[发明专利]基于滑动DFT的串联直流电弧故障识别方法

说明书

技术领域

本发明涉及领域，特别是一种基于滑动DFT的串联直流电弧故障 识别方法。

背景技术

随着电力电子技术的飞速发展，直流供电系统在航空航天、船舶 和智能电网等领域得到大量应用。与交流供电系统相比，直流系统无 需对电压的相位和频率进行跟踪，也无需考虑线路涡流损耗，易于实 现电能的高效传输，受到国内外学者的广泛关注。然而，由于直流电 流不存在过零点，当直流系统因线路绝缘破坏、金属接头松动等原因 发生直流电弧故障时，直流电弧很难自行熄灭，极易造成火灾事故。 直流电弧分为并联电弧和串联电弧两种类型，并联电弧电流一般大于 回路的正常工作电流，系统中的过电流保护装置可以切除此类故障； 而串联电弧电流因受线路负载限制，其电流值相对较小，通常在30A 以下，传统的过电流保护装置无法实现对串联电弧故障的有效保护， 危及系统安全。因此，研究直流串联电弧特性及其故障识别方法对保 障直流供电系统安全稳定运行具有重要意义。电弧故障识别的关键在 于能否尽早检测出电弧故障并尽快切断电路，避免电弧持续燃烧造成 严重后果。电弧发生时会伴随声、光、电、磁等不同的物理特征，目 前大多利用电弧电压、电流的时域或频域特征进行故障识别。文献研 究了电源电压、负载电流、电极间隙等因素对直流电弧伏安特性的影 响，提出了一种基于时域分析和小波变换的混合式直流串联电弧故障 检测方法。文献通过分析电源电压输出波形在相应时间窗内的脉冲特 性，指出电弧电流的高频分量主要集中在10-200kHz的频率范围内， 并据此提出了一种基于电源电压输出突变的故障电弧时域检测方法。 文献研究了空气放电条件下电极材料和电流大小对直流电弧电弧电 流高频分量的影响，结果表明阴极材料的熔点越高(如石墨)，电弧 电流的高频分量越少，且电弧电流的高频分量随电流增大而减小。上 述直流电弧故障识别方法采用FFT、小波变换等数字信号处理技术， 实现了串联直流电弧故障识别，但这些检测方法运算较为复杂，在满 足信号处理实时性要求的前提下，对硬件性能要求较高。利用直流 电弧模拟实验平台采集串联直流电弧电压、电流数据，重点分析电弧 电流的时域和频域特征。根据直流电弧的特征频率，采用滑动DFT算 法对电弧电流进行实时频谱分析，实现电弧故障的准确识别。

2实验平台搭建与数据采集

参照美国UL1699B-2011标准设计了串联直流电弧发生装置，该装 置包括一个固定电极和一个移动电极，电极材料均为直径6.35mm铜棒。 由于电弧烧蚀，每次实验前必须将铜棒表面进行打磨处理，以保证实 验的准确性。移动电极在步进电机和丝杠机构的带动下进行水平运动， 当两个电极拉开一定距离时，两极之间的电场使空气击穿并维持高能 量放电，从而产生直流电弧。该装置可以模拟实际直流系统中连接松 动、接触不良等情况下的串联直流电弧故障。该实验线路由直流电压 源、电弧发生装置和负载电阻串联而成。直流电压源的输出电压范围 为0-450V，回路负载电流的调节范围为0-30A，能够模拟航天、电动 汽车等直流系统的典型电压等级与负载电流值。实验中采用横河DL750 示波记录仪记录实验数据，该记录仪具有10通道高压隔离输入模块， 峰值输入电压可达850V。电弧电流通过霍尔电流传感器采集，电弧电 压则直接由记录仪采集。由于电弧电流的高频分量一般在100kHz以内， 实验数据采样率取为2MS/s，数据采样时间0.5s。为研究不同电源电 压和负载电流条件下故障电弧高频特征的变化规律，分别采用200V、 300V两个电压等级以及3A、4A、5A三个负载电流等级进行实验。

3直流电弧电流的时域和频域特征

相较于电弧产生的声、光等其他物理量，电弧电流具有与检测位 置无关、不受障碍物影响且便于测量等诸多优点而被广泛用于电弧故 障诊断。在电弧燃烧过程中，由于电极材料的燃烧、蒸发和电弧电流 很大时本身所产生的磁场等因素，电弧电流波形持续变化，使电弧电 流具有脉冲特性。图2为电源电压300V、负载电流6A条件下电弧电流 波形的变化过程，可以看出在燃弧起始阶段电弧电流呈现脉冲变化， 电流幅值变化范围为5.6A-6A，脉冲阶段持续时间约50ms。电弧电流 的脉冲变化过程表明此时弧隙间的空气被反复击穿，电弧通道尚未稳 定建立。当电弧稳定燃弧后电流脉冲随即消失。