一种间歇性串联型故障电弧识别方法技术

本发明专利技术公开了一种线性负载间歇性串联型故障电弧识别方法。该方法包括以下步骤：1）开展串联型故障电弧实验，采集负载正常工作、间歇性故障电弧、合闸操作电弧三种状态下的线路电流信号；2）求取三种状态下电流信号的小波包重构后的信息熵；3）对信息熵进行K均值聚类，区分正常工作电流信号及电弧信号；4）求每种负载在发生间歇性电弧及合闸操作电弧时相邻两周期电流信号导数最大值比值，并设定相邻两周期导数最大值比值阈值，区分间歇性故障电弧及合闸操作电弧；5）建立间歇性串联型故障电弧判据。与现有技术相比，本发明专利技术能可靠诊断间歇性串联型故障电弧，并可对稳定的串联型故障电弧做出预警。

An intermittent series fault arc identification technique

The invention discloses a linear load intermittent series fault arc identification method. The method comprises the following steps: 1) to carry out the series arc fault experimental circuit, current signal acquisition and load work, intermittent fault arc, arc closing operation under three conditions; 2) to obtain three kinds of wavelet packet reconstruction under the current state of the signal after the information entropy; 3) K means clustering of information entropy, distinguish the normal operating current signal and arc signal; 4) for each load in the intermittent arc and closing operation when the arc current signal cycle of two adjacent derivative maximum value ratio, and set two adjacent period derivative maximum ratio threshold, distinguish the intermittent fault arc and arc closing operation; 5) the establishment of intermittent series arc fault criterion. Compared with the prior art, the invention can reliably diagnose intermittent series type fault arc, and can warn the stable series type fault arc.

