一种利用频谱能量积分的串联直流电弧检测方法与流程

本发明属于电气工程领域，涉及一种串联直流电弧故障检测方法。

背景技术：

随着现代工业的进一步发展，直流系统被广泛应用于如航空航天、电动汽车等领域。在直流系统中，因接头松动及线缆老化等原因，会出现串联直流电弧故障。由于直流电流没有过零点，串联直流电弧故障产生后，不会自然熄弧，更容易引发火灾等危险。

串联直流电弧故障在直流系统中产生时，等效于在系统中串联一个非线性电阻，会使得系统中直流电流幅值降低，并且伴随串联直流电弧故障有高频分量产生。串联直流电弧故障的主要检测方式为通过检测回路电流的时域变化及频域幅值变化间接检测方式。利用电流探头来测量回路电流，进而分析回路电流中的频域，提取故障特征频带，以特征频带中特定频率幅值的变化来表征故障的产生。T.Taufik等人对80V及以下电压等级直流系统中产生的串联、并联型电弧故障的检测方法进行了研究，提出了一种基于电流中24.4-100kHz频带范围内频域幅值变化的直流电弧检测方法，并根据该方法制作了直流电弧故障检测装置。

但由于实际环境中电磁干扰较为严重，并且电气系统中正常开关动作及负载切换等正常操作也会使得电气回路中产生高频信号，因此仅基于串联直流电弧故障特征频带的频域幅值来检测串联直流电弧故障的方法区分度较小，需要提出一种新的具有更大区分度的检测方法。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明旨在发明一种利用频谱能量积分的串联直流电弧检测方法。利用频谱能量积分，可以提高电气系统中串联直流电弧故障与正常操作的特征信号区分度，有效检测串联直流电弧故障的产生。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种利用频谱能量积分的串联直流电弧检测方法，包括以下步骤：

1)在直流系统中，测量直流输出侧回路电流，测得的回路电流加以带通滤波；

2)对带通滤波后回路电流在1—20ms时间窗内做快速傅里叶变换FFT，得到回路电流的频谱；

3)在串联电弧故障特定频带1-100kHz范围内进行回路电流频域幅值的平方和计算，即为计算故障特定频带范围内能量积分值，当直流系统中发生串联电弧故障时，故障前后该特定频带范围内能量积分值会出现增大，若故障特定频带范围内能量积分值出现增加且超过阈值，则认为串联直流电弧故障发生。

所述测得回路电流需要进行带通滤波，通带范围为1-100kHz。

所述的检测能量积分值为1-100kHz频带范围内回路电流频域幅值的平方和。

所述的检测判据为，当1-100kHz频带范围内能量积分值出现增加且超过阈值，则认为串联直流电弧故障发生。

本发明的有益效果在于：

1.利用频谱能量积分的原理检测串联直流电弧故障产生，原理简单易行，通过对电流频谱中故障特征频带进行能量积分，再与预先设定阈值进行比较即可；

2.利用频谱能量积分可以提高检测区分度，避免系统中正常操作及环境因素的干扰，防止造成误判，漏判。

附图说明

图1是本发明的利用频谱能量积分检测直流电弧故障的流程图；

图2是串联直流电弧故障产生前后频谱图；

图3是本发明中串联直流电弧故障产生前后频谱能量积分随频率变化图；

图4是本发明中串联直流电弧故障产生前后频谱能量积分随时间变化图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明进行详细的描述。

本发明所述的利用频谱能量积分的串联直流电弧检测方法，在直流系统中，测量回路电流，给测得的回路电流加以带通滤波，通带范围为1-100kHz。并对带通滤波后回路电流在一定时间窗内做快速傅里叶变换(FFT)，得到回路电流的频谱。在串联电弧故障特定频带(1-100kHz)范围内进行回路电流频域幅值的平方和计算，即为计算故障特定频带范围内能量积分值。当直流系统中发生串联电弧故障时，故障前后该特定频带范围内能量积分值会出现增大。若故障特定频带范围内能量积分值出现增加且超过阈值，则认为串联直流电弧故障发生。

根据前期对电弧电流进行频域频谱分析，可以发现电弧电流的特征频带主要为1-100kHz，因此选择1-100kHz频带范围为检测范围；

如图1所示，利用频谱能量积分的串联直流电弧故障检测流程可以分为以下几步：

1)利用电流探头检测直流输出侧回路电流；

2)给测得回路电流加以带通滤波，通带范围为1-100kHz；

3)对时间窗tN内滤波后回路电流进行FFT；

如图2所示，串联直流电弧故障产生后，回路电流在1-100kHz频带范围内幅值增加。

4)计算tN内回路电流特征频带(1-100kHz)内频域幅值平方和SN(即为能量积分)；

如图3所示，串联直流电弧故障产生后，回路电流特征频带内频域幅值平方和远大于电弧故障产生前频域幅值平方和，区分区间范围较大，能够有效避免干扰因素的影响。

5)若SN大于SN-1并且SN大于阈值St，则表明回路中发生了串联电弧故障。其中阈值St根据实际电气回路中检测得到的数据进行选定，且与具体电气回路有关。

本实施例中，选择直流电源为48V锂电池，直流负载为12.5Ω电阻，利用电弧产生装置来产生串联直流电弧；

本实施例中，数据采集使用泰克公司的TCPA300型号电流探头，电流探头带宽为DC-100MHz，示波器采样频率f＝200MHz，采样时间100ms，采样点数20M；

本实施例中，利用电流探头检测锂电池正极输出侧电流；

本实施例中，在10ms时人为操作电弧产生装置，使直流回路中产生串联直流电弧故障；

本实施例中，带通滤波通带范围为1-100kHz；

本实施例中，时间窗选择为5ms，从0ms开始计算1-100kHz频带范围内回路电流频域幅值平方和；

如图4所示，回路电流1-100kHz能量积分在15ms处的值相比于在10ms处的值出现明显增大，则认为在10-15ms期间发生串联直流电弧故障。