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CN116381427A - 一种基于能量和电流的直流电弧检测方法 - Google Patents

一种基于能量和电流的直流电弧检测方法 Download PDF

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CN116381427A CN202310239220.9A CN202310239220A CN116381427A CN 116381427 A CN116381427 A CN 116381427A CN 202310239220 A CN202310239220 A CN 202310239220A CN 116381427 A CN116381427 A CN 116381427A
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洪泽平
万波
胡文权
明昊
李�昊
吴任远
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Shanghai Aviation Electric Co Ltd
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Abstract

本发明公开了一种基于能量和电流的直流电弧检测方法，包括：通过模数转换器定时采集电流数据；利用处理器将未经处理的采样电流通过并联施密特触发算法获得并联过阈电流；利用处理器将未经处理的采样电流以及平均电流值通过串联施密特触发算法获得串联过阈电流以及更新平均电流数据；将并联过阈电流作为输入进入并联检测算法，在滑动时间窗内进行累计计数，能量计算并判断是否满足并联电弧触发的条件；将整流电流和滤波电流作为输入进入串联检测算法，在滑动时间窗内进行累计计数，能量计算并判断是否满足串联电弧触发的条件；只要并联电弧触发或则串联电弧触发，便视为检测到电弧。本发明方法仅需要较少的计算资源，极大的降低了算法的时间成本。

Description

一种基于能量和电流的直流电弧检测方法
技术领域
本发明涉及配电系统，尤其涉及航空领域的一种基于能量和电流的直流电弧检测的算法。
背景技术
长时间飞行以及高温高湿环境会导致器件电路老化，再加上环境腐蚀的恶化，从而引发串联电弧。飞机在复杂的气流条件下飞行，飞行时电气设备的振动是产生并联电弧故障的主要原因之一。当电弧放电发生时，会在极短的时间内产生高温，足以熔化电路和机载设备，这将对飞机飞行安全造成严重危害。目前，电弧故障是飞机故障的主要原因之一。因此，电弧故障检测是航空领域最紧迫和最重要的问题。
电弧是一种气体放电现象，是当电流通过一些绝缘介质时，如空气、塑料等，产生的瞬时火花。电弧故障有四种类型，包括直流并联电弧故障、直流串联电弧故障、交流并联电弧故障和交流串联电弧故障。通常情况下，串联电弧的电流不大，通过正常的漏电流检测或短路检测无法检测到串联电弧，但电弧可以持续很长时间，甚至长达几分钟。电弧的电阻将分压负载的电压，因此负载两端的电压将降低。如果负载具有恒定的输出功率，则降低的负载电压将导致线路总的电流值的增加，从而引起电火花和其他危险。
与串联电弧相比，并联电弧通常具有更大的电流，达到数百安培的水平。由于电流很大，容易产生高温，甚至引发火灾。虽然并联电弧的持续时间通常很短，但是其产生的高温容易导致导体变形、熔化，甚至爆裂，同时触发短路保护。
根据电极之间介质的性质和引弧方式，可以区分为三种类型的电弧，其中包括：因击穿而产生的非接触电弧、因爬电而产生的无接触电弧和接触电弧。在实验环境中有多种稳定产生电弧的方法，包括闸刀试验或点接触试验、湿电弧或盐水滴落试验、端子松动试验和碳化路径测试试验等。
虽然存在实验环境中稳定生成电弧进行测试的方法，但是电弧故障检测技术还不成熟。背后的主要原因主要可以归结为三个不同的方面：首先，在出现串扰、共源阻抗和电磁干扰等存在噪声的环境中可能无法检测到电弧故障。其次，许多机载负载，如电机负载、感应负载(白炽)或航空电子开关电源(空中数据计算机)等。这类负载存在极具干扰性的电器特性，包括具有大浪涌的高峰值的波形、小浪涌的高峰值的波形以及具有周期性谐波等。如果电弧检测算法将噪声误认为电弧故障，则可能导致非常严重的后果。第三，如果电弧检测算法本身太复杂或太不灵活，则会降低所在产品的运行效率并导致额外的成本。例如，一些电弧检测算法需要模拟电弧故障的完整的电器特性。结果使得算法需要额外的电弧故障特征，并增加了不必要的成本。
