电弧故障检测系统和方法
电弧故障检测系统和方法
【专利说明】
【背景技术】
[0001]电气系统中的电弧是一种公知但不需要的现象，通常是由于系统组件的较差安装流程或者系统中的导体或绝缘体故障，在两个导体之间或者与地之间产生电弧路径而造成的。电弧可以立即或者经过一段时间之后损坏电气系统组件，并且可以导致潜在不利的电路断开。如果电弧具有足够的电流和电压，则它可以变成持续电弧，持续电弧基本上恒定或者以固定或不固定间隔再现。持续电弧对于诸如焊接之类的应用而言是有利的，但是在其它应用中，不需要的持续电弧可能会融化、侵蚀或以其它方式损坏系统组件，并且可能降低系统的总体性能。在一些电气系统中，持续电弧可以是以非常小的电流水平产生的。
[0002]自调节电气系统可能易受到这种现象的影响。这样的电气系统可以包含基于聚合物的半导电组件，其通过添加炭黑、碳纳米管或其它导电材料来获得导电性。特别地，在伴热(trace heating)应用中使用的自调节加热电缆在不适当安装或损坏时可能易受到这种现象的影响。在这样的电缆中，平行的承载电流的总线线路通常彼此间隔开。在实心的加热电缆中，总线线路被半导电的、基本上实心的聚合物加热元件分隔开。在纤维加热电缆中，总线线路被非导电隔离片彼此绝缘，并且半导电纤维加热元件螺旋地缠绕在总线电缆周围。在正常状况下，加热电缆不显示电弧故障。然而，如果电缆被不适当地安装或损坏，则总线电缆可以变得部分暴露，并且如果它们暴露于水中并且通电，则可能会在这些暴露的线路之间产生持续电弧。例如，如果电缆安装在潮湿区域，则暴露的总线电缆可能会接触水或者淹没于水中。依赖于特定的环境，水可能发起不能使电路保护设备跳闸但是可能损坏加热元件并释放导电粒子的持续电弧。这些粒子可能加剧电弧并带来其它损坏。
[0003]电气系统常常采用包括电弧检测器在内的电路保护设备，电弧检测器在检测器检测到超过某个阈值或接触某个组件的电弧时，例如通过使断路器跳闸或发起警报来将系统置于“故障”状况。常规的断路器被设计为通过检测过载和短路来保护电路。在这些状况中转移的电流量较高，因此这些设备对电流变化具有较低的敏感性，从而避免错误警报，其中错误警报将会没有必要地断开电路。相反，剩余电流设备(“RCD”)被配置为在该设备检测到系统电流的过度不平衡时断开电路的连接，其中系统电流的过度不平衡可以由以电弧方式向正常情况下不承载系统电流的导体转移电流引起。包括接地故障断流器(“GFI”)、接地漏电断路器“ELCB”、安全开关和跳闸开关的RCD被配置具有比常规断路器低得多的敏感性，并且能够检测到电弧诱发的、不使断路器跳闸的不稳定的电路行为。以这种低敏感性，RCD必须被进一步配置为在电弧诱发的电流变化与电气系统中的正常电路操作引起的电流变化之间进行区分，其中正常电路操作诸如是开关的致动、电机的激活或禁用、或者通过拔去或其它方式突然移除负载。这给RCD增加了成本和复杂度，并且假阳性的电路中断仍然是现有R⑶的一个主要缺点。而第三种类型的设备一电弧故障电路断流器(“AFCI”)可以检测电流在频率和时间两者上的变化，其并不是任何常规电气负载的特性。然而，虽然AFCI可以比一些RCD敏感并且还可以检测负载与不涉及地的中性端之间的电弧，但是实验性测试已经表明AFCI仍然没有敏感到足以检测商用的自调节加热电缆中的持续电弧。
[0004]特别地，对部署已知的商用AFCI以检测电伴热系统(包括自调节的基于聚合物的加热电缆)中的持续的总线到总线电弧故障以及接地故障和其它电弧故障的尝试已经失败。
【发明内容】
[0005]本发明的一些实施例提供了一种检测电伴热系统中的持续电弧的方法。所述方法包括:在预定的时间分段上通过采用诸如分流或感测电阻器、电感线圈或霍尔效应传感器之类的适当的传感器，收集电缆信号的电压和电流数据。可以在时域中以1kHz或更大的速率、并且通常为4-lOOkHz，对传感器进行采样。然后对这些数据进行分析以获得电缆信号的频谱信息。频谱信息可以是从线信号的采样中提取的并且可以包括频率分量和幅度分量。所述方法还可以包括:从频谱信息中移除线路频率特征，所述线路频率特征包括电气系统的线路电流频率以及线路电流频率的一个或多个谐波。所述方法还可以包括:从所述频谱信息中提取一个或多个谐波外频带，以及分析谐波外频带以确定电弧特征的存在。
[0006]本发明的一些实施例提供了一种检测诸如自调节的加热电缆之类的特定类型的自调节电气系统中的持续电弧的方法，其中，将谐波外频带与该类型的电气系统中的电弧特征的短期历史值进行比较，所述短期是若干秒到若干分钟的数量级。本发明的其它实施例提供了一种检测诸如自调节的加热电缆之类的特定类型的自调节电气系统中的持续电弧的方法，其中，将谐波外频带与该类型的电气系统中的电弧特征的长期历史值进行比较，所述长期是若干天到若干月的数量级。
【附图说明】
[0007]图1是根据本发明一个实施例、用于检测加热电缆中的持续电弧故障的系统的示意图；
