崔芮華，郭靜然，劉 喆

（河北工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，天津 300130）

用于交流電弧故障檢測(cè)的間諧波分析方法

崔芮華，郭靜然，劉 喆

（河北工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，天津 300130）

針對(duì)現(xiàn)有的交流電弧故障檢測(cè)方法易受某些負(fù)載特別是非線(xiàn)性負(fù)載的干擾問(wèn)題，為提高配電線(xiàn)路串、并聯(lián)電弧故障在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的可靠性，依托自主設(shè)計(jì)的串、并聯(lián)電弧故障模擬試驗(yàn)裝置獲取數(shù)據(jù)并加以分析，本文提出了一種基于信號(hào)間諧波特征值的交流電弧故障檢測(cè)方法．通過(guò)該試驗(yàn)裝置采集了五類(lèi)典型負(fù)載正常工作和電弧故障兩種狀態(tài)下的電壓和電流信號(hào)，對(duì)濾波后的信號(hào)計(jì)算其間諧波組的特征值，并對(duì)特征值做了進(jìn)一步的修正，最終給出了閾值區(qū)間．該方法檢測(cè)不同種類(lèi)的負(fù)載可設(shè)定統(tǒng)一的判定閾值，且計(jì)算量不大，便于實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)．試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，本方法可有效識(shí)別多種負(fù)載條件下產(chǎn)生的串、并聯(lián)電弧故障．

電弧故障；間諧波；特征提??；非線(xiàn)性負(fù)載；STFT

隨著社會(huì)發(fā)展和科技進(jìn)步，電氣、通訊等設(shè)備的應(yīng)用越來(lái)越多，電氣火災(zāi)造成的損失也越來(lái)越大．據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)電氣火災(zāi)高居各類(lèi)火災(zāi)原因之首，且電氣火災(zāi)所占比例一直呈上升的趨勢(shì)[1]．由電弧故障引起的電氣火災(zāi)導(dǎo)致的傷亡事故屢有發(fā)生．電弧故障的起因多是接觸不良，以及線(xiàn)路的老化和破損．故障電弧的特點(diǎn)是溫度高，故障電流變化范圍大，持續(xù)時(shí)間短，而一旦出現(xiàn)擊穿點(diǎn)則會(huì)頻繁地出現(xiàn)電弧的閃絡(luò)．電弧放電時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的熱，如果不能快速地將其檢測(cè)到并隔離，電弧熱量的積聚會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞絕緣并引發(fā)火災(zāi)[2]．而電弧故障多為高阻抗故障，其故障電流常常在正常的工作載荷范圍之內(nèi)，傳統(tǒng)的保護(hù)電器并不能提供足夠的保護(hù)[3]．

現(xiàn)有的電弧故障檢測(cè)方法，考慮到持續(xù)監(jiān)測(cè)的需要，主要采用電氣特征分析（ElectricalSignatureAnalysis, ESA）的方法[4]．基于ESA的這些方法，只需測(cè)量一些基本的電氣量（例如電壓或電流）和執(zhí)行簡(jiǎn)單的數(shù)字信號(hào)處理算法，現(xiàn)有的硬件設(shè)備就可以滿(mǎn)足運(yùn)算量的要求．在過(guò)去的十幾年中，國(guó)外已經(jīng)提出了多種基于ESA的電弧故障識(shí)別方法，其中一部分已經(jīng)在檢測(cè)產(chǎn)品上成功實(shí)現(xiàn)[2]．文獻(xiàn) [4]通過(guò)燃弧時(shí)電壓或電流的方差、均值和耗散能量等特性的變化來(lái)辨識(shí)純阻、阻感或阻容負(fù)載下產(chǎn)生的電?。欢收宵c(diǎn)兩導(dǎo)體間電弧的等離子體狀態(tài)以及間隙的大小是時(shí)刻變化的，很多情況下負(fù)載類(lèi)型也不是固定不變的，熄弧和復(fù)燃的不穩(wěn)定特性使得單純使用時(shí)域特征很難可靠地檢測(cè)電弧故障[5]．文獻(xiàn)[5]展示了低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備中串聯(lián)和并聯(lián)故障電弧的特性，認(rèn)為故障電弧的特性在頻域中更容易發(fā)現(xiàn)[6]．但由于每個(gè)故障回路都有著各自不同的負(fù)載特性，針對(duì)每個(gè)特定的電流頻譜去設(shè)置一個(gè)統(tǒng)一的閾值電平來(lái)檢測(cè)電弧故障是困難的．文獻(xiàn)[7]使用電場(chǎng)和磁場(chǎng)的輻射測(cè)量法，通過(guò)采集高頻區(qū)和低頻區(qū)的磁場(chǎng)及電場(chǎng)輻射四項(xiàng)主要數(shù)據(jù)來(lái)產(chǎn)生八項(xiàng)指標(biāo)用于檢測(cè)電弧，結(jié)合硬件布局和能產(chǎn)生多種噪聲的負(fù)載，可分辨電弧噪聲和電源線(xiàn)路噪聲．文獻(xiàn)[8]通過(guò)對(duì)串聯(lián)電弧故障進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合小波變換原理與改進(jìn)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建起輸入特征向量與電弧故障的映射關(guān)系，給出了一種解決串聯(lián)電弧故障診斷分類(lèi)問(wèn)題的方法．