与专利EP3214453A1和专利号CN105474494B等专利相比，这些专利要么采用其他的输入信号，诸如电压值，或者使用频域分析对输入信号进行处理，要么需要专用的硬件设备，不具备普适性。这样做的缺点的是占用需要较高的处理器资源，同时也需要更多的硬件组件支撑。
发明内容
本发明目的在于：
解决现有技术不仅需要占用较高的处理器资源，还需要更多的硬件组件支撑。
本发明的主要技术方案为：
本发明涉及一种基于能量和电流的直流电弧检测的算法。适配该算法的设备至少具备模数转换器和微处理器。电弧故障检测过程主要包括三个步骤：首先，通过对输入电流进行整流和滤波，计算出平均参考电流，从而计算出规定的能量。其次，根据参考电流计算出电弧电流触发阈值和能量触发阈值，通过将输入电流与电弧电流触发阈值和能量触发阈值进行比较，计算累积触发次数。最后，分析并联电弧故障或串联电弧故障是否单独发生，并推论出电弧是否发生。
在设备方面，设备必须提供以数字信号的形式的输入电流的值。例如，可以通过具有脉宽调制器的模数转换器提供输入电流。分析过程发生在微处理器中，而结果可用于控制负载。
本发明的有益效果为：
本发明仅使用单一的电流信号作为输入信号，创新性地对输入信号在软件方面进行二次处理，将输入的电流值平方计算出能量。能量级别更能反映电弧的本质特性，整流电流反映的是电流的整体环境，降低误动作的概率；
本发明能够分析并获取满足电弧触发与整流电流值和能量的关系。当输入的整流电流值与能量满足特定关系时，便可以判定为电弧发生。此发明具备成熟的电弧故障检测能力。能量和整流电流的组合分析足以区分电弧故障和噪声负载。同时，软件只需要一种类型的电弧特征的的输入，即电流值。通过查表对照等方式，能极大的加快算法的运行速度，算法的运行时间成本，精度与抗干扰能力与电流采样的频率成正相关。因此，该方法仅需要较少的计算资源，极大的降低了算法的时间成本。
附图说明
图1根据本发明的电弧故障检测系统4的电气系统的示意图；
图2电弧故障检测系统4中的各个硬件组件的关系图；
图3电弧故障检测系统4中的具体的检测电弧故障的流程图；
图4图3中并联电弧检测算法S3的具体的电弧故障检测执行的流程图；
图5图3中串联电弧检测算法S4的具体的电弧故障检测执行的流程图；
图6电弧检测算法内的工作循环中的滑动窗口示意图；
图7电弧检测算法的触发曲线、能量和过阈电流事件数的关系图；
图8图4中电弧检测算法的结果分析流程图；
图9图5中电弧检测算法的结果分析流程图。
其中：电气系统100、发电系统1、配电系统2、负载3、电弧故障检测系统4、模数转换器41、处理器42和数据输出器43。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示意性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。但是，对于本领域的技术人员来说很明显的是，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明的更好的理解。本发明决不限于下面所提出的任何具体设置和方法，而是在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了结构、方法、器件的任何改进、替换和修改。在附图和下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以避免对本发明造成不必要的模糊。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明实施例及实施例中的特征可以互相结合，各个实施例可以相互参考和引用。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
图1根据本发明的电弧故障检测系统4的电气系统的示意图。
从整体上而言，图1展示了电弧检测系统4与位于整个电气系统100的层级关系。其中包含：发电系统1、配电系统2、电弧检测系统4、负载3。
