子密度保持在预设数量级时；所述电弧电压波形特征值为对处于稳定燃弧状态的电弧进行表征的电弧电压波形特征值，电压小波能量谱特征值稳定在由采样率和电压等级决定的稳定燃弧阈值；此时的电弧电子密度处于稳定燃弧数量级。
所述步骤S4中，当弧隙间电弧电子密度出现不稳定的剧烈变化，且电压小波能量谱特征值增大至稳定燃弧阈值的2.5倍时，所述电弧电压波形特征值为对处于趋于熄灭状态的电弧进行表征的电弧电压波形特征值。
所述步骤S4中，当弧隙间电弧电子密度出现不稳定的剧烈变化，且当电压小波能量谱特征值增大至稳定燃弧阈值的三倍以上时，可判定电弧已熄灭。
所述步骤S4中，当弧隙间电弧电子密度出现不稳定的剧烈变化，且当电压小波能量谱特征值小于稳定燃弧阈值时，所述电弧电压波形特征值为对处于趋向更猛烈重燃阶段的电弧进行表征的电弧电压波形特征值。
当低压交流电弧熄灭过程中，介质恢复强度逐渐增加时，所述电压小波能量谱特征值表征介质恢复强度与电压恢复强度的竞争关系；
当电压小波能量谱特征值越大，则介质恢复强度越大，电弧趋向于熄灭；
当电压小波能量谱特征值越小，则介质恢复强度越小，电弧趋向于重燃。
所述电系统测量模块1包括模块A1、模块C1；所述光系统测量模块2包括模块A2、模块C2；
所述模块A1和模块A2对电弧进行实时检测，得到电弧的电压信号的电压波形B1，以及可与B1进行比对的电弧等离子光谱的光谱波形B2；
所述模块C1对电弧电压信号进行小波能量谱变换得到小波能量谱值D1及其在时域上的轨迹变化；
所述模块C2对电弧等离子光谱进行Stark计算及Boltzmann图法处理，得到与D1具有内在关联性的电弧等离子体电子密度D2及其在时域上的轨迹变化。
所述电系统测量模块1为实时采集电弧电压波形的交流电弧检测系统，其嵌入有可提取电压波形的小波能量谱算法模块；所述小波能量谱算法模块根据实际采样的结果设定波形特征值的阈值。
所述光系统测量模块以光谱检测方法对低压交流电电弧进行时域上的连续测量，以得到其光谱变化曲线，并按光谱曲线以及电极材料种类选取合适的元素波长，查询得到对应的光谱参数来计算出电弧等离子体的电子温度变化轨迹，再根据温度计算得到所需的电子密度变化轨迹。
实施例：
如图所示，模块1为电系统检测模块，模块2为光系统检测模块。模块A1和模块A2对电弧进行实时检测，得到B1和B2，可完成对电弧的电压波形和光谱波形的对比。模块C1实现对电弧电压信号进行小波能量谱变换，模块C2实现对电弧等离子体光谱的Stark计算及Boltzmann图法，分别获得D1和D2，通过比较电弧电压的小波能量谱值和电弧等离子体的电子密度在时域上的轨迹变化，可以确定二者在随电弧状态变化时具有内在关联性，从微观机理上说明利用小波能量谱算法对电弧电压波形提取的特征参数可以有效表征电弧状态。
本例所述方法的实施，主要包括光系统和电系统两个模块：
（1）电系统测量模块（模块1）：交流电弧检测系统实时采集电弧电压波形，通过嵌入的小波能量谱算法将电压波形的特征值提取出来。根据实际采样的结果设定特征值的阈值，根据对电弧电压的实时检测，可通过对小波特征值与阈值的对比，实现对电弧实时状态的检测和判断：特征值大于阈值，则电弧趋于熄灭；特征值小于阈值，则电弧处于重燃阶段。关于小波能量谱特征值作为电弧状态的表征参数的物理意义及其理论分析则由光系统检测模块完成。
（2）光系统测量模块（模块2）：将光谱检测的手段引入低压交流电弧领域，并提出一种时域上连续测量的新方法。模块2可以实时测得电弧光谱，通过对燃弧过程在时域上进行连续测量得到其光谱变化曲线，根据光系统检测出的电弧光谱曲线以及电极材料种类选取合适的元素波长，并查出对应的光谱参数来计算出电弧等离子体的电子温度变化轨迹，再根据温度计算得到所需的电子密度变化轨迹。
电弧产生到熄灭，电系统获取电弧电压数据，同时光系统获得电弧等离子体在时域上的连续谱线数据。通过对电弧电压进行小波能量谱变换得到特征值，对电弧谱线的Stark计算得到弧隙间电弧电子密度。通过对比上述电系统和光系统检测模块的结果，即电压小波能量谱波形和电子密度变化过程，结合电弧的燃烧趋势，说明二者具有一致性。在电子密度保持一定数量级的稳定燃弧阶段，电弧电压小波能量谱特征值稳定在某数量级，该数量级取决于采样率和电压等级；当电子密度出现不稳定剧烈变化且电弧趋于熄灭的不稳定燃弧阶段，特征值处于稳定燃弧时数量级的2.5倍；当电弧熄灭时，该特征值增大为稳定燃弧时数量级的3倍以上。特征值能总体的代表电弧状态的变化趋势，其物理意义为：低压交流电弧熄灭过程中介质恢复强度是逐渐增加的，其与电压恢复强度的竞争结果可用小波能量谱特征值来表征。其值越大说明介质恢复强度越大，电弧趋向于熄灭；其值越小说明说明介质恢复强度越小，电弧趋向重燃。