間諧波是基波頻率非整數(shù)倍的頻譜分量．通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，電壓、電流信號(hào)的間諧波幅值在數(shù)量級(jí)上的變化與故障電弧的產(chǎn)生密切相關(guān)．因此，本文提出基于間諧波特征的交流電弧故障檢測(cè)方法．

1 通過(guò)模擬電弧故障的試驗(yàn)采集電氣信號(hào)數(shù)據(jù)

依據(jù)電弧故障發(fā)生位置不同，可分為2種類(lèi)型：并聯(lián)電弧故障和串聯(lián)電弧故障[9]．依據(jù)這兩類(lèi)電弧故障的特性分別進(jìn)行試驗(yàn)研究．

1.1 模擬串聯(lián)和并聯(lián)電弧故障

產(chǎn)生串聯(lián)點(diǎn)接觸電弧的公認(rèn)方法源自UL1699中由動(dòng)、靜兩個(gè)電極構(gòu)成的電弧發(fā)生器[10]．本文采用同軸的1個(gè)銅棒和1個(gè)碳棒分別作為動(dòng)、靜電極，步進(jìn)電機(jī)及其聯(lián)軸器通過(guò)傳動(dòng)絲杠帶動(dòng)兩電極做直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)操作步進(jìn)電機(jī)控制器向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送脈沖信號(hào)即可控制兩電極的分合．兩電極相互接觸后接通電路，然后緩緩分開(kāi)兩電極直至電弧產(chǎn)生，此電弧應(yīng)是純凈的、可再現(xiàn)的并能夠穩(wěn)定燃燒的．試驗(yàn)裝置如圖1所示．

圖1 串聯(lián)電弧的點(diǎn)接觸試驗(yàn)Fig.1 The seriesarc faultgenerated by the pointcontact test

并聯(lián)電弧電流的幅值常常接近于短路電流．但對(duì)于在系統(tǒng)電流額定值范圍內(nèi)的電弧電流，仍有產(chǎn)生電弧且不會(huì)觸發(fā)傳統(tǒng)保護(hù)電器動(dòng)作的可能．因此，高阻抗的并聯(lián)電弧故障模擬試驗(yàn)是必要的[11]．

由于兩相和兩線(xiàn)之間的空氣間隙往往足夠大，能夠阻止任何形式的電弧引燃，所以并聯(lián)電弧是由于兩相或兩線(xiàn)之間某種方式的搭接引起的．為得到前述故障情況下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了圖2的鍘刀切割絕緣層的試驗(yàn)裝置．裝置的主體部分由杠桿臂和絕緣底座組成．電路閉合后，為引入故障，使安裝在杠桿臂上可調(diào)節(jié)切割角度的金屬刀片切入被導(dǎo)線(xiàn)夾具固定住了的兩根試驗(yàn)導(dǎo)體樣件的絕緣層．刀片與第1根導(dǎo)體產(chǎn)生實(shí)際接觸，同時(shí)與第2根導(dǎo)體產(chǎn)生點(diǎn)接觸[11]．

圖2 并聯(lián)電弧的切割絕緣層試驗(yàn)Fig.2 The parallelarc faultgenerated bycutting insulation layer test

1.2 信號(hào)采集

將電流探頭串接在主回路中，電壓探頭夾持在負(fù)載兩端，利用集成的網(wǎng)口在記錄數(shù)據(jù)的同時(shí)將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)．