电气系统可以与飞机、船舶、实验室设施、工业环境等相关联。电气系统中的电能由发电系统1提供。发电系统1可以包括用于车辆的发电机、用于工业设施的发电机等，并且包括电路和部件，例如变压器、整流器、滤波器、电池组等。
配电系统2调控电力分配将电力从发电系统1分配到各种负载3中。配电系统2可以包括各种电气部件，例如断路器、开关、控制器等。负载3从配电系统2接收电力。可以有各种类型的负载3，比如说电路、照明设备、控制设备以及可能在电气环境中使用的任何系统。电弧检测模块内置在配电系统2中。它可以检测配电系统2和负载3间的电子部件和电线中的电弧。电弧故障检测系统4还包括保险丝、固态电能控制器SSPC、避雷器、断路器、传感设备和电线等。尽管电气系统中的系统显示为离散单元，但应当认识到，该图示是为了便于解释，并且某些功能模块的相关功能可以由一个或多个物理元件执行。
图2电弧故障检测系统4中的各个硬件组件的关系图。
图2起，展示了承载本算法的硬件设备所需硬件设备的主要内容。电弧故障检测系统4包括：模数转换器41、处理器42和数据输出器43。
根据采样分析处理，结果输出的顺序。本实施例使用用模数转换器41来进行数据采集，可由其他类似功能的硬件代替。模数转换器41周期性收集模拟电流信号并转换为数字电流值，目前支撑算法要求最至少达到10KHZ的采样频率，以及12位的采样精度。该模数转换器41的模拟电路主要包含以下功能模块：前端模拟多路复用器(MUX)、采样和保持(S/H)电路、转换核心、稳压器和其他模拟支持电路。本发明支撑各种型号的处理器，例如，测试时采用的处理器42可以为TI公司生产的TMS320F28335。数据输出3通常为嵌入式代码所在产品，在接受到算法所发出的电弧检测信号后，可根据信号的结果关断或者保持负载3的供电情况。
图3电弧故障检测系统4中的具体的检测电弧故障的流程图。
图3是根据电弧故障检测系统)中处理器42的具体的检测电弧故障算法的流程图。首先对电流值进行采样，然后对输入的数字电流值区分出是并联还是串联类的潜在电弧故障：通过并联施密特触发算法(S21)过滤出过阈电流电流，然后送入并联电弧检测算法(S3)；同时，通过串联施密特触发算法(S22)过滤出过阈电流电流，然后送入串联电弧检测算法(S4)在经过并联电弧检测算法(S3)和串联电弧检测算法(S4)对输入的电流进行检验之后，将结果进行组合分析，并根据分析结果生成控制信号。图4展示出了并联电弧检测算法(S3)的细节，图5展示出了串联电弧检测算法(S4)的细节。
具体的，处理器中电弧算法的流程主要分为5个步骤：
S1，通过模数转换器41定时采集电流数据。
S21，利用处理器42将未经处理的采样电流通过并联施密特触发算法(S21)获得并联过阈电流。
S22，利用处理器42将未经处理的采样电流以及平均电流值通过串联施密特触发算法(S22)获得串联过阈电流以及更新平均电流数据。
S3，将并联过阈电流作为输入进入并联检测算法，在滑动时间窗内进行累计计数，能量计算并判断是否满足并联电弧触发的条件；
S4，将整流电流和滤波电流作为输入进入串联检测算法，在滑动时间窗内进行累计计数，能量计算并判断是否满足串联电弧触发的条件；
S5，只要并联电弧触发或则串联电弧触发，满足之一，便视为检测到电弧，算法将发出控制信号。
其中，步骤S4包括以下子步骤：
S31，对输入的过阈电流值进行数据分析，对于大于并联过阈电流阈值的次数进行计数；
S32，计算出累积能量；
S33，对并联过阈电流计数以及并联滤波电流计数的计数结果进行合并处理，并于并联结果分析处输出分析信号。
其中，步骤S4包括以下子步骤：
S41，对输入的过阈电流值进行数据分析，对于大于串联过阈电流阈值的次数进行计数；
S42，对输入的滤波电流进行数据分析，对于大于串联滤波电流阈值的次数进行计数；
S43，对串联过阈电流计数以及串联滤波电流计数的计数结果进行合并处理分析，并于串联合并分析处输出分析信号。
图4是图3中并联电弧检测算法(S3)的具体的电弧故障检测的细节。经过滤波和校正后，电流数据被发送到并联施密特触发算法(S21)。使用施密特触发算法的目的是：由于输入的电流可能在触发边界存在震荡现象，导致重复计数。使用施密特触发算法可以减少振荡的影响。如果输入电流值满足以下两个条件，则视为通过并联施密特触发算法(S21)：
