低压串联故障电弧的识别方法

低压串联故障电弧的识别方法0引言随着社会的发展，用电量逐年递增，电气火灾事故也随之增多。据2010年《中国消防年鉴》统计，2OO9年全国共发生电气火灾3348起，占火灾事故的22．7％。其中，有相当一部分是故障电弧引起的。故障电弧按其发生的位置，可分为并联和串联电弧，其中串联电弧由于电流往往小于线路正常工作电流，且持续时间短，所以传统的过流保护装置并不能动作，需要采用故障电弧断路器加以保护。因此，对故障电弧的检测和识别的研究是必要的，具有重要意义。目前，国内对故障电弧的识别方法主要是根据故障电弧电流波形特征，采用傅里叶分析、小波奇异性检测、峰值和斜率等方法识别故障电弧。然而，由于用电设备的多样性，一些负载的电流特性与故障电弧的电流特性很相似；此外，对故障电弧电流的识别大多是针对单一负载，对混合型负载的研究较少，因此本文对电弧电流进行研究时选取了节能灯、荧光灯、计算机、手电钻、电磁炉、小太阳等6种家庭常用用电设备，采集了其在单独运行及混合运行时，已发生及未发生故障电弧的电流波形，并采用离散傅里叶变换(DiscreteFourierTransform，DFF)提取了电流的谐波分量，提出了一种基于谐波分量相对变化系数的故障电弧识别方法，为故障电弧断路器的研制提供了参考依据。1电流波形的采集和波形分析1．1电流波形采集为模拟单相AC220V、50Hz低压供配电线路中的串联电弧，搭建了如图1所示的试验平台，并选用了6种单独用电设备和13种混合用电设备作为研究对象，试验电路图如图1、表1、表2所示。-------在试验中，用示波器分别采集各种用电设备的电弧电流和正常电流波形各100组，示波器的采样频率为50kHz，最大记录时间为15ms，采集的数据以．RLE和．CSV文件形式保存在U盘中，可导入计算机，使用Matlab软件进行谐波分析。1．2波形分析对故障电弧检测方法研究的难点不仅在于其随机性，且故障电弧波形与一些特殊负载及拔插电器等操作产生的波形类似。在对6种单一用电设备波形的分析中发现，节能灯与荧光灯的波形相似，在正常运行和有弧运行时都具有很长一段“休零区”。计算机与手电钻波形类似，有弧和无弧时的电流波形变化不明显，且都存在“休零区”。电磁炉与小太阳单独运行时，其有弧和无弧状态下电流波形“休零区”都不明显。单一负载和混合负载的有／无弧电流波形相比，又有如下的特点。电磁炉和计算机、手电钻的电流波形如图2所示。由图2可知：①发生电弧时，电磁炉的电弧电流会出现“休零区”，平肩区过后的电流斜率急剧增大；②手电钻、计算机混合运行时，电流在正常工作和有弧工作状态下都有“平肩区”出现；③电磁炉有弧电流的波形与手电钻、计算机正常工作时的电流波形相似；④有弧相对于无弧，电流“毛刺”变多，电流幅值会有一定程度的下降。通过对用电设备的电流波形分析可知，要在时域上对故障电弧电流波形和正常电流波形进行区分是很困难的。2故障电弧电流谐波的傅里叶分析采用DFT对电流波形进行分析，其表达式为-----其中，c1为1次谐波的幅值，即基波的幅值。在采用傅里叶变换对电弧电流波形进行分析的文献中，多数分析了1～15次谐波，取m：15。2．1电流谐波分量为便于分析和比较，对电流谐波幅值进行了归一化处理：--------各次谐波幅值经过归一化处理后得到的每次谐波分量，就是各次谐波的振幅相对于基波幅值的比例，因此可称Pk为各次谐波分量，Pk反映了电流的各次谐波分量相对于基波的能量权重。l9种负载的正常、电弧电流各100组的平均谐波分量情况如表3所示。-------由表3可知，对于1号负载(节能灯)有弧和正常电流的3次谐波分量分别为0．795和0．788，4次谐波分量分别为0．025和0．009。这说明3次谐波在有弧和正常情况下所占基波的能量权重都比4次谐波要大，但谐波分量的相对变化对识别故障电弧更具有意义。1号负载的3次有弧电流谐波分量是无弧时的1．009倍，几乎无变化；而4次有弧电流谐波分量是无弧时的2．593倍，变化比较明显，说明当发生串联电弧故障时，1号负载的4次谐波畸变程度比3次谐波的畸变程度大。2．2电流谐波分量相对变化系数基于上述分析，本文提出电流谐波相对变化系数的概念，以表征发生串联电弧时电流的畸变程度。其表达式为：---------通过对dk的研究发现，当发生串联故障电弧时，负载的谐波畸变情况可分为3种：①奇次谐波畸变最为明显；②偶次谐波畸变最为明显；③奇、偶次谐波畸变都明显，且畸变程度最大的前3次谐波的区分度最好。列出第1种负载的偶次谐波平均相对变化系数最大的前3次的d范围和平均奇次谐波相对变化系数的最小值和最大值；第2种负载的奇次谐波平均相对变化系数最大的前3次d的范围和平均偶次谐波相对变化系数的最小和最大值；第3种负载奇次谐波平均相对变化系数和偶次谐波平均相对变化系数最大的的前3次d的范围，如表4所示。由表4可见，对于第1类偶次谐波畸变明显的负载，其偶次谐波畸变范围为2．22～269．22，奇次谐波畸变范围为0．04～2．40，只有少许的重叠；对于第2类奇次谐波畸变明显的负载，奇次谐波畸变范围为2．64～13．0O，偶次谐波畸变范围为0．30～2．26，没有重叠；对于第3类负载奇次谐波畸变范围为1．18～19．83，偶次谐波畸变范围为1．29～14．53，基本重叠。说明奇、偶次谐波的畸变范围有很明显的分区，可作为识别故障电弧的依据。2．3故障电弧识别判据的提出根据表4，本文提出了基于谐波分量相对变化系数的故障电弧识别判据。表示第一类、第二类、第三类负载谐波畸变类型的识别判据为------------式(8)表示对一个电流波形进行谐波分析，当2、4、6、8、10、12、14这7种偶次谐波相对变化系数中出现3次以上的d2．4，就判定发生了串联故障电弧。同理，式(9)和式(10)经过对判据的检验，负载故障电弧总体识别率达93．34％，证明该方法是可行的。3结语本文搭建了故障电弧试验平台，采集了几种负载在正常工作和有电弧工作时的电流波形作为研究对象，得到以下的结论：(1)一些负载正常运行时的电流波形与故障电流波形相似，要在时域上对其进行区分很困难。(2)提取出1—15次谐波分量对波形进行谐波分析，然后对负载正常电流波形的谐波分量与有弧时电流的谐波分量对比，发现发生故障电弧时，负载谐波分量的畸变可分为3种类型：①负载的偶次谐波畸变明显；②负载的奇次谐波畸变明显；③负载的奇、偶次谐波畸变都明显。(3)针对3种谐波畸变类型的负载，本文提出了一种基于谐波分量相对变化系数的故障电弧识别方法。(4)实测数据的仿真结果表明，本文所提出的方法识别率较高，可为故障电弧的保护提供参考。标签：谐波电流