由采樣定理可知，如果信號(hào)最高頻率小于奈奎斯特頻率，那么采樣得到的離散點(diǎn)能夠完全表示原信號(hào)．而信號(hào)最高頻率高于或處于奈奎斯特頻率的部分經(jīng)短時(shí)傅立葉變換（Short Time Fourier Transform，STFT）后得到的頻段會(huì)導(dǎo)致混頻誤差．為了減小混頻誤差，需要在采樣之前增設(shè)模擬低通濾波電路．

1.3 不同負(fù)載條件下的波形

值得注意的是，和故障電弧類(lèi)似，非線(xiàn)性負(fù)載和開(kāi)關(guān)電源亦能引起和電弧故障近似的電壓和電流波形的失真．這種波形失真亦可表示為一系列位于諧波點(diǎn)和間諧波頻段的正弦分量．

圖3 5種不同負(fù)載的電壓和電流波形Fig.3 Voltageand currentwaveformsof five different typesof loads

事實(shí)上，是非線(xiàn)性負(fù)載和電源的相互作用才使得回路中出現(xiàn)了間諧波[12]．例如，一個(gè)簡(jiǎn)單的整流器或者靜態(tài)無(wú)功發(fā)生器，其電流間諧波分量源自供電電壓自身引入的間諧波分量．其中一部分電流間諧波分量和供電電壓的間諧波分量處在相同的頻段上，另一部分通過(guò)非線(xiàn)性負(fù)載的作用調(diào)制在其附近的頻段之上．因此，當(dāng)含有間諧波供電電壓加載在非線(xiàn)性負(fù)載兩端的時(shí)候，這些間諧波分量便成為了新的間諧波頻段的來(lái)源．

2 間諧波的選擇與計(jì)算

在配電線(xiàn)路正常運(yùn)行時(shí)，間諧波的幅值維持在較低水平，而發(fā)生電弧故障后，電弧電流過(guò)零時(shí)的抖動(dòng)現(xiàn)象以及電流過(guò)零后上升邊沿陡峭現(xiàn)象為頻譜引入了一個(gè)寬頻帶信號(hào)[5]，導(dǎo)致間諧波分量在整體上呈增大趨勢(shì)，而諧波分量的增大減小情況并不一致．圖4為正常和電弧故障狀態(tài)下阻容負(fù)載端電壓在1000～2000Hz范圍內(nèi)的頻譜曲線(xiàn)．圖中1210Hz處間諧波增大了1342倍，1 730Hz處的間諧波增大了2861倍．1050Hz處的諧波僅增大了0.87倍，而1 850 Hz處的諧波卻減小了0.36倍．由此可見(jiàn)出現(xiàn)電弧故障時(shí)，諧波分量不一致的變化不利于電弧故障的檢測(cè)，而間諧波幅值會(huì)出現(xiàn)數(shù)量級(jí)上的增大，對(duì)電弧故障檢測(cè)十分有利．因此，為了最大限度地區(qū)分正常狀態(tài)和電弧故障狀態(tài)，決定排除諧波分量的影響，通過(guò)間諧波的特征值檢測(cè)電弧故障．

計(jì)算間諧波最常用的方法是離散傅里葉變換（Discrete Fourier Transform，DFT）．DFT必須對(duì)被測(cè)的連續(xù)無(wú)限長(zhǎng)信號(hào)x t進(jìn)行均勻采樣并截取，再做周期延拓．在理想同步采樣條件下，DFT能夠精確分析原連續(xù)信號(hào)的諧波參數(shù)．然而實(shí)際電網(wǎng)電壓信號(hào)的周期會(huì)在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，使得采樣頻率與系統(tǒng)頻率的比值不再是固定不變的，即非同步采樣．非同步采樣會(huì)導(dǎo)致周期延拓后的序列不再是原連續(xù)信號(hào)x t的采樣序列[13]．如圖5所示，子圖b）中周期延拓后在邊界處產(chǎn)生的幅值跳變會(huì)導(dǎo)致頻譜泄漏．頻譜泄漏會(huì)降低間諧波的計(jì)算精度，進(jìn)而對(duì)電弧故障檢測(cè)產(chǎn)生影響．目前可以減少頻譜泄露的計(jì)算方法有很多，例如加窗插值的DFT、Prony算法、特征值分解等方法．綜合考慮頻譜泄露程度、計(jì)算時(shí)間、所需時(shí)間窗長(zhǎng)度等因素發(fā)現(xiàn)STFT可以滿(mǎn)足本文的要求．

