一种交流电弧频域检测方法技术

本发明专利技术属于电气系统安全技术领域，涉及一种交流电弧频域检测方法。包括如下步骤：步骤一，以某一采样率fs采样交流电流波形，取半周期上N个采样点的幅值，按“半周期反平移”方法将所取半周期扩展为包括2*N个采样点的整周期；步骤二，对步骤一中得到的整周期波形进行N‑FFT点的FFT分析，FFT分析点数大于等于2*N；步骤三，计算步骤二中FFT分析得到的第7次至第25次谐波之间的各频率点的能量含量之和占谐波总能量的百分比；步骤四，若步骤三中计算得到的能量百分比大于设定阈值，则判断发生了电弧事件，所述的阀值为0.0085‑0.015；若100ms内电弧事件发生达到8次，则认为发生了电弧故障。提供了一种具有广泛适用性的交流电弧频域检测方法。

【技术实现步骤摘要】
一种交流电弧频域检测方法
本专利技术属于电气系统安全
，涉及一种交流电弧频域检测方法。
技术介绍
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。电弧的发生是以半周期为单位的。美国航空电弧故障断路器标准“SAEAS5692”规定，对于航空单相115V400Hz线路，电弧的检测应当以电弧电流半周期为单位，并且以100ms内检测到8次半周期电弧为电弧故障判据。许多文献分析了交流电弧电流的频域特征并提取了检测判据，为故障电弧检测和保护技术的研究奠定了理论基础，但都是以整周期或更长的数据段为单位进行频谱变换和分析，因此所得的特征无法准确反映出电弧半周特征，并不适于作为电弧半周检测的频域特征判据。如文献“航空交流故障电弧特性的研究，低压电器，2011,Vol2,p19-23”中对含有电弧的电流整周期的频域特征进行了分析，得出以电弧电流直流分量、3次谐波分量和高频分量(10-50kHz)变化来识别故障电弧的结论。文献“串联型故障电弧信号的研究与诊断，刘华”则对连续50个周期进行FFT变换并在此基础上进行特征分析。专利“CN201510377279交流固态功率控制器快速电弧故障检测数据预处理方法”提出的对采样得到的半周期序列进行“半周期反平移”法可以对半周期进行整周期延拓并且能够保留电弧的半周期的特征。这种方法是电弧的半周期频域特征分析与检测判据形的一个基础。“半周期反平移”的实施方法如下：假设新构造的N点周期的电流数据为Awhole＝a[1]～a[N]，前N/2个点，即Aformer＝a[1]～a[N/2]为实际电流采集数据，则构造的后N/2个点，即Alatter＝a[N/2+1]～a[N]满足式下式：式中，为新构造波形的后个点，为实际电流波形的前个点。许多文献都提出了采用频域方法来检测电弧,经过FFT变换后，找出电弧频域的特征所在频段的特征值设置阈值进行处理。然而其所采用特征值形式却往往缺乏归一化特性，结果常常是如果采样频率不同，FFT点数不同，甚至或是电流值不同，则阈值需重新设置，降低了算法的适用范围。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题：提供一种具有广泛适用性的交流电弧频域检测方法。本专利技术的技术方案：一种交流电弧频域检测方法，其特征在于所述的方法包括如下步骤：步骤一，以某一采样率fs采样交流电流波形，取半周期上N个采样点的幅值，按“半周期反平移”方法将所取半周期扩展为包括2*N个采样点的整周期；步骤二，对步骤一中得到的整周期波形进行N-FFT点的FFT分析，FFT分析点数大于等于2*N；步骤三，计算步骤二中FFT分析得到的第7次至第25次谐波之间的各频率点的能量含量之和占谐波总能量的百分比；步骤四，若步骤三中计算得到的能量百分比大于设定阈值，则判断发生了电弧事件，所述的阀值为0.0085-0.015；若100ms内电弧事件发生达到8次，则认为发生了电弧故障。优选地，采样率fs大于等于200KHz。优选地，使FFT分析点数为2的整数次幂。优选地，将交流电流的能量谱密度作为各频率点上的能量。本专利技术的有益效果：以电弧的半周期为单位进行频域特征分析并结合试验结果选取特征频带判据，更符合电弧的本质特征，提高了电弧故障的检测精度；采用特征频带能量百分比达到归一化效果，可适应多种采样率、FFT点数和电流幅值，扩展了适应性。附图说明图1为本专利技术的实施流程图；图2为实际电弧的端电压与电弧电流波形；图3为建模构造出的理想不同起弧电压下的电弧电流波形；图4为3组理想电弧电流的FFT分析结果；图5为3组实际电弧电流的FFT分析结果；图6为2组实际正常电流的FFT分析结果；图7为实施例1的特征值D与检测结果，其中1代表发生了电弧事件，0代表未发生电弧事件；图8为实施例2的特征值D与检测结果，其中1代表发生了电弧事件，0代表未发生电弧事。