一種間歇性串聯型故障電弧識別技術的製作方法

2024-02-07 12:04:15

本發明涉及故障電弧保護技術，尤其是一種涉及間歇性交流串聯型故障電弧識別方法的技術。
背景技術：
：故障電弧分為並聯型故障電弧和串聯型故障電弧。並聯型故障電弧主要由漏電故障引起；串聯型故障電弧主要由電力線路的虛連、電纜材料絕緣老化、接線不規範、器件質量不合格及外力損傷等引起。並聯型故障電弧可由漏電保護裝置診斷；由於串聯型故障電弧的電流幅值小於或等於負載正常電流，處於斷路器額定電流範圍內，因此不會被傳統的保護裝置檢測到，而傳統保護裝置的檢測盲區使串聯型故障電弧成為引發電氣火災的主要原因。據統計，由電氣故障引發的火災損失佔我國總火災損失的33%左右。由此可見，串聯型故障電弧的有效識別已成為提高供電可靠性、防止電氣火災發生的關鍵問題。美國保險商實驗室在1999年制定了ul1699《故障電弧斷路裝置安全標準》。國內對故障電弧的研究工作相對較晚，我國在2014年發布了電氣火災監控系統的標準gb14287.4-2014，其中對故障電弧的識別問題做了相關定義。近年來，國內外學者針對穩定故障電弧的識別問題做了大量的研究工作：①依據電弧發生時產生的弧聲、弧光等物理效應來診斷故障電弧；②依據電弧發生時電弧電壓信號的突變及電弧電流的零休現象診斷故障電弧；③採用小波變換、短時傅立葉變換等與神經網絡或支持向量機結合，依據發生故障電弧時，電弧電壓或電弧電流信號頻譜的變化、各次諧波的變化診斷故障電弧。方法①不適用於對發生位置未知情況下故障電弧的檢測。當電弧發生位置未知時方法②中電壓的突變無法檢測，大量大功率電力電子器件的使用已使零休不能作為電弧發生的檢測依據。方法③雖然在一定程度上能夠識別故障電弧，但沒有考慮操作電弧與故障電弧的區別問題。發明人在研究中發現，在發生串聯型穩態故障電弧之前往往伴隨著間歇性不穩定串聯型故障電弧，間歇性故障電弧持續時間與操作電弧相近，一般不超過5個周期。因此，有效的區分操作電弧與間歇性故障電弧，並將間歇性故障電弧做為將發生穩態故障電弧的預警將具有重要意義。技術實現要素：(一)要解決的技術問題為了解決操作電弧與間歇性串聯型故障電弧燃弧時間都較短不易區分的問題，本發明提供了一種基於小波包信息熵與k均值聚類算法判斷有無電弧，通過求相鄰兩周期電流信號導數最大值比值閾值識別操作電弧與間歇性串聯型故障電弧的方法，其特徵在於，具體步驟如下：1）以自行研製的ac220v串聯型故障電弧實驗平臺為基礎，開展阻性負載、阻感性負載的串聯型故障電弧模擬實驗及接觸器合閘操作電弧實驗。故障電弧實驗主電路包括依次連接的交流電源、斷路器、電弧發生器、負載。合閘操作電弧實驗主電路包括交流電源、接觸器、斷路器、負載。負載主要包括800w燈泡、1600w燈泡、2.2kw空載三相異步電動機。2）對燃弧前後各5周期電流信號進行4層小波包分解，求取小波包四層分解後16個頻段的信息熵值。3）對正常運行、發生間歇性故障電弧、合閘操作電弧時的信息熵值進行k均值聚類分析。4）通過k均值聚類結果識別出正常電流信號及電弧電流信號。5）對k均值聚類結果中的電流信號進行求導處理，求操作電弧及間歇性故障電弧相鄰兩周期電流信號導數值比值的閾值，並作為操作電弧及間歇電弧的診斷條件。6）建立間歇性故障電弧診斷判據。本發明提供的基於小波包信息熵、k均值聚類與相鄰兩周期電流信號導數值比值最大值閾值相結合的間歇性串聯型故障電弧識別方法,解決了操作電弧與間歇性串聯型電弧的誤判問題，提高了間歇性串聯型故障電弧識別的準確性，並可對將要發生的穩定故障電弧做出預警，該發明對線性負載的間歇性故障電弧診斷具有普遍適用性。