1)检查点位于滑动窗口(下面将详细定义)内。
2)电流大于并联施密特触发算法(S21)的预设值，该预设值为5倍的负载(3)额定电流。
通过并联施密特触发算法(S21)后，将进行并联过阈电流计数(S31)和并联能量累加(S32),并联能量累加(S32)的方式为仅对电流值的平方累加求和。
图6是电弧检测算法内工作循环中的滑动窗口示意图。滑动窗口用于设置并联施密特触发算法(S21)和串联施密特触发算法(S22)的时间限制。滑动窗口由四个元素组成：窗口宽度、起点、终点和响应周期。滑动窗口的窗口宽度是预定义的时间宽度，只有落入窗口宽度内的点会被定义为有效点，并联电弧检测算法(S3)和串联电弧检测算法(S4)会对有效点的整流电流值和滤波电流进行数据分析和比较。窗口宽度的两端就是窗口的起点与终点。随着时间的推移，滑动窗口的起点与终点同时向前移动，同时保证滑动窗口的终点与当前时刻保持一致。如图6所示，滑动窗口序列号的变化表明滑动窗口的起点与终点已向前移动。响应周期是另一个预定义的时间宽度。它是4.电弧检测系统运行并联电弧检测算法(S3)和串联电弧检测算法(S4)的时间间隔。响应周期的设定应是根据工程实际需求而定。可以将它设置为机器周期、采样周期或者机器周期和采样周期的任意整数倍。
图7是电弧检测算法的触发曲线、能量和过阈电流事件数量的关系图。
如果满足以下两个条件，则视为检测到并联电弧故障：
1.并联累积过阈电流次数的值N大于并联过阈电流次数阈值Nmin。
2.并联累积能量的值Esp大于并联能量阈值Emin.
并联过阈电流次数阈值Nmin和能量阈值Emin之间存在关系，其公式如下：
Figure BDA0004123537130000071
其中，Ef是提前设定的能量系数，其设定取决于实验结果，与额定电流的平方成线性关系。随着Ef的增加，电弧故障检测区域的面积减小。
图8是图4中的并联电弧检测算法(S3)的结果分析流程图。首先，比较并联累积的过阈电流次数N是否大于并联过阈电流次数阈值Nmin。其次，如果第一步通过，则用并联累积过阈电流次数，通过上述公式，计算出能量阈值Emin，并比较累积能量是否大于能量阈值Emin。只有当两个步骤都通过时，才会产生并联电弧检测信号。否则，不会产生并联电弧检测信号。
返回图5，图5是图3中串联电弧检测算法(S4)的具体的电弧故障检测执行的流程图。经过滤波和校正后，电流数据将被发送到串联施密特触发算法(S22)。由于电流值存在震荡现象，可能导致重复计数。使用施密特触发算法可以减少振荡的影响。如果输入电流值满足以下两个条件，则视为通过串联施密特触发算法(S22)：
1.检查点位于滑动窗口内。
2.电流介于串联施密特触发算法(S22)的预设值。
并联施密特触发算法(S21)和串联施密特触发算法(S22)之间的主要区别在于，并联施密特触发算法(S21)设定了电流的下限，只有高于下限的电流会通过。而串联施密特触发算法(S22)既设定了电流下限，也设定了电流上限，只有介于上下限的电流区间会成为触发点。
通过串联施密特触发算法(S22)后，将进行串联过阈电流计数(S41)和串联能量累加(S42),串联能量累加(S42)的方式为仅对电流值的平方累加求和。
串联电弧判断同样使用基于图7的电弧检测算法。如果满足以下两个条件，则检测到串联电弧故障：
1.串联累积过阈电流次数N大于串联过阈电流次数阈值Nmin。
2.串联累积能量Esp大于串联能量阈值Emin。
数字计数器阈值Nmin和能量阈值Emin之间存在关系，其公式如下：
Figure BDA0004123537130000081
能量系数Ef和kf在并联和串联电弧检测算法(S4)之间具有不同的值。
串联电弧检测算法(S4)的结果流程图与图8所示的并联电弧检测算法(S3)中的流程相同。首先，比较串联串联累积过阈电流次数N是否大于串联阈电流次数阈值Nmin。其次，如果第一步通过，则用串联串联累积过阈电流次数N计算出串联能量阈值Emin，并比较串联累积能量是否大于能量阈值Emin。只有当两个步骤都通过时，才会产生串联电弧检测信号。否则，不会产生串联电弧检测信号。
最后，回到图3，只要出现了并联电弧检测信号或串联电弧故障检测的信号中任意一个或者全部，则结果将显示电弧故障检测已经发生；否则，结果将显示没有发生电弧故障检测。
