CN110824320A - 直流电弧故障检测方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种直流电弧故障检测方法。对所保护直流线路进行电流采样，并通过电流与电压之间的传递函数将采样的电流信号转换为电压信号，再对所述电压信号中预设频段分量进行特征量提取，并利用所提取电压的特征量进行直流电弧故障检测，在所保护直流线路的末端设置有一个与负载并联的至少含有一个电容元件的终端单元，终端单元用于降低所保护线路在预设频段内的阻抗，从而增强电弧信号的识别度。本发明还公开了一种直流电弧故障检测装置。本发明利可降低所保护线路在预设频段内阻抗的终端单元，增强电弧信号的识别度，可对带有电感量较大负载的直流线路进行准确安全的电弧检测。

Description

直流电弧故障检测方法及装置
技术领域
本发明涉及一种直流电弧故障检测方法，属于电弧故障检测技术领域。
背景技术
随着电力电子技术的发展，直流供电技术越来越呈现出技术和经济优势，在能源变革背景下具有很好的发展前景。另外，直流供电应用广泛且在重要领域扮演不可或缺的角色，如大型直流光伏发电***、飞机供电***、汽车***、直流输电***。直流负荷(例如，LED灯，电动汽车，数据和计算中心等)的大量出现和快速发展，终端用户对高可靠和高质量电力的要求也越来越高，人们对直流配电的需求也会日益显现，直流供电具有很大的前景。
但是在直流供电***中，也会存在绝缘破坏、金属接头松动、元件老化，或者受到动物的啮咬等现象，可能引起***发生直流电弧故障，从而发生火灾隐患。直流电弧无交流电弧的周期性过零点特性，直流电弧一旦产生很难自行熄灭，比交流电弧具有更大的危害。因此，可靠的直流电弧故障检测技术，对保证直流供电***安全可靠运行具有重要意义。
直流供电***中，直流负载类型多样化，其电弧特性也会存在较大的差异性，特别是直流电机类负载自身电感量较大，会对回路中电弧电流高频信号滤波衰减，电感量愈大，衰减愈严重，会导致电弧电流信号的高频信号特征不明显，无可检性。
现有的直流电弧故障检测技术中，主要通过对电弧电流信号波形进行采集，利用FFT，HHT，小波等分析方法计算信号中预设频段(或称特征频段)的高频分量的时域特征或频域特征，并根据所提取的时域或频域特征来判断故障电弧。但是在负载自身电感量较大的回路中，由于电感的滤波特性，电弧电流高频信号会被滤波衰减，导致电弧电流的时域特征和频域特征变化量不明显，无法区分电弧信号与背景噪声。另外直流负载中的谐波一般含量较大，与电弧电流低频分量混叠一起难以区分。因此，任何现有基于电弧电流时频域特征的分析方法都无法有效检测出电感量较大负载下的直流电弧故障。
中国专利CN201710512191.3“一种利用并联电容电流检测低压串联直流电弧的方法与流程”，通过利用并联电容电流的变化率和频谱面积的变化量来检测串联直流电弧故障。该专利对于含较大电感量负载下的直流电弧故障检测存在以下缺陷：一是在感性负载回路中并联电容可能会引起LC或LCL谐振电流，导致回路***不稳定，甚至会对回路设备造成危害；二是对于多支路负载需要每个支路并联电容，每个电容电流都要进行测量，增加了***成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有基于时频分析的直流电弧故障检测技术无法对带有电感量较大负载的直流线路进行电弧检测的不足，提供一种直流电弧故障检测方法，可对带有电感量较大负载的直流线路进行准确安全的电弧检测。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种直流电弧故障检测方法，对所保护直流线路进行电流采样，并通过电流与电压之间的传递函数将采样的电流信号转换为电压信号，再对所述电压信号中预设频段分量进行特征量提取，并利用所提取电压的特征量进行直流电弧故障检测，在所保护直流线路的末端设置有一个与负载并联的至少含有一个电容元件的终端单元，所述终端单元用于降低所保护线路在预设频段内的阻抗，从而增强电弧信号的识别度。
优选地，所述终端单元为电容电路。
优选地，所述终端单元为电阻与电容串联电路。
优选地，所述终端单元为电容与电阻和电容的串联电路并联组成的网络。
优选地，所述传递函数为所保护线路的电流I与电压U之间的等效电路模型，为式中Z为终端单元阻抗，Zo为负载阻抗，L为所保护线路电感。
