基于周波分析法的串聯型故障電弧診斷技術

朱　森　孫　鵬

（沈陽工業大學特種電機與高壓電器實驗室，沈陽　110870）

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基于周波分析法的串聯型故障電弧診斷技術

朱森孫鵬

（沈陽工業大學特種電機與高壓電器實驗室，沈陽110870）

摘要為了研究串聯型故障電弧的特性，快速檢測出電力線路中發生的電弧故障，及時切斷故障線路,筆者提出一種利用周波分析法速檢測故障電弧的診斷方法。根據電力線路發生串聯故障電弧時，線路電流的周波有不規則特點，通過該方法計算相鄰電流周波間的差異值并提取畸變信號，從而判斷電力線路中是否存在故障電弧。本文對不同類型典型負載進行故障模擬實驗，對故障電弧實驗數據進行收集分析，驗證了該方法的有效性和可靠性。

關鍵詞：故障電弧；波形分析；實時診斷；故障識別

隨著居民用電量的不斷增長，用電設備也隨之增加，電力系統的構成呈現出復雜化的特征，故障的多發性也是帶來的重要后果之一。由此產生的電氣火災也成為不容忽視的問題。

國內外學者對故障電弧特性，提出兩類診斷方法：①通過對電流的波形來判斷線路中是否存在故障電弧。即通過故障電弧電流發生時電力線路中是否存在的突變點來檢測故障的特征量作為判斷依據[1]；②針對發生故障電弧時伴隨的非電量作為判斷依據。目前主要使用傳感器對故障電弧的電磁效應和物理效應特征進行檢測。但是在實際應用場合，由于無法定位故障電弧發生的位置，而且傳感器造價成本過高成為該方法的局限[2-3]。

1　基于周波分析法理論的故障電弧診斷方法介紹

發生故障電弧時，由于線路電流相對較小，產生的故障電弧電流也很小,故障的隱蔽性比較強[4]。類似于斷路器等傳統的電路保護設備，對檢測電流數值大小是否超標來判別線路故障，但是缺陷不能判別是否發生故障電弧，進而對線路進行保護動作。

為了判斷線路中是否發生故障電弧，一般對電力線路中的電流信號進行采集。當發生電弧時，電力線路中的電流波形由于受到故障電弧的影響而發生畸變，過零點附近一般會發生“平肩”或者等現象[5]，因此，本文提取發生電弧時的電流信號，然后通過周波分析法來判斷線路是否發生故障電弧。

周波分析法是分析電流信號一個周期，對相鄰周波同一位置的采樣點進行差值比較。為了區分故障電弧和隨機干擾，本文選取三個相鄰的周波進行分析[6-7]。通過該方法檢測故障電弧有較高的實時性和有效性且對硬件要求小。

2　周波分析法原理

由于串聯型故障電弧保護電器對實時性和快速性有一定的要求，周波分析法取一個完整的周波總的采樣點數為N，分別采集相鄰的兩個周期的采樣點。對兩個采樣序列做差。相鄰兩個周波的對應采樣序列分別記作Yk?1，Yk。其中k是任意選取的一個測量周期。則對應采樣序列的差值Zk：

周波分析法首先對上式得到電流采樣周波Zki的每個采樣點平方，把得到的值依次累加，當累加完一個周期時，最后除以N后開方，從而得到這個采用序列的均方差。

式中，g在理論上為零，但實際應用場合中存在隨機性干擾，g值雖然不為零，但也非常接近零。為了增加發生故障時的判斷閥值準確性，對周波分析法對g值進行歸一化，計算第IN個周期采樣序列每個采樣點平方的平均值。

周波分析法計算一個平穩度g值和d值需要連續兩個周期做差值，因此需要采集連續的兩個周波計算平穩度。

周波分析法診斷電弧以檢測到g值和d值的結果診斷是否出現故障電弧。g值和d值若大于所設閾值g1值和d1值，累加器加1。一般情況下，通過檢測g值，就可以判斷是否出現電弧。為了排除負載和干擾因素，又加入d值對平穩度進行雙特征判別，g值的本質是根據采樣點的波動幅度來判別是否發生故障。

3　實驗與分析

本文通過實驗平臺來模擬故障電弧的發生過程，在研究中主要針對串聯型故障電弧模擬實驗，如圖1所示，圓柱形的靜觸頭制作材料為銅，起到固定電極的作用；尖端形的動觸頭制作材料為石墨電極，在不同的典型負載下通過該實驗平臺裝置進行故障電弧模擬實驗。

