[發明專利]基于滑動DFT的串聯直流電弧故障識別方法

在審

• 申請號: 201710971411.9
• 申請日: 2017-10-18
• 公開（公告）號: CN107561424A
• 公開（公告）日: 2018-01-09
• 發明（設計）人: 王堯;張彥風;牛峰;李奎
• 申請（專利權）人: 河北工業大學
• 主分類號: G01R31/12
• 分類號: G01R31/12
• 代理公司: 北京兆君聯合知識產權代理事務所(普通合伙)11333
• 代理人: 鄭學成

技術領域

本發明涉及領域，特別是一種基于滑動DFT的串聯直流電弧故障 識別方法。

背景技術

隨著電力電子技術的飛速發展，直流供電系統在航空航天、船舶 和智能電網等領域得到大量應用。與交流供電系統相比，直流系統無 需對電壓的相位和頻率進行跟蹤，也無需考慮線路渦流損耗，易于實 現電能的高效傳輸，受到國內外學者的廣泛關注。然而，由于直流電 流不存在過零點，當直流系統因線路絕緣破壞、金屬接頭松動等原因 發生直流電弧故障時，直流電弧很難自行熄滅，極易造成火災事故。 直流電弧分為并聯電弧和串聯電弧兩種類型，并聯電弧電流一般大于 回路的正常工作電流，系統中的過電流保護裝置可以切除此類故障； 而串聯電弧電流因受線路負載限制，其電流值相對較小，通常在30A 以下，傳統的過電流保護裝置無法實現對串聯電弧故障的有效保護， 危及系統安全。因此，研究直流串聯電弧特性及其故障識別方法對保 障直流供電系統安全穩定運行具有重要意義。電弧故障識別的關鍵在 于能否盡早檢測出電弧故障并盡快切斷電路，避免電弧持續燃燒造成 嚴重后果。電弧發生時會伴隨聲、光、電、磁等不同的物理特征，目 前大多利用電弧電壓、電流的時域或頻域特征進行故障識別。文獻研 究了電源電壓、負載電流、電極間隙等因素對直流電弧伏安特性的影 響，提出了一種基于時域分析和小波變換的混合式直流串聯電弧故障 檢測方法。文獻通過分析電源電壓輸出波形在相應時間窗內的脈沖特 性，指出電弧電流的高頻分量主要集中在10-200kHz的頻率范圍內， 并據此提出了一種基于電源電壓輸出突變的故障電弧時域檢測方法。 文獻研究了空氣放電條件下電極材料和電流大小對直流電弧電弧電 流高頻分量的影響，結果表明陰極材料的熔點越高(如石墨)，電弧 電流的高頻分量越少，且電弧電流的高頻分量隨電流增大而減小。上 述直流電弧故障識別方法采用FFT、小波變換等數字信號處理技術， 實現了串聯直流電弧故障識別，但這些檢測方法運算較為復雜，在滿 足信號處理實時性要求的前提下，對硬件性能要求較高。利用直流 電弧模擬實驗平臺采集串聯直流電弧電壓、電流數據，重點分析電弧 電流的時域和頻域特征。根據直流電弧的特征頻率，采用滑動DFT算 法對電弧電流進行實時頻譜分析，實現電弧故障的準確識別。

2實驗平臺搭建與數據采集

參照美國UL1699B-2011標準設計了串聯直流電弧發生裝置，該裝 置包括一個固定電極和一個移動電極，電極材料均為直徑6.35mm銅棒。 由于電弧燒蝕，每次實驗前必須將銅棒表面進行打磨處理，以保證實 驗的準確性。移動電極在步進電機和絲杠機構的帶動下進行水平運動， 當兩個電極拉開一定距離時，兩極之間的電場使空氣擊穿并維持高能 量放電，從而產生直流電弧。該裝置可以模擬實際直流系統中連接松 動、接觸不良等情況下的串聯直流電弧故障。該實驗線路由直流電壓 源、電弧發生裝置和負載電阻串聯而成。直流電壓源的輸出電壓范圍 為0-450V，回路負載電流的調節范圍為0-30A，能夠模擬航天、電動 汽車等直流系統的典型電壓等級與負載電流值。實驗中采用橫河DL750 示波記錄儀記錄實驗數據，該記錄儀具有10通道高壓隔離輸入模塊， 峰值輸入電壓可達850V。電弧電流通過霍爾電流傳感器采集，電弧電 壓則直接由記錄儀采集。由于電弧電流的高頻分量一般在100kHz以內， 實驗數據采樣率取為2MS/s，數據采樣時間0.5s。為研究不同電源電 壓和負載電流條件下故障電弧高頻特征的變化規律，分別采用200V、 300V兩個電壓等級以及3A、4A、5A三個負載電流等級進行實驗。

3直流電弧電流的時域和頻域特征

相較于電弧產生的聲、光等其他物理量，電弧電流具有與檢測位 置無關、不受障礙物影響且便于測量等諸多優點而被廣泛用于電弧故 障診斷。在電弧燃燒過程中，由于電極材料的燃燒、蒸發和電弧電流 很大時本身所產生的磁場等因素，電弧電流波形持續變化，使電弧電 流具有脈沖特性。圖2為電源電壓300V、負載電流6A條件下電弧電流 波形的變化過程，可以看出在燃弧起始階段電弧電流呈現脈沖變化， 電流幅值變化范圍為5.6A-6A，脈沖階段持續時間約50ms。電弧電流 的脈沖變化過程表明此時弧隙間的空氣被反復擊穿，電弧通道尚未穩 定建立。當電弧穩定燃弧后電流脈沖隨即消失。