优选地，所述终端单元中的电容元件C根据所保护线路电感L和预设频段的上下限进行配置，其取值范围为
Figure BDA0002319021450000022
式中f1、f2为预设频段的下限和上限，L为所保护线路电感。
优选地，所述预设频段的下限f1取40kHz，上限f2取100kHz。
优选地，所述特征量为电压信号中预设频段分量的频谱能量。
根据相同的发明思路还可以得到以下技术方案：
一种直流电弧故障检测装置，包括用于对由所保护直流线路中的电流采样信号转换而成的电压信号中预设频段分量进行特征量提取的特征提取模块，以及用于利用所提取特征量进行直流电弧故障检测的故障检测模块；其特征在于，还包括用于降低所保护线路在预设频段内阻抗的终端单元，所述终端单元设置于所保护直流线路的采样点之后的负载侧且与负载并联。
优选地，所述终端单元为电容电路。
优选地，所述终端单元为电阻与电容串联电路。
优选地，所述终端单元为电容与电阻和电容的串联电路并联组成的网络。
优选地，所述传递函数为所保护线路的电流I与电压U之间的等效电路模型，为式中Z为终端单元阻抗，Zo为负载阻抗，L为所保护线路电感。
优选地，所述终端单元中的电容元件C根据所保护线路电感L和预设频段的上下限进行配置，其取值范围为
Figure BDA0002319021450000032
式中f1、f2为预设频段的下限和上限，L为所保护线路电感。
优选地，所述预设频段的下限f1取40kHz，上限f2取100kHz。
优选地，所述特征量为电压信号中预设频段分量的频谱能量。
相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：
本发明在现有基于时频分析的直流电弧故障检测技术基础上，利用设置于所保护直流线路末端且与负载并联的一个至少含有容性元件的终端单元，来降低所保护线路在预设频段内的阻抗，增强电弧信号的识别度；并进一步采用根据电流与电压之间的传递函数转换而来的电压特征替换传统的电流特征，从而实现对带有电感量较大负载的直流线路进行准确安全的电弧检测。
本发明技术方案实现方式简单，实现成本低廉；并可进一步通过一个至少含有容性元件的终端单元选取合适的参数，在实现感性负载线路中电弧电压信号检测的同时，还具有对电弧电压信号中混叠的低频和高频噪声分量具有一定的抑制作用。
附图说明
图1为现有技术的电路原理图；
图2为12mH和33mH阻感负载并联终端单元的U/I幅频特性图；
图3为本发明方法的电路原理图；
图4为本发明第一个具体实施例的电路原理图；
图5为本发明第二个具体实施例的电路原理图；
图6为本发明第三个具体实施例的电路原理图；
图7阻感负载并联终端单元的U/I幅频特性图。
具体实施方式
现有直流电弧检测技术的原理如图1所示，电弧故障保护断路器(AFDD)首先对被保护线路电流进行采样测量，再对采样得到的电流信号进行时、频域分析，并根据时频域特征来判断是否发生直流电弧故障，并在检测到电弧故障时及时断开电路。但当线路中的直流负载自身含有较大电感量时，如2.5kW直流有刷电机，测其电枢电感量达到了33mH，在该类负载回路中由于负载电感的存在，可形成单电感滤波器，因此回路中的电弧电流信号也会受电感滤波影响。图中，L为被保护线路的等效电感，Z0为负载阻抗。
图1所示电路的传递函数为：
Figure BDA0002319021450000041
现对电感量分别为12mH和33mH两种感性负载，通过上述传递函数进行U/I幅频特性对比分析，如图2所示，G_12mH为12mH感性负载线路阻抗幅频特性，G_33mH为33mH感性负载线路阻抗幅频特性。图中在1kHz频率点以上，33mH感性负载的线路阻抗增益要比12mH的大，图中在40kHz频率点时，两种感性负载的阻抗增益值相差8.5个dB左右，即相差2.66倍左右，并且两种的阻抗增益都达到69.5dB以上，频率点的越高其阻抗增益越大，即线路中含有的负载电感量越大，则线路中的各个频率点的阻抗增益就越大。线路阻抗增益越大对交流分量的滤波阻碍作用就越明显。因此，在含感性负载的回路中，会存在电弧高频信号会存在被电感滤波衰减的问题，电感量越大电弧高频信号被滤波衰减就越严重，甚至导致电弧电流信号频谱变化不明显。
