摘"要：針對現(xiàn)有的直流電弧故障檢測方法容易受到環(huán)境影響，無法實現(xiàn)精準檢測，且算法結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以部署于實際應(yīng)用，基于短時傅里葉變換設(shè)計一種直流電弧故障檢測算法。通過分析電弧電流信號在頻域上的幅值變化趨勢，將頻譜劃分為不同的階段，計算不同階段頻率積分的比值，根據(jù)大量實驗結(jié)果得到判定的閾值從而實現(xiàn)電弧故障檢測。最后，選擇合適的單片機實現(xiàn)檢測算法并進行測試，驗證所提算法的有效性。結(jié)果表明，所提算法不僅能在多種類型負載并聯(lián)的情況下及時檢測出電弧故障，檢測的準確率可達94.4%，而且在面對正常狀態(tài)電流時的誤判率為0，證明其具有較好的穩(wěn)健性。

關(guān)鍵詞： 直流電弧故障; 短時傅里葉變換; 時頻域數(shù)據(jù)分析; 電弧故障檢測

中圖分類號： TM501+.2

文獻標志碼： A

文章編號： 2095-8188（2024）08-0086-05

DOI： 10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.08.011

DC Arc Fault Detection Device Based on Time-Frequency Domain Parametric Analysis

ZHOU Xue，"DAI Wenxing

（Institute of Reliability in Electrial Apparatus and Electronics，Harbin Institute of Technology， Harbin 150006， China）

Abstract：

However，the existing DC arc fault detection methods are easy to be affected by the environment，which can not achieve accurate detection，and the core algorithm is complex，difficult to deploy in practical applications. To solve these problems，a DC arc fault detection algorithm based on short-time Fourier transform is designed. By analyzing the amplitude variation trend of arc current signal in frequency domain，the spectrum is divided into different stages，the ratio of different stages is calculated，and the threshold value is obtained according to a large number of experimental results to realize arc fault detection. Finally，a suitable single chip microcomputer is selected to implement the detection algorithm and tested to verify the effectiveness of the proposed algorithm. The results show that the algorithm is not only able to detect arcing faults in a timely manner with multiple types of loads connected in parallel，the accuracy of detection can reach 94.4%. In addition，the algorithm has a misjudgment rate of 0 in the face of normal state currents，which indicates that it has good robustness.

Key words：

DC arc fault; short-time Fourier transform; time-frequency domain data analysis; arc fault detection

0"引"言

伴隨著光伏、通信與直流拖動等技術(shù)的發(fā)展，直流系統(tǒng)的配電保護開始得到越來越多的關(guān)注，如航空航天、新能源汽車與船舶等行業(yè)需要高效、易連接、體積小的直流電源［1］。然而，在直流系統(tǒng)的使用過程中會不可避免地出現(xiàn)絕緣老化、接線端子脫落等，從而引起直流電弧故障的發(fā)生，引發(fā)電氣事故，進而對人們的日常生活和工業(yè)生產(chǎn)活動產(chǎn)生嚴重影響［2］。因此，研究直流電弧故障檢測技術(shù)對于保障直流系統(tǒng)的安全使用至關(guān)重要［3］。

電弧在燃燒時會釋放大量的熱量，產(chǎn)生明亮弧柱，卻不會在回路中產(chǎn)生過電流。然而，現(xiàn)有的用電保護設(shè)備（如熔斷器、斷路器、剩余電流保護器等）通常依靠檢測電流大小來對電路進行保護。因此，這些保護設(shè)備無法準確地檢測出電路中的電弧故障［4］。此外，電弧的物理過程復(fù)雜，且直流電弧故障沒有過零點等明顯的故障特征，使得直流電弧故障檢測的難度大幅增加［5］。國內(nèi)外學(xué)者對于直流電弧故障檢測的研究已取得了一定的成果。目前，對于電弧故障檢測有3類方案，分別為物理現(xiàn)象識別、電弧模型識別與時頻域特征識別。

物理現(xiàn)象識別的原理為通過識別直流電弧產(chǎn)生的光、熱信號進行故障識別。文獻［6］利用紅外接收器、壓力麥克風(fēng)等傳感器識別直流電弧物理特征，該方案對于電弧故障識別的準確性很好，但由于可選擇物理量過少，該方案對于復(fù)雜負載環(huán)境中的電弧故障識別效果較差。

電弧模型識別的原理為構(gòu)建物理、數(shù)學(xué)模型來描述直流電弧，通過識別電弧模型檢測故障。文獻［7］提出一種電弧模型，涵蓋0.3～100 000 A的電流范圍及1～200 mm的觸頭間隙長度。該模型在時域上能較好地模擬直流電弧故障前后電流的變化，但在頻域上的描述有較大的偏差。