圖4 正常狀態(tài)與電弧故障狀態(tài)的頻譜對(duì)比Fig.4 Spectral contrastbetween normalstate and arc faultsstate

圖5 同步采樣和非同步采樣的周期延拓Fig.5 Periodic continuation of synchronous sampling and asynchronoussampling

離散信號(hào)x n的STFT為

短時(shí)傅立葉變換的窗函數(shù)有很多，但是窗函數(shù)主瓣越窄的同時(shí)旁瓣幅值也越大，導(dǎo)致提高頻率識(shí)別精度和減少頻譜泄漏無(wú)法同時(shí)達(dá)到最優(yōu)．本文對(duì)比分析了矩形窗、高斯窗、布萊克曼窗、漢寧窗等多個(gè)典型窗函數(shù)的頻譜后發(fā)現(xiàn)，漢寧窗的主瓣寬窄適中，旁瓣幅值較小，既不會(huì)使頻率識(shí)別精度太低又可以有效減少頻譜泄漏，所以選擇漢寧窗作為窗函數(shù)．式 (2)為漢寧窗的表達(dá)式．

式中N為窗函數(shù)的點(diǎn)數(shù)．

3 總間諧波失真

國(guó)標(biāo)[14]中明確規(guī)定了電網(wǎng)中間諧波含有率的限值，所以配電線(xiàn)路正常工作時(shí)的各次間諧波含有率是穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)的．總間諧波失真（Total Interharmonic Distortion，TID）反應(yīng)了各次間諧波相對(duì)基波的變化情況，其計(jì)算式如式 (3)所示．因?yàn)殡娀」收蠒?huì)引起間諧波幅值的增大和基波幅值的減小，所以存在電弧故障時(shí)的TID應(yīng)當(dāng)大于正常工作時(shí)的TID，可以利用這一特點(diǎn)檢測(cè)電弧故障．表1和表2為5種負(fù)載條件下的TID計(jì)算結(jié)果．

式中：H1是基波分量的RMS值；Qi為間諧波的幅值；n為0～5 000Hz范圍內(nèi)的間諧波總數(shù)．

對(duì)比表1、表2中的數(shù)據(jù)可以看到，在非線(xiàn)性負(fù)載條件下正常工作時(shí)電流信號(hào)的TID的值均大于線(xiàn)性負(fù)載條件下的值，而在相同的負(fù)載條件下，電流信號(hào)的TID在有串聯(lián)或并聯(lián)電弧故障時(shí)的值均大于正常工作時(shí)的值，這表明非線(xiàn)性負(fù)載和電弧故障都會(huì)使電流信號(hào)中的間諧波分量增加．因此，非線(xiàn)性負(fù)載會(huì)對(duì)電弧故障的檢測(cè)造成一定的干擾性．另外從表中數(shù)據(jù)可知，正常工作時(shí)電流信號(hào)的TID的范圍與發(fā)生電弧故障時(shí)電流的TID的范圍有重疊，所以單獨(dú)以電流TID做判據(jù)不能有效區(qū)分正常工作狀態(tài)和電弧故障狀態(tài)．

表1 線(xiàn)性負(fù)載的TIDTab.1 TID of linear loads

表2 非線(xiàn)性負(fù)載的TIDTab.2 TID ofnonlinear loads

國(guó)標(biāo)中的間諧波含有率限值是針對(duì)電網(wǎng)電壓規(guī)定的，所以電壓的TID基本不受非線(xiàn)性負(fù)載的影響，一直穩(wěn)定在1.292附近，而產(chǎn)生電弧故障時(shí)電壓的TID均大于此值．根據(jù)表1和表2中的數(shù)據(jù)，正常工作時(shí)的電壓TID均小于1.293，電弧故障狀態(tài)下的電壓TID均大于1.329．由于1.329相對(duì)1.293僅僅增大了2.8%，所以電壓TID雖然可以檢測(cè)電弧故障，但是這種方法易受外界影響而引起誤判．