附圖說明圖1是本發明的故障電弧實驗電路圖；圖2是本發明的合閘操作電弧實驗電路圖；圖3是本發明labwiew數據採集程序框圖；圖4是本發明的4×200w燈泡正常工作電流波形；圖5是本發明的8×200w燈泡正常工作電流波形圖；圖6是本發明的2.2kw三相異步電動機正常工作電流波形圖；圖7是本發明的4×200w燈泡合閘操作電弧電流波形圖；圖8是本發明的8×200w燈泡合閘操作電弧電流波形圖；圖9是本發明的2.2kw三相異步電動機合閘操作電弧電流波形圖；圖10是本發明4×200w燈泡間歇性串聯型故障電弧電流波形圖；圖11是本發明的8×200w燈泡間歇性串聯型故障電弧電流波形圖；圖12是本發明2.2kw三相異步電動機間歇性串聯型故障電弧電流波形圖；圖13是本發明的4×200w燈泡串聯型故障電弧電流波形圖；圖14是本發明的8×200w燈泡串聯型故障電弧電流波形圖；圖15是本發明的2.2kw異步電動機串聯型故障電弧電流波形圖；圖16是發生合閘操作電弧、發生間歇性串聯型故障電弧時，小波包四層分解後各頻段信息熵情況；圖17是本發明兩排燈正常工作、發生合閘操作電弧、發生間歇性串聯型故障電弧時，小波包四層分解後各頻段信息熵情況；圖18是本發明2.2kw空載電機正常工作、發生合閘操作電弧、發生間歇性串聯型故障電弧時，小波包四層分解後各頻段信息熵情況；圖19是本發明典型負載正常工作、發生合閘操作電弧時，小波包信息熵聚類結果；圖20是本發明典型負載正常工作、發生合閘操作電弧、發生間歇性串聯型故障電弧時，小波包信息熵聚類結果；圖21是本發明的阻性、阻感性負載發生間歇性串聯型故障電弧的檢測判據。具體實施方式下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明。（一）、實驗電路設計1.主電路本發明依據ul1699標準研製了故障電弧模擬實驗裝置。故障電弧模擬實驗主電路如圖1所示。主電路由交流電源、斷路器、電弧發生器、負載構成。電弧發生器由靜止電極和移動電極組成。靜止電極為柱形銅棒，移動電極為錐形銅棒。首先實現兩個電極的良好接觸，然後通過步進電機平移移動電極與與靜止電極分開，當電弧發生器發生穩定電弧時，移動電極停止。電流互感器、電壓互感器將實時採集的電流信號通過信號調理電路送至數據採集卡。操作電弧主電路如圖2所示。主電路由交流電源、接觸器、斷路器、負載組成。其中以接觸器主觸頭在合閘時產生的電弧作為操作電弧，並通過信號調理電路採集電弧電流及電弧電壓最後送至數據採集卡。負載包括800w燈泡、1600w燈泡、2.2kw空載三相異步電動機。2.數據採集軟體設計本發明以ni公司生產的數據採集卡採集數據上載到一臺裝有labview2013專業版軟體的pc機上進行顯示存儲。數據採集labview軟體程序見圖3。其中1為電流信號時間序列，2電壓信號時間序列。通過本程序，可實現電流、電壓信號的採集及波形顯示。（二）、具體實驗方案具體實驗方案如表1所示：表1實驗方案實驗組別負載類型工作電壓/v工作電流/a1燈泡200w*42203.62燈泡200w*82207.23三相電機2kw（空載）3805.0（三）、間歇性串聯型故障電弧、操作電弧判據1.實驗電流信號採集圖4-圖15為labview採集的實驗電流信號。圖4-圖6所示為實驗過程中通過數據採集卡實時採集的800w燈泡、1600w燈泡、2.2kw空載電機正常運行時的電流信號。圖7-圖9為典型負載在發生合閘操作電弧時的電流信號。