具体实施方式本专利技术以某一采样率对电弧电流进行采样，取电弧电流半周期内的N个采样点值，按“半周期反平移”进行整周期延拓后进行FFT分析，通过对电弧电流的波形模拟与实验数据综合选择7到25次谐波之间为电弧特征频带，计算7次谐波至25次谐波之间的能量含量的百分比，若该值大于设定的阈值则认为所检测的半周期发生了电弧，电弧的事件发生次数加1。若连续的100ms内电弧事件发生的次数达到8次，则判定为发生了电弧故障，上传电弧故障标志信号给SSPC的主控模块或直接切断回路。本专利技术的电弧特征判据代表电弧的半周期特征，更符合电弧的本质特性，因此可以提高检测精度；采用的能量含量百分比方法实现了归一化，适用于不同的采样频率、不同FFT点数以及不同电流幅值，扩展了该专利技术的适用性。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种交流电弧频域检测方法，其特点是采用以下步骤：步骤一、以某一采样率fs采样交流电流波形，为了保证在航空交流400Hz电源供电下，所采集到的电流信号中不丢失电弧的特征信息，fs应大于等于200KHz。取半周期上的N个采样点的幅值，按“半周期反平移”方法将所取半周期点展为2*N点的整周期。步骤二、对步骤一中得到的整周期波形进行N点的FFT分析，其中FFT的分析点数应大于等于2*N，为了提高运算速度可以使FFT的分析点数为2的整数次幂。步骤三、计算步骤二中FFT分析得到的第7次至第25次谐波之间的各频率点的能量含量之和占谐波总能量的百分比；(1)按照以下方法原理确定了电弧的特征频段为7次谐波至25次谐波之间：观察电弧端电压和电流波形，总结如下结论：电弧在燃弧时端电压基本维持在15V左右，起弧时电压约大于15V，燃弧后当端电压小于约15V则电弧熄灭，如附图1。那么假设起弧和熄弧电压为15V，燃弧时电弧两端电压为15V，负载电阻Rload＝1Ω，电源电压记为Vs，则流过电弧的电流Iarc可以表达为：类似的，可以改变起弧电压为30V、50V。按照上述公式绘制电弧电流波形，如附图2，与附图1中的实际电弧电流波形形状基本吻合。对建模构造出的理想电弧电流波形进行FFT分解，如附图3，得到如下结论：如果起弧电压为15V，大约在35次谐波(14K)之前，奇次谐波含量随着谐波次数的增加而减小；从35次谐波到大约200次之间，频谱以34为周期产生奇次谐波的震荡，随着起弧电压的提高，基波分量减小，第一次波谷的位置提前，振荡周期减小，且谐波含量更高。对实际电弧电流波形进行FFT分析，如附图4，与理想的频谱趋势大致吻合，可以看出有一些波形的高频分量的周期振荡性并不明显，而某些正常电流的频谱也可能由于环境干扰等原因使谐波含量较高(例如附图5中第3组电弧电流与附图6中第2组正常电流相比高频分量相近，无比较明显的高分量特征)，甚至在高频部分可能超过电弧故障值，而正常波形的畸变也往往在基频附近的低谐波段上产生较大影响(例如附图5中第3组电弧电流的低频谐波分量略小于附图6中第1组正常电流)。因此选择分量比较大的第一波谷之前、离本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种交流电弧频域检测方法，其特征在于所述的方法包括如下步骤：步骤一，以某一采样率fs采样交流电流波形，取半周期上N个采样点的幅值，按“半周期反平移”方法将所取半周期扩展为包括2*N个采样点的整周期；步骤二，对步骤一中得到的整周期波形进行N‑FFT点的FFT分析，FFT分析点数大于等于2*N；步骤三，计算步骤二中FFT分析得到的第7次至第25次谐波之间的各频率点的能量含量之和占谐波总能量的百分比；步骤四，若步骤三中计算得到的能量百分比大于设定阈值，则判断发生了电弧事件，所述的阀值为0.0085‑0.015；若100ms内电弧事件发生达到8次，则认为发生了电弧故障。

【技术特征摘要】
1.一种交流电弧频域检测方法，其特征在于所述的方法包括如下步骤：步骤一，以某一采样率fs采样交流电流波形，取半周期上N个采样点的幅值，按“半周期反平移”方法将所取半周期扩展为包括2*N个采样点的整周期；步骤二，对步骤一中得到的整周期波形进行N-FFT点的FFT分析，FFT分析点数大于等于2*N；步骤三，计算步骤二中FFT分析得到的第7次至第25次谐波之间的各频率点的能量含量之和占谐波总能量的百分比；步骤四，若步骤三中计算得到的...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏佳，曾庆兵，陈钰文，刘斌，
申请(专利权)人：上海航空电器有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31