3.1 間諧波均值的計(jì)算

為凸顯產(chǎn)生電弧故障前后間諧波在數(shù)量級(jí)上的改變，本文選用對(duì)數(shù)譜描繪電壓和電流信號(hào)的頻域特性．

式中：Ai是由STFT得到的各頻率分量的幅值；Di是對(duì)數(shù)幅度譜中各頻率分量的幅值．

3.2 間諧波均值

圖6、圖7分別展示了五種負(fù)載條件下的正常與串聯(lián)電弧故障、并聯(lián)電弧故障時(shí)電流信號(hào)的對(duì)數(shù)幅度譜．通過(guò)對(duì)比這10張子圖可以發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生電弧故障時(shí)幅值呈現(xiàn)明顯上升的頻段會(huì)隨負(fù)載類(lèi)型和電弧故障類(lèi)型的不同而變化．如在發(fā)生串聯(lián)電弧故障時(shí)，圖6b）的感性負(fù)載條件下，頻率小于3 000 Hz的分量的幅值增大較為明顯，而圖6d）的計(jì)算機(jī)工作條件下，頻率大于500Hz的分量增大較明顯．然而可以確定的是，產(chǎn)生電弧故障后對(duì)數(shù)幅度譜的幅值在整體上是增大的，本文通過(guò)計(jì)算0～5000Hz范圍內(nèi)的間諧波均值來(lái)量化電弧故障引起的這種變化．間諧波均值計(jì)算式為

式中：Di為對(duì)數(shù)幅度譜中各頻率分量的幅值；n為考慮在內(nèi)的間諧波總數(shù)．下文中電流信號(hào)的間諧波均值和電壓信號(hào)的間諧波均值分別用IHI、IHU表示．圖中可明顯看出正常工作和電弧故障時(shí)電壓和電流間諧波的幅值變化．

3.3 間諧波均值的計(jì)算結(jié)果及分析

對(duì)5種負(fù)載條件下的電流和電壓信號(hào)計(jì)算間諧波均值，整理后得到表3和表4．對(duì)比兩個(gè)表可以看到在配電線(xiàn)路正常工作狀態(tài)下，非線(xiàn)性負(fù)載的IHI只是略大于線(xiàn)性負(fù)載的IHI，而不是像電流TID那樣變化十分顯著．觀察以上4個(gè)表中串聯(lián)電弧試驗(yàn)的電流信號(hào)的計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與純阻性負(fù)載相比，計(jì)算機(jī)和LED燈正常工作條件下電流信號(hào)的TID分別增大了35%和261%，而間諧波均值IHI分別增大了4%和5%．可見(jiàn)，非線(xiàn)性負(fù)載對(duì)電流信號(hào)間諧波均值IHI的影響程度小于對(duì)電流信號(hào)TID的影響程度．

此外，純阻性負(fù)載條件下，串聯(lián)電弧故障引入的間諧波成分使IHI增大了27%．這一變化程度大于非線(xiàn)性負(fù)載導(dǎo)致的變化程度．因此，本文認(rèn)為，相較于由非線(xiàn)性負(fù)載造成的間諧波分量的增加，間諧波均值對(duì)電弧故障造成的間諧波分量的增加要更加敏感．

比較表3和表4中的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在正常工作時(shí)IHI的最大值為 54.3 dB，在發(fā)生串聯(lián)或并聯(lián)電弧故障時(shí)IHI的最小值為 46.9 dB．IHU在正常工作時(shí)的最大值為 37.8 dB，出現(xiàn)電弧故障時(shí)IHU的最小值為 29.0 dB．因此，只要對(duì)IHI和IHU設(shè)定合適的閾值就可以實(shí)現(xiàn)電弧故障檢測(cè)，并且這種檢測(cè)方法適用于多種負(fù)載類(lèi)型且不會(huì)受到非線(xiàn)性負(fù)載的干擾而產(chǎn)生誤判．

圖6 正常與串聯(lián)電弧故障時(shí)的對(duì)數(shù)幅度譜Fig.6 The logarithm spectrumof normaland seriesarc faults

表3 線(xiàn)性負(fù)載的間諧波均值Tab.3 Interharmonicmean valuesof linear loads

表4 非線(xiàn)性負(fù)載的間諧波均值Tab.4 Interharmonicmean valuesof nonlinear loads

3.4 間諧波均值的改進(jìn)