圖10-12為典型負載在發生間歇性故障電弧時的電流信號。圖13-圖15為典型負載發生穩定故障電弧時的電流信號。由圖4-圖15可以發現，操作電弧與不穩定故障電弧持續時間都較短，均在5個周期以內；負載在發生穩定故障電弧之前都發生了間歇性串聯型故障電弧，因此，可以以不穩定故障電弧作為發生穩定故障電弧的預警信號。2.小波包四層分解重構求各頻段信息熵對實驗負載電流信號在發生合閘操作電弧、間歇性故障電弧、弧後正常運行各5個周期的電流信號進行sym5小波包四層分解，並求取各頻段信息熵值。小波包分析是一種時頻解析度較高的信號分析方法，克服了小波分析在低頻段時間解析度較差、在高頻段頻率解析度較差的缺點。設信號為y(t)，則遞推公式如下：h(k)為高通濾波器組，g(k)為低通濾波器組。稱作正交小波包，為原信號在各種尺度上所有頻段的全部分解結果。令，則為信號對於尺度j在頻段k上的分解結果。本發明所用信息熵公式為式（2）中為重構信號的頻段數，為電流信號的時間序列，n為採樣點數。發明人對每種典型負載在正常運行、發生間歇性故障電弧、發生合閘操作電弧下各10組數據進行小波包信息熵計算，其中800w燈泡、1600w燈泡、2.2kw空載電機在正常運行、發生間歇性故障電弧、發生合閘操作電弧時的5周期電流信號的小波包信息熵如圖16-圖18所示。通過計算信息熵可見，負載在正常運行、發生間歇性電弧故障、發生合閘操作電弧時信息熵值發生了變化，即各頻段電流信號的幅值和能量均有所變化。3.小波包信息熵k均值聚類分析發明人對800w燈泡、1600w燈泡、2.2kw空載電機每種負載在正常運行、發生間歇性故障電弧、發生合閘操作電弧三種情況下的信息熵進行k均值聚類分析。分析結果如圖19-圖20所示，其中橫軸為樣本數，縱軸為分類結果。由圖19可知，k均值聚類可實現對電弧信號與正常運行信號的分類，識別率達97%；由圖20可知，k均值聚類無法實現對間歇性操作電弧與合閘操作電弧的分類。4.電流信號時間序列相鄰兩周期導數最大值比值計算為解決小波包信息熵k均值聚類無法實現對間歇性操作電弧與合閘操作電弧的分類問題，本發明取實驗方案中典型負載發生合閘操作電弧、間歇性不穩定故障電弧時各5組電流信號，對每組信號10周期時間序列進行分析，並求相鄰兩周期導數最大值比值，結果見表2。表210周期電流信號時間序列導數值最大值比值5.求間歇性串聯型故障電弧與合閘操作電弧閾值通過表2可知，間歇性串聯型故障電弧相鄰兩周期電流信號導數值最大值比值很小，最大值為1.46；合閘操作電弧相鄰兩周期電流信號導數值最大值比值較大，最小值為84.06。因此，相鄰兩周期電流信號導數值最大值比值可作為間歇性串聯型故障電弧與合閘操作電弧的診斷標準，即相鄰兩周期電弧電流信號導數值最大值比值若小於3，則為間歇性串聯型故障電弧；相鄰兩周期電弧電流信號導數值最大值比值若大於80，則為操作電弧。6.間歇性串聯型故障電弧判據建立本發明根據上述1-5條，建立間歇性串聯型故障電弧判據，見圖21所示。即首先根據電流信號時間序列進行小波包四層分解求取信息熵，然後對16頻段信息熵值進行k均值聚類分析，診斷是否發生電弧，接著對電弧電流信號求取相鄰兩周期導數最大值比值，通過閾值判斷是否發生間歇性電弧故障，最後，若發生間歇性電弧故障，則發生故障電弧預警信號，為診斷串聯型故障電弧發生做好準備。本領域技術人員應理解，任何負載通過小波包信息熵與k均值聚類及相鄰兩周期導數值最大值比值識別間歇性故障電弧及操作電弧均屬於本發明的保護範圍之內。當前第1頁12