本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明。本发明的目的已经完整并有效地实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本发明的实施方式可以有任何变形或修改。

Claims (10)

1.一种基于能量和电流的直流电弧检测的算法，其特征在于，利用电弧检测系统(4)进行检测，该电弧检测系统(4)包括：模数转换器(41)、处理器(42)和数据输出器(43)，该检测方法包括以下步骤：
S1，通过模数转换器(41)定时采集电流数据；
S21，利用处理器(42)将未经处理的采样电流通过并联施密特触发算法获得并联过阈电流；
S22，利用处理器(42)将未经处理的采样电流以及平均电流值通过串联施密特触发算法获得串联过阈电流以及更新平均电流数据；
S3，将并联过阈电流作为输入进入并联检测算法，在滑动时间窗内进行累计计数，能量计算并判断是否满足并联电弧触发的条件；
S4，将整流电流和滤波电流作为输入进入串联检测算法，在滑动时间窗内进行累计计数，能量计算并判断是否满足串联电弧触发的条件。
S5，只要并联电弧触发或则串联电弧触发，满足之一，便视为检测到电弧，算法将发出控制信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中，步骤S3包括以下子步骤：
S31，对输入的过阈电流值进行数据分析，对于大于并联过阈电流阈值的次数进行计数；
S32，计算出累积能量；
S33，对并联过阈电流计数以及并联滤波电流计数的计数结果进行合并处理，并于并联结果分析处输出分析信号。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中，步骤S4包括以下子步骤：
S41，对输入的过阈电流值进行数据分析，对于大于串联过阈电流阈值的次数进行计数；
S42，对输入的滤波电流进行数据分析，对于大于串联滤波电流阈值的次数进行计数；
S43，对串联过阈电流计数以及串联滤波电流计数的计数结果进行合并处理分析，并于串联合并分析处输出分析信号。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括：
对电流值进行采样；
对输入的数字电流值区分出是并联还是串联类的潜在电弧故障：通过并联施密特触发算法过滤出过阈电流电流；
送入并联电弧检测算法；通过串联施密特触发算法过滤出过阈电流电流，送入串联电弧检测算法；
在经过并联电弧检测算法和串联电弧检测算法对输入的电流进行检验之后，将结果进行组合分析，并根据分析结果生成控制信号。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，其中：
如果输入电流值满足以下两个条件，则视为通过并联施密特触发算法：
检查点位于滑动窗口内；
电流大于并联施密特触发算法的预设值。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，其中：
该预设值为5倍的负载(3)额定电流。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，其中：
通过并联施密特触发算法后，将进行并联过阈电流计数和并联能量累加,并联能量累加的方式为仅对电流值的平方累加求和。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
如果满足以下两个条件，则视为检测到并联电弧故障：
首先，比较并联累积的过阈电流次数N是否大于并联过阈电流次数阈值N_min；
其次，如果第一步通过，则用并联累积过阈电流次数，计算出能量阈值E_min，并比较累积能量是否大于能量阈值E_min。
9.根据权利要求1-8中任意一项所述的方法，其特征在于，电弧故障检测系统(4)还包括：
保险丝、固态电能控制器、避雷器、断路器、传感设备和电线。
10.根据权利要求1-8中任意一项所述的方法，其特征在于，该模数转换器(41)的模拟电路包含：前端模拟多路复用器、采样和保持电路、转换核心和稳压器。
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