根据直流电弧故障检测相关文献资料表明，现有直流电弧检测技术大多利用直流电弧电流高频信号中40KHz～100kHz频段来进行直流电弧故障的检测。但是由于含感性负载的回路中存在上述信号衰减问题，因此通过电弧电流该频段信号对于含有感性负载回路中的电弧故障无法有效检测出来。另外，直流电弧电流还存在相比直流电弧电压容易受外部因素干扰影响，并且与背景噪声信号混叠变化量相对小，严重时无法区分其变化量缺点。
针对现有基于时频分析的直流电弧故障检测技术难以对带有电感量较大负载的直流线路进行电弧检测的不足，本发明的解决思路是利用设置于所保护直流线路的采样点之后的负载侧且与负载并联的一个至少含有容性元件的终端单元来降低所保护线路在预设频段内的阻抗，增强电弧信号的识别度；并进一步采用根据电流与电压之间的传递函数转换而来的电压特征替换传统的电流特征，从而实现对带有电感量较大负载的直流线路进行准确安全的电弧检测；并可进一步通过终端单元选取合适的参数，在实现感性负载线路中电弧电压信号检测的同时，还具有对电弧电压信号中混叠的低频和高频噪声分量具有一定的抑制作用。
本发明直流电弧故障检测装置如图3所示，其包括用于对所保护直流线路线路侧的采样信号中预设频段的频率分量进行特征提取的特征提取模块，以及用于利用所提取特征进行直流电弧故障检测的故障检测模块；该装置还包括用于降低所保护线路在预设频段内的阻抗，增强电弧信号的识别度的终端单元，所述终端单元至少包含一个电容元件，所述终端单元设置于所保护直流线路的采样点之后的负载侧且与负载并联。如图3所示，电流互感器所采集的被保护线路线路侧的电流信号经过带通滤波器后，仅保留特征频段的频率信号，然后特征提取模块从中提取特征，故障检测模块利用所提取特征进行直流电弧故障检测，输出检测结果并根据检测结果控制线路中的开关。
直流电弧电流含有负载产生的谐波分量，相比直流电弧电压更容易受外部因素干扰影响，并且与背景噪声信号混叠变化量相对小，严重时甚至无法区分直流电弧信号变化量等缺点。而电弧电压信号可避免背景噪声、负载谐波信号对电弧检测信号的混叠影响，提高电弧检测的区分度，因此，优选地，所述采样信号为电流采样信号通过电流与电压之间的传递函数转换后的电压采样信号。
为了进一步降低感性负载对特征频段采样信号的滤波衰减的影响，实现对采样信号中的高频噪声和高次谐波进行有效抑制，优选地，所述终端单元中的电容元件根据所保护线路电感L和预设频段的上下限进行配置，其取值范围为
Figure BDA0002319021450000061
式中f1、f2为预设频段的下限和上限，L为所保护线路电感。
优选地，所述预设频段的下限f1取40kHz，上限f2取100kHz。
所述容性终端单元可以采用一个或多个电容组成的电容电路C，也可以采用由电容和电阻串联而成的RC串联电路，或者电容电路与RC电路并联而成的RC网络；考虑到电阻可以在电路中起阻尼作用，可避免因并联电容引起回路中产生LCL谐振，使谐振电流得到抑制，因此，优选地，所述容性终端单元由至少一个电容和至少一个电阻连接而成。
所述特征可以采用现有技术所使用的各种时频特征，优选采用采样信号中预设频段的频谱能量。
为了便于公众理解，下面通过几个具体实施例来对本发明技术方案进行进一步详细说明。
实施例一、
本实施例的直流电弧故障检测装置如图4所示，包括电容C、阻尼电阻Rd、电流互感器、带通滤波器、特征提取模块、故障检测检测模块，电容C和阻尼电阻Rd串联组成终端单元，本实施例中的线路负载为阻感性负载。如图4所示，电容C与阻尼电阻Rd串联后作为终端单元并联于被保护线路末端(负载侧)，电流互感器对被保护线路的电流进行测量，电流互感器测量得到的电流信号提供给带通滤波器，带通滤波器保留所述电流信号中的40～100kHz频段信号并提供给特征提取模块，特征提取模块通过电流与电压之间的传递函数把电流信号转换成电压信号，然后通过傅里叶变换得到电压信号频谱，并对电压信号频谱中40～100kHz频段作能量计算，或者特征提取模块通过傅里叶变换得到电流信号频谱，并对电流频谱中40～100kHz频段作能量计算，然后通过电流与电压之间的传递函数把电流频谱能量转换成电压频谱能量，故障检测模块根据频谱能量进行电弧故障判断，当计算的频谱能量变化量超过预设阈值时，则判定被保护线路发生直流电弧故障，输出报警状态信号并触发电气开关分断回路的辅助信号。如负载为2.5kW直流有刷电机时，通过相关仪器可测量其电枢等效电感量在33mH左右，线路的等效电感量一般很小，几十米线路的等效电感为uH级，可取10uH。根据所述终端单元的电容与负载的等效电感以及前级线路电感组成的LCL滤波器的谐振频率配置在所述预设频段之内的配置方法来确定所述终端单元的电容值。由于线路电感值一般远远低于负载等效电感值，也可以根据所述终端单元的电容与前级线路电感组成的LC滤波器的谐振频率配置在所述预设频段之内的配置方法来确定所述终端单元的电容值。