時頻域特征識別為目前主流的檢測方法。通過提取并識別電弧故障電流中時域與頻域特征變量，能在復(fù)雜負載環(huán)境中達到較高的檢測準確度。文獻［8］提取電弧故障特征的時頻域分量并通過閾值判斷實現(xiàn)電弧故障檢測，在3種負載環(huán)境中實現(xiàn)0.86 s內(nèi)快速且準確的故障識別。文獻［9］利用支持向量機算法對直流電弧時頻域特性進行分類，所設(shè)計裝置可在光伏系統(tǒng)中實現(xiàn)準確檢測。電弧的燃燒過程較為復(fù)雜，會給電壓與電流波形帶來變化的高頻分量，因此提取特征變量較為困難。針對該問題，文獻［10］提出以動態(tài)時間規(guī)整距離為電弧特征的識別算法，文獻［11］將電弧等效為電阻，通過頻譜積分計算電流能量以判斷電弧故障。

然而，上述電弧故障檢測方式都存在一些問題。首先是選擇的直流電弧特征不明顯，容易受到周圍環(huán)境的干擾。如聲、光等物理信號受負載類型與環(huán)境因素影響較大，難以準確分辨故障狀態(tài)與正常工作狀態(tài)。其次，現(xiàn)有設(shè)計的電弧識別算法復(fù)雜且需要硬件設(shè)備支持，難以部署于實際應(yīng)用。

本文學(xué)習(xí)并參考目前主流的設(shè)計思路，基于時頻域分析的方法提出可在3種負載環(huán)境下識別電弧故障的檢測裝置。

1"實驗平臺搭建

為了更好地研究電弧電氣特性，結(jié)合實際用電設(shè)備使用環(huán)境下電弧發(fā)生的方式，最大限度地模擬實際電弧發(fā)生時的影響條件因素，搭建試驗平臺。直流電弧實驗平臺如圖1所示。

該平臺中使用的直流電源電壓為110 V，電流數(shù)據(jù)的采集是通過電流傳感器和示波器進行采集后傳輸至上位機，其中示波器（型號為6404D）的分辨率為32位、采樣頻率為100 kHz。試驗中所用到的負載包括電阻、開關(guān)電源和電機。

實驗控制箱的拉弧電機開斷速度可調(diào)節(jié)，負載可通過斷路器選擇，并可通過設(shè)置觸頭開斷間距以驗證不同拉弧間距在直流電路中對電弧波形的影響。

2"電弧數(shù)據(jù)采集與分析

不同負載類型的燃弧特性會呈現(xiàn)不同的特征。為了更好地呈現(xiàn)不同負載的特征，以負載類型進行分類，使用上一章所搭建的電弧實驗平臺模擬電弧故障發(fā)生，采集電流波形并加以分析。各類負載下直流電弧電流波形如圖2所示。

分析圖2可知，電弧故障電流波形在時域中都呈現(xiàn)相同的趨勢，即電弧產(chǎn)生瞬間電流陡降，并持續(xù)下降至斷弧。分析具體波形特征可知，電阻負載電弧故障和電機負載電弧故障波形幾乎沒有區(qū)別，而開關(guān)電源由于含有容性負載成分，在拉弧瞬間產(chǎn)生電流下降尖峰，一定程度上呈現(xiàn)衰減正弦波特征。

2.1"電弧數(shù)據(jù)時頻域分析

根據(jù)前述分析可知，只依據(jù)時域上的特征判斷不足以判斷復(fù)雜環(huán)境中的電弧故障電流，本節(jié)則在時頻域上對電流的特征進行分析與總結(jié)。電弧故障發(fā)生過程中電流波形如圖3所示。其中負載為1.4 Ω純電阻，拉弧間距3 mm，拉弧速度20 mm/s。由圖3可見，電弧故障發(fā)生的3個階段：正常運行、電弧產(chǎn)生、電弧拉斷。分別截取正常工作狀態(tài)和電弧故障狀態(tài)數(shù)據(jù)，并對其進行快速傅里葉變換。電弧故障電流的頻譜分析如圖4所示。

分析圖3可知，正常運行時電流大小為68.5 A，波形有小幅度噪聲，整體平穩(wěn)幅值變化較小;在電弧發(fā)生的瞬間，電流突然下降約1/7，并保持下降趨勢約210 ms。在宏觀時域中電弧故障狀態(tài)電流較正常工作狀態(tài)電流幅值較小，并且幅值隨時間呈下降趨勢。

分析圖4可知，正常工作狀態(tài)與電弧故障狀態(tài)的頻譜在0～10 kHz的低頻段內(nèi)幅值差距較大，而在10～100 kHz重合度較高。故分辨電弧故障狀態(tài)電流與正常工作狀態(tài)電流的頻率特征值主要分布在10 kHz內(nèi)的低頻段，可以據(jù)此特征設(shè)計算法判斷電弧故障?；芈冯娏鞯念l域能量在50 kHz以內(nèi)較為明顯，根據(jù)奈奎斯特采樣定理，本文選取的采樣頻率為100 kHz。