【技术实现步骤摘要】
一种间歇性串联型故障电弧识别技术
本专利技术涉及故障电弧保护技术，尤其是一种涉及间歇性交流串联型故障电弧识别方法的技术。
技术介绍
故障电弧分为并联型故障电弧和串联型故障电弧。并联型故障电弧主要由漏电故障引起；串联型故障电弧主要由电力线路的虚连、电缆材料绝缘老化、接线不规范、器件质量不合格及外力损伤等引起。并联型故障电弧可由漏电保护装置诊断；由于串联型故障电弧的电流幅值小于或等于负载正常电流，处于断路器额定电流范围内，因此不会被传统的保护装置检测到，而传统保护装置的检测盲区使串联型故障电弧成为引发电气火灾的主要原因。据统计，由电气故障引发的火灾损失占我国总火灾损失的33%左右。由此可见，串联型故障电弧的有效识别已成为提高供电可靠性、防止电气火灾发生的关键问题。美国保险商实验室在1999年制定了UL1699《故障电弧断路装置安全标准》。国内对故障电弧的研究工作相对较晚，我国在2014年发布了电气火灾监控系统的标准GB14287.4-2014，其中对故障电弧的识别问题做了相关定义。近年来，国内外学者针对稳定故障电弧的识别问题做了大量的研究工作：①依据电弧发生时产生的弧声、弧光等物理效应来诊断故障电弧；②依据电弧发生时电弧电压信号的突变及电弧电流的零休现象诊断故障电弧；③采用小波变换、短时傅立叶变换等与神经网络或支持向量机结合，依据发生故障电弧时，电弧电压或电弧电流信号频谱的变化、各次谐波的变化诊断故障电弧。方法①不适用于对发生位置未知情况下故障电弧的检测。当电弧发生位置未知时方法②中电压的突变无法检测，大量大功率电力电子器件的使用已使零休不能作为电弧发生的检测依据。方法③虽然在一定程度上能够识别故障电弧，但没有考虑操作电弧与故障电弧的区别问题。专利技术人在研究中发现，在发生串联型稳态故障电弧之前往往伴随着间歇性不稳定串联型故障电弧，间歇性故障电弧持续时间与操作电弧相近，一般不超过5个周期。因此，有效的区分操作电弧与间歇性故障电弧，并将间歇性故障电弧做为将发生稳态故障电弧的预警将具有重要意义。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题为了解决操作电弧与间歇性串联型故障电弧燃弧时间都较短不易区分的问题，本专利技术提供了一种基于小波包信息熵与K均值聚类算法判断有无电弧，通过求相邻两周期电流信号导数最大值比值阈值识别操作电弧与间歇性串联型故障电弧的方法，其特征在于，具体步骤如下：1）以自行研制的AC220V串联型故障电弧实验平台为基础，开展阻性负载、阻感性负载的串联型故障电弧模拟实验及接触器合闸操作电弧实验。故障电弧实验主电路包括依次连接的交流电源、断路器、电弧发生器、负载。合闸操作电弧实验主电路包括交流电源、接触器、断路器、负载。负载主要包括800W灯泡、1600W灯泡、2.2KW空载三相异步电动机。2）对燃弧前后各5周期电流信号进行4层小波包分解，求取小波包四层分解后16个频段的信息熵值。3）对正常运行、发生间歇性故障电弧、合闸操作电弧时的信息熵值进行K均值聚类分析。4）通过K均值聚类结果识别出正常电流信号及电弧电流信号。5）对K均值聚类结果中的电流信号进行求导处理，求操作电弧及间歇性故障电弧相邻两周期电流信号导数值比值的阈值，并作为操作电弧及间歇电弧的诊断条件。6）建立间歇性故障电弧诊断判据。本专利技术提供的基于小波包信息熵、K均值聚类与相邻两周期电流信号导数值比值最大值阈值相结合的间歇性串联型故障电弧识别方法,解决了操作电弧与间歇性串联型电弧的误判问题，提高了间歇性串联型故障电弧识别的准确性，并可对将要发生的稳定故障电弧做出预警，该专利技术对线性负载的间歇性故障电弧诊断具有普遍适用性。附图说明图1是本专利技术的故障电弧实验电路图；图2是本专利技术的合闸操作电弧实验电路图；图3是本专利技术LabWIEW数据采集程序框图；图4是本专利技术的4×200W灯泡正常工作电流波形；图5是本专利技术的8×200W灯泡正常工作电流波形图；图6是本专利技术的2.2KW三相异步电动机正常工作电流波形图；图7是本专利技术的4×200W灯泡合闸操作电弧电流波形图；图8是本专利技术的8×200W灯泡合闸操作电弧电流波形图；图9是本专利技术的2.2KW三相异步电动机合闸操作电弧电流波形图；图10是本专利技术4×200W灯泡间歇性串联型故障电弧电流波形图；图11是本专利技术的8×200W灯泡间歇性串联型故障电弧电流波形图；图12是本专利技术2.2KW三相异步电动机间歇性串联型故障电弧电流波形图；图13是本专利技术的4×200W灯泡串联型故障电弧电流波形图；图14是本专利技术的8×200W灯泡串联型故障电弧电流波形图；图15是本专利技术的2.2KW异步电动机串联型故障电弧电流波形图；图16是发生合闸操作电弧、发生间歇性串联型故障电弧时，小波包四层分解后各频段信息熵情况；图17是本专利技术两排灯正常工作、发生合闸操作电弧、发生间歇性串联型故障电弧时，小波包四层分解后各频段信息熵情况；图18是本专利技术2.2KW空载电机正常工作、发生合闸操作电弧、发生间歇性串联型故障电弧时，小波包四层分解后各频段信息熵情况；图19是本专利技术典型负载正常工作、发生合闸操作电弧时，小波包信息熵聚类结果；图20是本专利技术典型负载正常工作、发生合闸操作电弧、发生间歇性串联型故障电弧时，小波包信息熵聚类结果；图21是本专利技术的阻性、阻感性负载发生间歇性串联型故障电弧的检测判据。