以上的間諧波均值是通過(guò)算術(shù)平均值計(jì)算的，而算術(shù)平均值是不穩(wěn)健的．長(zhǎng)期以來(lái)，許多文獻(xiàn)都致力于提高數(shù)據(jù)估計(jì)的魯棒性[15]，縮尾均值就是穩(wěn)健的數(shù)據(jù)估計(jì)方法之一，其計(jì)算式為

式中：D i是將所有間諧波按照幅值大小排序后得到的有序序列；wi是專(zhuān)為減小某些離群值的影響而設(shè)計(jì)的加權(quán)函數(shù)；n為間諧波個(gè)數(shù)．通常，p的取值范圍為(0,0.25×n)．結(jié)合本文的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，p=0.1×n時(shí)可以最大限度地區(qū)分正常狀態(tài)和電弧故障狀態(tài)．

圖7 正常與并聯(lián)電弧故障時(shí)的對(duì)數(shù)幅度譜Fig.7 The logarithm spectrumof normaland parallelarc faults

此外，一些負(fù)載特性的變化，例如照明系統(tǒng)閃變、電機(jī)老化和轉(zhuǎn)矩振蕩等現(xiàn)象對(duì)電壓和電流信號(hào)中頻率小于二次諧波的間諧波分量有明顯的影響[16]．為了防止此類(lèi)負(fù)載特性的變化對(duì)電弧故障檢測(cè)造成干擾，本文在計(jì)算間諧波均值時(shí)只計(jì)算100～5 000Hz范圍內(nèi)的間諧波分量．

通過(guò)從上述兩個(gè)方面對(duì)間諧波均值的計(jì)算方法進(jìn)行改進(jìn)后，計(jì)算結(jié)果如圖8所示．算法改進(jìn)前電流的間諧波均值在正常狀態(tài)的最大值和故障狀態(tài)的最小值分別為 54.3 dB和 46.9 dB，而改進(jìn)后變?yōu)?68.3 dB和 59.3 dB，二者的差值由7.4 dB增大到9.0 dB，可見(jiàn)，改進(jìn)后間諧波均值更有利于電弧故障的檢測(cè)，并且增強(qiáng)了這種檢測(cè)方法的魯棒性．

根據(jù)以上對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，得到以下結(jié)論：

1）非線(xiàn)性負(fù)載和電弧故障都可以使電流信號(hào)中的間諧波分量增加．

2）間諧波均值對(duì)電弧故障的敏感程度大于對(duì)非線(xiàn)性負(fù)載的敏感程度．這一特點(diǎn)對(duì)于排除非線(xiàn)性負(fù)載對(duì)電弧故障檢測(cè)的干擾十分有利．

3）負(fù)載兩端電壓的間諧波均值、回路電流的間諧波均值都可以作為檢測(cè)電弧故障的有效判據(jù)，并且不會(huì)受非線(xiàn)性負(fù)載干擾而誤判、魯棒性好．兩種檢測(cè)判據(jù)的閾值可以分別設(shè)定為由正常狀態(tài)的上限和故障狀態(tài)的下限組成的區(qū)間 (47.2， 11.2)、(68.3， 59.3)內(nèi)的一個(gè)值，當(dāng)運(yùn)算結(jié)果大于閾值時(shí)，則判斷配電線(xiàn)路中存在電弧故障．

圖8 改進(jìn)后的間諧波均值效果圖Fig.8 The resultsof recognition by theuseof interharmonicmean valuesand it`s improvement

4 結(jié)論

從串、并聯(lián)電弧故障的模擬試驗(yàn)中得到電壓和電流信號(hào)，對(duì)濾波后的信號(hào)加漢寧窗做STFT處理以得到第2～100次間諧波組的數(shù)據(jù)，去計(jì)算每5個(gè)電源周期的間諧波特征值，憑借改進(jìn)后的特征值判定電弧故障的發(fā)生．本文提出的檢測(cè)算法抗擾動(dòng)能力強(qiáng)，其計(jì)算量可滿(mǎn)足現(xiàn)有硬件水平的要求，檢測(cè)閾值的設(shè)定無(wú)需考慮試驗(yàn)中負(fù)載類(lèi)型的變化，為提高交流電弧故障檢測(cè)方法的可靠性提供了切實(shí)可行的新思路．

[1]周積剛，劉金琰．電弧故障斷路器檢測(cè)技術(shù)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn) [J]．低壓電器，2013，22：50-56．