2.2"特征值提取

基于上一節(jié)分析，可知通過頻域特征能較好地判斷電弧故障。但直流電弧故障持續(xù)時間長，采集數(shù)據(jù)數(shù)量大，嵌入式設(shè)備難以直接對整個燃弧周期進行頻域變換。因此本文采用短時傅里葉變換（STFT），將電弧周期分為5個窗口，對每個窗口依次進行計算再加以分析。電弧故障電流特征值提取如圖5所示。

分析圖5可知，窗口1為電弧發(fā)生波形，產(chǎn)生下降沿，在波形下降的過程中產(chǎn)生了一個向下的尖峰值，該尖峰值有明顯的開關(guān)電源負載電弧特性。由后續(xù)窗口2～窗口5的波形可知，電弧進入平穩(wěn)燃弧階段。在后續(xù)程序設(shè)計中，將窗口1視作第一檢測部分，將后續(xù)4個窗口視作第二檢測部分，將2部分頻譜作為數(shù)據(jù)源進行特征值計算。

3"電弧故障檢測程序設(shè)計

依照上章中對電弧故障波形的窗口分割與分析，確定從窗口1與窗口4提取頻域特征值。本章進行100組電阻負載拉弧實驗，采用頻域階段比值法，將低頻段特定兩段頻譜積分取比值，得到一系列頻譜的特征值——Rarc1、Rarc2、Rarc3與Rarc4，標志該系列特征值為通過窗口1提取的4個特征值。該系列特征值計算公式為

Rarc1=sum（3～20）sum（40～57）（1）

Rarc2=sum（3～50）sum（50～97）（2）

Rarc3=sum（3～70）sum（80～120）（3）

Rarc4=sum（3～100）sum（100～197）（4）

式中："sum（i～j）——頻譜圖中頻率i～j范圍內(nèi)幅值之和。

電阻負載條件下特征值散點圖如圖6所示。由圖6可知，該特征值分散均勻，非常適合檢測。在實際測試中，該系列特征值對除電阻負載及開關(guān)電源負載正常運行外的情況區(qū)分效果明顯。

針對窗口4，本文設(shè)計一系列特征參數(shù)用以區(qū)分電弧故障與正常工作電流，分別為SRarc1和SRarc2，標志該系列特征值為通過窗口4提取的2個特征值。該系列特征值計算公式為

SRarc1=sum（40～160）sum（380～500）（5）

SRarc2=sum（45～75）sum（90～120）（6）

在實際測試中，該系列特征參數(shù)對排除開關(guān)電源上電波形與電機負載上電波形效果良好。開關(guān)電源并聯(lián)電阻負載條件下特征值散點圖如圖7所示。由圖7可見，該特征值分布均勻，區(qū)分明顯。

根據(jù)上述分析設(shè)計電弧故障檢測算法，電弧故障檢測流程如圖8所示。首先判斷主回路是否已掉電，算法僅在主回路帶電運行階段才開啟電弧檢測部分程序。當(dāng)電弧故障檢測程序開啟后，通過控制直接存儲器存取（DMA）通道的關(guān)斷，選取ADC采樣模塊采集到的主回路電流數(shù)據(jù)。所選傳感器的響應(yīng)時間＜10 μs，采樣模塊以100 kHz的頻率進行采樣，選取4 096個時域點作為電弧檢測數(shù)據(jù)窗口。通過判斷是否含有尖峰值初步排除電弧故障。若不存在尖峰值，將采樣點進行短時傅里葉變換分析，進行下一步計算;若存在尖峰值，則進行循環(huán)檢測。

4"算法驗證

為驗證算法的準確率及誤判率，本文進行了5 000組不同負載類型的電弧故障檢測實驗。在實驗中，當(dāng)檢測裝置判斷出電弧波形時，檢測裝置將會控制主回路繼電器斷開，以此判斷檢測裝置是否成功檢測到電弧。電弧故障檢測程序測試結(jié)果如表1所示。

5種負載類型實驗共計5 000組，計算出未檢測到電弧實驗數(shù)據(jù)的百分比。另外，還將每組負載在正常工作條件下測試1 000次，并統(tǒng)計發(fā)生誤判的次數(shù)。由表1可知，檢測裝置的綜合電弧判斷準確率為94.44%;本文所提方法在各種負載組合下均沒有發(fā)生誤判，說明本文所提方法具有較好的穩(wěn)健性。

5"結(jié)"語

本文根據(jù)電路中的電流信號，提出一種基于短時傅里葉變換的直流電弧故障檢測方法;然后通過將電流信號劃分為不同窗口，并提取窗口中電流信號的頻域特征;設(shè)計相應(yīng)的直流電弧故障檢測程序，并將其嵌入至單片機中;最后通過大量實驗驗證不同負載條件下所提方法的有效性與抗干擾能力，實現(xiàn)較高的檢測準確率和極低的誤判率。本文從直流電弧電流波形中截取差異更大的波段，通過大量實驗數(shù)據(jù)采集后，分析各個負載條件下頻域波形的特征，并構(gòu)建相應(yīng)的閾值，這種多閾值的組合判斷使得對故障的檢測更為精確。

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收稿日期： 20240622