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步详细说明。（一）、实验电路设计1.主电路本专利技术依据UL1699标准研制了故障电弧模拟实验装置。故障电弧模拟实验主电路如图1所示。主电路由交流电源、断路器、电弧发生器、负载构成。电弧发生器由静止电极和移动电极组成。静止电极为柱形铜棒，移动电极为锥形铜棒。首先实现两个电极的良好接触，然后通过步进电机平移移动电极与与静止电极分开，当电弧发生器发生稳定电弧时，移动电极停止。电流互感器、电压互感器将实时采集的电流信号通过信号调理电路送至数据采集卡。操作电弧主电路如图2所示。主电路由交流电源、接触器、断路器、负载组成。其中以接触器主触头在合闸时产生的电弧作为操作电弧，并通过信号调理电路采集电弧电流及电弧电压最后送至数据采集卡。负载包括800W灯泡、1600W灯泡、2.2KW空载三相异步电动机。2.数据采集软件设计本专利技术以NI公司生产的数据采集卡采集数据上载到一台装有LabVIEW2013专业版软件的PC机上进行显示存储。数据采集LabVIEW软件程序见图3。其中1为电流信号时间序列，2电压信号时间序列。通过本程序，可实现电流、电压信号的采集及波形显示。（二）、具体实验方案具体实验方案如表1所示：表1实验方案实验组别负载类型工作电压/V工作电流/A1灯泡200W*42203.62灯泡200W*82207.23三相电机2KW（空载）3805.0（三）、间歇性串联型故障电弧、操作电弧判据1.实验电流信号采集图4-图15为LabVIEW采集的实验电流信号。图4-图6所示为实验过程中通过数据采集卡实时采集的800W灯泡、1600W灯泡、2.2KW空载电机正常运行时的电流信号。图7-图9为典型负载在发生合闸操作电弧时的电流信号。图10-12为典型负载在发生间歇性故障电弧时的电流信号。图13-图15为典型负载发生稳定故障电弧时的电流信号。由图4-图15可以发现，操作本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于小波包信息熵与K均值聚类算法判断有无电弧，通过求相邻两周期电流信号导数最大值比值阈值识别合闸操作电弧与间歇性串联型故障电弧的方法，其特征在于，包括以下步骤：1）获取电流信号时间序列；2）对电流信号进行小波包sym5四层分解、重构，求取各频段信息熵；3）对小波包信息熵进行K均值聚类分析，分为电弧电流信号和正常运行电流信号两类，若为电弧电流信号，则执行步骤4），若为正常运行电流信号，则返回步骤1）；4）对相邻10周期电弧电流信号时间序列求导，并求相邻两周期电流信号导数最大值比值，若比值最大值大于合闸操作电弧阈值，则判定为合闸操作电弧，若比值最大值小于间歇性故障电弧阈值，则判定为间歇性故障电弧，并发出故障电弧预警信号。

【技术特征摘要】
1.一种基于小波包信息熵与K均值聚类算法判断有无电弧，通过求相邻两周期电流信号导数最大值比值阈值识别合闸操作电弧与间歇性串联型故障电弧的方法，其特征在于，包括以下步骤：1）获取电流信号时间序列；2）对电流信号进行小波包sym5四层分解、重构，求取各频段信息熵；3）对小波包信息熵进行K均值聚类分析，分为电弧电流信号和正常运行电流信号两类，若为电弧电流信号，则执行步骤4），若为正常运行电流信号，则返回步骤1）；4）对相邻10周期电弧电流信号时间序列求导，并求相邻两周期电流信号导数最大值比值，若比值最大值大于合闸操作电弧阈值，则判定为合闸操作电弧，若比值最大值小于间歇性故障电弧阈值，则判定为间歇性故障电弧，并发出故障电弧预警信号。2.根据权利要求1所述的基于小波包信息熵与K...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘艳丽，王智勇，李国华，郭凤仪，王喜利，李颖，刘丽智，
申请(专利权)人：辽宁工程技术大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21