[2]H Bruce Land．Determ ination of the causeofarcing faults in low-voltage switchboards[J]．IEEETransactionson Industry Applications，2008，44 （2）：430-436．

[3]IEC62606，General requirements forarc faultdetection device[S]．

[4]Marco Faifer，Roberto Ottoboni，Marco Rossi，etal．Amethod for thedetectionofseriesarc faultsin DC aircraftpowernetworks[M]．Minneapolis：IEEE International Instrumentation and MeasurementTechnology Conference，2013．

[5]PeterMuller，Stefan Tenbohlen，Reinhard Maier，etal．Characteristicsofseriesand parallel low currentarc faults in the timeand frequency domain [M]．Charleston：ElectricalContacts-IEEEHolm Conferenceon ElectricalContacts，2010．

[6]王曉遠(yuǎn)，高淼，趙玉雙．阻性負(fù)載下低壓故障電弧特性分析 [J]．電力自動(dòng)化設(shè)備，2015，35（5）：106-110．

[7]Kerm itPhipps，ThomasCooke，DougDorr，etal．Frequency phenomenonandalgorithms forarc detection[M]．FtLauderdale：IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility，2010．

[8]劉曉明，趙洋，曹云東，等．基于小波變換的交流系統(tǒng)串聯(lián)電弧故障診斷 [J]．電工技術(shù)學(xué)報(bào)．2014，29（1）：10-17．

[9]Peter Muller，Stefan Tenbohlen，Reinhard Maier，et al．Artificial low current arc fault for pattern recognition in low voltage switchgear[M]．Vancouver：ElectricalContacts-IEEEHolm Conferenceon ElectricalContacts，2009：14-20．

[10]UL1699-2006，UL standard for safety forarc faultcircuitinterrupters［S］．

[11]GB/T 31143-2014．電弧故障保護(hù)電器（AFDD）的一般要求 [S]．

[12]TestaA，Akram MF，Burch R，etal．Interharmonics：theory andmodeling[J]．IEEETransactionson PowerDelivery，2005，20（3）：2227-2234．

[13]劉本永．非平穩(wěn)信號(hào)分析導(dǎo)論 [M]．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2006：33-48．

[14]GB/T 24337-2009，電能質(zhì)量公用電網(wǎng)間諧波 [S]．

[15]Leonowicz Z，Lobos T．Power quality evaluation using advanced spectrum estimationmethods[M]．Chongqing：2006 InternationalConference on Power System Technology，2006．

[16]Roberto Langella，Alfredo Testa．On theUseof Flickermeterand DFTBased Techniques for theAssessmentof LightFlickerand Interharmonic Distortion Produced by Arc Furnaces[M]．Chongqing：InternationalConferenceon Power Systems Technology，2006．

[責(zé)任編輯 代俊秋]

Amethod for the detection of AC arc faults by the analysisof interharmonic

CUIRuihua，GUO Jingran，LIU Zhe

(Schoolof Electrical Engineering,HebeiUniversity of Technology,Tianjin 300130,China)

Conventional AC arc faultsdetectionmethods susceptible to the interference of certain load especially nonlinear load.To improve the reliability ofon-linedetection ofseriesand parallelarc faultin the low voltage distribution circuit with the dataobtained from thearc faultssimulation testdevices,amethod based on the characteristic valuesof interharmonic for the detection of AC arc faults is presented.By this testdevice,both voltage and currentsignalsof normaloperation and arc faults from five kinds of typical loadsare captured.The characteristic values of interharmonic group are calculated by the filtered signals.Those valuesaremodified and the threshold range isgiven in theend.Thismethod can be setuniform determ ination threshold when detecting different types of loadswith little calculation which facilitate online detection.Experimentaldata showed that thismethod can effectively identification both seriesand parallelarc faults undermany load conditions.

arc fault;interharmonic;feature extraction;nonlinear load;STFT

TM 501

A

1007-2373(2016)01-0005-08

10.14081/j.cnki.hgdxb.2016.01.002

2015-09-07

河北省自然科學(xué)基金青年基金（E2015202143）；河北省教育廳青年基金（QN2014148）

崔芮華（1962-），女（漢族），教授，博士．

數(shù)字出版日期：2016-01-22數(shù)字出版網(wǎng)址：http：//www.cnki.net/kcms/detail/13.1208.T.20160122.1700.008.htm l