Claims (9)

1.一种低压交流电弧微观状态的宏观表征方法，其特征在于：所述方法对电弧产生到熄灭的过程进行表征，包括以下步骤：
步骤S1、通过电系统测量模块（1）获取电弧电压数据，同时通过光系统测量模块（2）获得电弧等离子体在时域上的连续电弧谱线数据；
步骤S2、通过对电弧电压数据进行小波能量谱变换得到电弧电压波形特征值及电压小波能量谱波形；
步骤S3、对电弧谱线的Stark计算得到弧隙间电弧电子密度；
步骤S4、选取与电子密度变化趋势具有一致性的电压小波能量谱波形，并根据所选取的电压小波能量谱波形来选取对应的电弧电压波形特征值来表征电弧的燃弧状态和趋势。
2.根据权利要求1所述的一种低压交流电弧微观状态的宏观表征方法，其特征在于：所述步骤S4中，当弧隙间电弧电子密度保持在预设数量级时；所述电弧电压波形特征值为对处于稳定燃弧状态的电弧进行表征的电弧电压波形特征值，电压小波能量谱特征值稳定在由采样率和电压等级决定的稳定燃弧阈值；此时的电弧电子密度处于稳定燃弧数量级。
3.根据权利要求2所述的一种低压交流电弧微观状态的宏观表征方法，其特征在于：所述步骤S4中，当弧隙间电弧电子密度出现不稳定的剧烈变化，且电压小波能量谱特征值增大至稳定燃弧阈值的2.5倍时，所述电弧电压波形特征值为对处于趋于熄灭状态的电弧进行表征的电弧电压波形特征值。
4.根据权利要求3所述的一种低压交流电弧微观状态的宏观表征方法，其特征在于：所述步骤S4中，当弧隙间电弧电子密度出现不稳定的剧烈变化，且当电压小波能量谱特征值增大至稳定燃弧阈值的三倍以上时，可判定电弧已熄灭。
5.根据权利要求4所述的一种低压交流电弧微观状态的宏观表征方法，其特征在于：所述步骤S4中，当弧隙间电弧电子密度出现不稳定的剧烈变化，且当电压小波能量谱特征值小于稳定燃弧阈值时，所述电弧电压波形特征值为对处于趋向更猛烈重燃阶段的电弧进行表征的电弧电压波形特征值。
6.根据权利要求5所述的一种低压交流电弧微观状态的宏观表征方法，其特征在于：当低压交流电弧熄灭过程中，介质恢复强度逐渐增加时，所述电压小波能量谱特征值表征介质恢复强度与电压恢复强度的竞争关系；
当电压小波能量谱特征值越大，则介质恢复强度越大，电弧趋向于熄灭；
当电压小波能量谱特征值越小，则介质恢复强度越小，电弧趋向于重燃。
7.根据权利要求1所述的一种低压交流电弧微观状态的宏观表征方法，其特征在于：所述电系统测量模块（1）包括模块A1、模块C1；所述光系统测量模块（2）包括模块A2、模块C2；
所述模块A1和模块A2对电弧进行实时检测，得到电弧的电压信号的电压波形B1，以及可与B1进行比对的电弧等离子光谱的光谱波形B2；
所述模块C1对电弧电压信号进行小波能量谱变换得到小波能量谱值D1及其在时域上的轨迹变化；
所述模块C2对电弧等离子光谱进行Stark计算及Boltzmann图法处理，得到与D1具有内在关联性的电弧等离子体电子密度D2及其在时域上的轨迹变化。
8.根据权利要求7所述的一种低压交流电弧微观状态的宏观表征方法，其特征在于：所述电系统测量模块（1）为实时采集电弧电压波形的交流电弧检测系统，其嵌入有可提取电压波形的小波能量谱算法模块；所述小波能量谱算法模块根据实际采样的结果设定波形特征值的阈值。
9.根据权利要求7所述的一种低压交流电弧微观状态的宏观表征方法，其特征在于：所述光系统测量模块以光谱检测方法对低压交流电电弧进行时域上的连续测量，以得到其光谱变化曲线，并按光谱曲线以及电极材料种类选取合适的元素波长，查询得到对应的光谱参数来计算出电弧等离子体的电子温度变化轨迹，再根据温度计算得到所需的电子密度变化轨迹。
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Application publication date: 20210917

Assignee: Fuzhou Fuda Kangyu Energy Technology Co.,Ltd.

Assignor: FUZHOU University

Contract record no.: X2022350000031

Denomination of invention: A macroscopic characterization method for the microscopic state of a low-voltage alternating current arc

Granted publication date: 20220315

License type: Exclusive License

Record date: 20220825