当取L＝0.01uH，Lo＝33mH，fres＝100kHz时，
按LCL谐振点配置方法，电容C可由公式
Figure BDA0002319021450000071
求解得到，即
Figure BDA0002319021450000072
按LC谐振点配置方法，电容C可由公式求解得到，即
Figure BDA0002319021450000074
两种配置方法的结果一样。
阻尼电阻Rd一般可根据谐振点电容阻抗得到，即
Figure BDA0002319021450000075
式中k可根据损耗和谐振点衰减程度综合考虑来取值。
其中，所述被保护线路中电流I与电压U之间的传递函数G为:
Figure BDA0002319021450000076
式中Zo为负载阻抗，C为终端单元中的电容元件，Rd为终端单元中的阻尼电阻，L为线路电感。
电压频谱能量计算公式为：
电压频谱能量计算公式也可以为：
Figure BDA0002319021450000078
电压频谱能量计算公式还可以为：
Figure BDA0002319021450000079
式中n是电压频谱中每个频段内频谱点总数，fn是电压频谱点的幅值。
电压频谱能量计算方法不仅限于上述三种计算方法。
实施例二：
LCL滤波器的谐振发生振荡主要是由电流中的谐波激励导致，当回路中负载的谐波电流较小，以及线路本身存在一定的等效阻抗，具有一定的阻尼作用，不至于LCL滤波器谐振产生激励导致振荡，该情况下可采用如图5所示的直流电弧故障检测装置，其包括电容C、电流互感器、带通滤波器、特征提取模块、故障检测检测模块，本实施例中的线路负载为阻感性负载。如图5所示，电容C作为容性终端单元并联于被保护线路末端(负载侧)，电流互感器对被保护线路的电流进行测量，电流互感器测量得到的电流信号提供给带通滤波器(图中为信号滤波单元)，带通滤波器保留所述电流信号中的40KHz～100KHz频段信号并提供给特征提取模块，特征提取模块通过电流与电压之间的传递函数把电流信号转换成电压信号，然后通过傅里叶变换得到电压信号频谱，并对电压信号频谱中40KHz～100KHz频段作能量计算，或者特征提取模块通过傅里叶变换得到电流信号频谱，并对电流频谱中40KHz～100KHz频段作能量计算，然后通过电流与电压之间的传递函数把电流频谱能量转换成电压频谱能量，故障检测模块根据频谱能量进行电弧故障判断，当计算的频谱能量变化量超过预设阈值时，则判定被保护线路发生直流电弧故障，输出报警状态信号并触发电气开关分断回路的辅助信号。
其中，被保护线路中电流I与电压U之间的传递函数H为：
Figure BDA0002319021450000081
式中Zo为负载的等效阻抗。
电容C的计算方法以及频谱能量计算与同实施例一，不再赘述。
实施例三：
本实施例是本发明直流电弧故障检测装置的另一种形式，如图6所示，其包括电容C、RdCd阻尼支路、电流互感器、带通滤波器、特征提取模块、故障检测检测模块，本实施例中的线路负载为阻感性负载，其中电容Cd的作用是减小流经电阻上的电流值，来达到降低阻尼损耗。如图6所示，阻尼支路由Rd与Cd串联组成，电容C与RdCd阻尼支路并联后作为容性终端单元并联于被保护线路末端(负载侧)，电流互感器对被保护线路的电流进行测量，电流互感器测量得到的电流信号提供给带通滤波器，带通滤波器保留所述电流信号中的40KHz～100KHz频段信号并提供给特征提取模块，特征提取模块通过电流与电压之间的传递函数把电流信号转换成电压信号，然后通过傅里叶变换得到电压信号频谱，并对电压信号频谱中40KHz～100KHz频段作能量计算，或者特征提取模块通过傅里叶变换得到电流信号频谱，并对电流频谱中40KHz～100KHz频段作能量计算，然后通过电流与电压之间的传递函数把电流频谱能量转换成电压频谱能量，故障检测模块根据频谱能量进行电弧故障判断，当计算的频谱能量变化量超过预设阈值时，则判定被保护线路发生直流电弧故障，输出报警状态信号并触发电气开关分断回路的辅助信号。