圖1　故障電弧發生裝置平臺示意圖

根據周波分析法理論計算正常環境和故障電弧環境下的計算g值和d值。本文分別選取故障電弧環境和正常環境下4個完整的電流周期通過計算后得出3個g值和d值進行分析。

3.1電阻性負載實驗

電阻性負載下正常工作環境和典型故障電弧下的電流波形如圖2所示，負載電阻30Ω，電流有效值為0.23A，工作頻率50Hz，四個周期采取8192個采樣點，采樣頻率30kHz。由圖1可以得知電阻性負載正常工作環境的電流波形為規則的正弦波，故障電弧的電流波形波動較大。主要表現為高次諧波增加、電流幅值下降和明顯的“零休”現象。

圖2　線性負載電流波形

表1是電阻性負載分別工作在正常環境和典型故障電弧環境下兩種情況，采集4個連續的電流周期，并且計算得到的3個g值和d值，由表1得出正常工作環境下g值在9.8352e-05到1.1110e-04之間，d值在0.0026到0.0065范圍內波動。故障電弧環境下，g值和d值超過正常的工作環境下兩個數量級左右。

表1　電阻性負載下運行的g值和d值

3.2阻感性負載實驗

阻感性性負載下正常工作環境和典型故障電弧下的電流波形如圖2所示，負載電阻為30Ω，電感1mH，電流有效值為0.58A，工作頻率50Hz，4個周期采取8192個采樣點，采樣頻率30kHz。

通過圖3分析，阻感性負載正常工作的電流波形與線性負載正常工作時相差明顯，非線性負載正常工作時波形不是正弦波，但是電流波形是規則連續的。

阻感性負載產生故障電弧時，其電流波形出現對稱度下降而且幅值變小，“零休”線性明顯，電流幅值波動較大，“平肩”的過程相比正常的工作環境更長，這是因為儲能元件有助于電弧穩定燃燒。

圖3　阻感性性負載電流波形

表2分別是負載在正常運行和典型故障電弧下的g值和d值，由表2可以看出正常工作的電流g值的范圍在8.7017e-04到1.4918e-04之間，d值的變化范圍在0.0023到0.0062之間。而發生故障電弧時，g值電流g值的范圍在0.0173到0.0607之間，d值的范圍在0.1062到0.1084之間，明顯超過正常的工作環境。

表2　阻感性負載下運行的g值和d值

通過以上分析，在發生故障電弧時，相同負載下的g值和d值有很大的區別。負載正常工作時g 在0.0010之下，d在0.0070之下穩定波動，而發生故障時g值和d值比正常工作環境下大兩個數量級左右。通過g值和d值可以判斷出線路是否發生故障電弧。因此，可以設定觸發的閥值g= 0.0010，d= 0.0070。為避免電力線路中的波動，例如負載電流變換、電流頻率波動等導致的g值和d值的變化而引起保護機構誤動作，設定如果連續三周期內g值和d值全部都大于預設定閥值后，保護機構進行動作。

4　結論

本文提出了一種利用電流波形比較理論比較連續周期的差值平穩度，對電阻性性負載和阻感性負載進行大量試驗，分析故障電弧電流數據，實驗結果表明周波分析法是一種具有實時性和可靠性的串聯故障電弧診斷方法，適用于單片機故障電弧保護電器，達到快速有效檢測串聯型故障電弧的目的。

參考文獻

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[3] 楊藝, 董愛華, 付永麗. 低壓故障電弧檢測概述[J].低壓電器, 2009(5): 1-4, 27.

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[5] 孫鵬, 佟雅林, 秦猛. 基于網格分形理論的串聯故障電弧檢測診斷技術[J]. 低壓電器, 2013(1): 56-60.

[6] 孫志杰. 波形對稱原理的變壓器差動保護[J]. 電力系統自動化, 1996, 20(4): 42-46.

[7] 藍會立, 張認成. 基于小波分析的故障電弧伴生弧聲特征提取[J]. 電力系統及其自動化學報, 2008, 20(4): 57-62.

The Series Fault Arc Detection Method based on Cycle Analysis

Zhu SenSun Peng
(Special Motor and High Apparatus Laboratory, Shenyang University of Technology, Shenyang110870)

Abstract In order to analysis and research the characteristics of series fault arc and detect the fault arc occurring in power line in a fast way as well as cut off the fault line immediately, the author puts forward a diagnostic approach which takes use of cycle analysis to detect the fault arcs in a high-speed. Depending on the random characteristics of current cycle when series fault arc appears in electrical equipment or in the power circuit, the faulting arcs can be estimated by calculating the difference value between adjacent current cycles and picking up the distortion signal. A large number of experiments under different load conditions demonstrate that method have good diagnostic performance, in addition, it is simple and easy to implement. In short, it is a fast and effective method for diagnosis of series arc.

Keywords：fault arc; cycle analysis; rapid diagnosis; fault identification