其中，被保护线路中电流I与电压U之间的传递函数H为:
Figure BDA0002319021450000091
式中Zo为负载的等效阻抗。
电容C的计算方法以及频谱能量计算与同实施例一，不再赘述。
图7所示为33mH阻感性负载并联含有电容0.22uf的终端单元与无终端单元的U/I幅频特性对比，其中G_L为无终端单元的负载线路阻抗幅频特性，G_LCL为阻感性负载并联含有电容0.22uf的终端单元后的线路阻抗幅频特性。由图的幅频特性曲线可知，在2.7kHz频率点以上，G_LCL并联含电容0.22uf的终端单元后的线路阻抗增益要比G_L未并联终端单元的要小；图中在40kHz频率点，并联终端单元后的阻抗增益为25dB，相比未并联终端单元的阻抗增益要低50dB；频率点越高，两者的阻抗增益值相差越大，并且在谐振点处阻抗增益差值达到最大。由此可以表明，并联含有电容的终端单元后，大大降低了所保护线路在预设频段内的阻抗，从而来增强电弧信号幅值，使其回到可测范围，增强电弧信号的识别度，从而减少或消除了感性负载对电弧信号的滤波衰减的影响。

Claims (16)

1.一种直流电弧故障检测方法，对所保护直流线路进行电流采样，并通过电流与电压之间的传递函数将采样的电流信号转换为电压信号，再对所述电压信号中预设频段分量进行特征量提取，并利用所提取电压的特征量进行直流电弧故障检测，其特征在于，在所保护直流线路的末端设置有一个与负载并联的至少含有一个电容元件的终端单元，所述终端单元用于降低所保护线路在预设频段内的阻抗，从而增强电弧信号的识别度。
2.如权利要求1所述直流电弧故障检测方法，其特征在于，所述终端单元为电容电路。
3.如权利要求1所述直流电弧故障检测方法，其特征在于，所述终端单元为电阻与电容串联电路。
4.如权利要求1所述直流电弧故障检测方法，其特征在于，所述终端单元为电容与电阻和电容的串联电路并联组成的网络。
5.如权利要求1所述直流电弧故障检测方法，其特征在于，所述传递函数为所保护线路的电流I与电压U之间的等效电路模型，为
Figure FDA0002319021440000011
式中Z为终端单元阻抗，Zo为负载阻抗，L为所保护线路电感。
6.如权利要求1所述直流电弧故障检测方法，所述终端单元中的电容元件根据所保护线路电感L和预设频段的上下限进行配置，其取值范围为
Figure FDA0002319021440000012
式中f1、f2为预设频段的下限和上限，L为所保护线路电感。
7.如权利要求6所述直流电弧故障检测方法，所述预设频段的下限f1取40kHz，上限f2取100kHz。
8.如权利要求1所述直流电弧故障检测方法，所述特征量为电压信号中预设频段分量的频谱能量。
9.一种直流电弧故障检测装置，包括用于对由所保护直流线路中的电流采样信号转换而成的电压信号中预设频段分量进行特征量提取的特征提取模块，以及用于利用所提取特征量进行直流电弧故障检测的故障检测模块；其特征在于，还包括用于降低所保护线路在预设频段内阻抗的终端单元，所述终端单元设置于所保护直流线路的采样点之后的负载侧且与负载并联。
10.如权利要求9所述直流电弧故障检测装置，其特征在于，所述终端单元为电容电路。
11.如权利要求9所述直流电弧故障检测装置，其特征在于，所述终端单元为电阻与电容串联电路。
12.如权利要求9所述直流电弧故障检测装置，其特征在于，所述终端单元为电容与电阻和电容的串联电路并联组成的网络。
13.如权利要求9所述直流电弧故障检测装置，其特征在于，所述传递函数为所保护线路的电流I与电压U之间的等效电路模型，为
Figure FDA0002319021440000021
式中Z为终端单元阻抗，Zo为负载阻抗，L为所保护线路电感。
14.如权利要求9所述直流电弧故障检测装置，所述终端单元中的电容元件C根据所保护线路电感L和预设频段的上下限进行配置，其取值范围为
Figure FDA0002319021440000022
式中f1、f2为预设频段的下限和上限，L为所保护线路电感。
15.如权利要求14所述直流电弧故障检测装置，所述预设频段的下限f1取40kHz，上限f2取100kHz。
16.如权利要求9所述直流电弧故障检测装置，所述特征量为电压信号中预设频段分量的频谱能量。
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