[0008]图2是针对不具有持续电弧的加热电缆的示例性电流频率频谱的图；
[0009]图3是针对具有持续电弧的加热电缆的示例性电流频率频谱的图；
[0010]图4是示例性的、被划分时间分段的谐波外频带频谱的图；
[0011]图5是示出了检测加热电缆中的持续电弧的方法的流程图；
[0012]图6是示出了检测加热电缆中的持续电弧的另一方法的流程图；
[0013]图7是不具有持续电弧的加热电缆中的示例性滤波后的谐波外频带的图；
[0014]图8是具有持续电弧的加热电缆中的示例性滤波后的谐波外频带的图；
[0015]图9是不具有持续电弧的加热电缆中的示例性的、被划分时间分段的、滤波后的谐波外频带响应的图；
[0016]图10是具有持续电弧的加热电缆中的示例性的、被划分时间分段的、滤波后的谐波外频带响应的图；
[0017]图11是从将匹配滤波器应用于图4的图而导出的示例性的匹配滤波器属性范围的图；
[0018]图12是从将匹配滤波器应用于图10的图而导出的示例性的匹配滤波器属性范围的图；
[0019]图13是从将匹配滤波器应用于图11的图而导出的示例性的匹配滤波器属性范围的图。
【具体实施方式】
[0020]在详细解释本发明的任何实施例之前，应当理解的是，本发明在其应用方面并不局限于以下描述中阐明的或者附图中示出的组件的构造和布置的细节。本发明能够具有其它实施例并能够用各种方式实施或执行。而且，还应当理解的是，本申请中使用的短语和术语是为了描述的目的，并且不应当被认为是限制性的。在本申请中使用的“包括”、“包含”或者“具有”以及它们的变型意味着涵盖下面所列的项及其等效物以及附加项。除非另外指定或限制，术语“安装”、“连接”、“支持”和“耦接”及其变型广泛地被使用，并涵盖直接和间接的安装、连接、支持和耦接。此外，“连接”和“親接”并不限于物理或机械的连接或耦接。
[0021]给出以下讨论以使得本领域技术人员能够实现并使用本发明的实施例。对本领域技术人员而言，对所示实施例的各种修改都将是显而易见的，并且本申请的一般性原理可以应用于其它实施例和应用，而不背离本发明的实施例。因此，本发明的实施例不旨在局限于所示实施例，而是符合与本申请公开的原理和特征相一致的最宽范围。参考附图来阅 读以下详细描述，在这些附图中，不同附图中的相同元件具有相同的引用编号。这些附图不一定按比例绘制，它们描绘了被选择的实施例，并且不旨在限制本发明的实施例的范围。熟练的技术人员将认识到，本申请中提供的示例可以具有许多有用的替代，并且落入本发明的实施例的范围。
[0022]图1示出了根据本发明一个实施例的持续电弧监测系统10。系统10可以包括针对一个或多个电路的监测和报告布置，每个电路包括加热电缆12。加热电缆12可以是伴热系统中使用的加热电缆，并且加热电缆12的长度可以处于小于一米与大于200米之间。合适的加热电缆12包括但不限制于，带电缆(zone cable)、自调节电缆、具有用于传导电流的平行总线线路14、16的其它电缆以及具有可能变得易于受到持续电弧影响的一个或多个承载电流的线路的其它加热电缆。在一个实施方式中，加热电缆12是实心的自调节加热电缆，其具有基本上围绕总线电缆14、16的半导电聚合物加热元件18。总线线路14、16可以附接到交流电源20的对立端。电源20为全部电路提供电流，本申请中称为线路电流。可以以任何适当的交流电频率(以下称为线路频率)产生线路电流。通常地，线路频率是50Hz或60Hz，如主电源所提供的那样，但是由于电气系统中的组件的特性，线路频率可能显著地偏离预期频率。参考附图，线路频率在本申请中被描述为60Hz，但是将理解的是，所描述的系统和方法可以在任何线路频率或偏离的线路频率下使用。
[0023]诸如TRIAC之类的电路断流器22可以置于第一总线线路14和电源20之间。电路监测器24可以置于第二总线线路16与电源20之间。电路监测器包含诸如分流电阻器、霍尔效应探针、电感线圈或变压器之类的电流探针以及后续的调节电子器件。输入电压监测器26可以布置为与电源20进行电通信。电压监测器可以由感测电阻器或任何其它电压计和后续的调节电子器件组成。控制单元28可以被配置为从电路监测器24和输入电压监测器26中的一个或多个接收输入。控制单元28可以是具有用于实施期望系统10的适当能力的微控制器、数字信号处理器、或其他控制设备或控制设备阵列。控制单元28可以被配置为基于来自电路监测器24和输入电压监测器26的输入，执行本申请描述的持续电弧检测方法中的一个或多个方法。控制单元28可以与电路断流器22电通信，以使得如果对相应电路监测器24的输入的分析表示存在持续电弧，则指示电路断流器22中断电流。
[0024]系统10可以被配置为以至少1kHz、但通常在4-100kHz之间的采集率在时域中收集电流和电压测量值。系统10可以从所收集的数据中提取与供应给加热电缆12的线路电流的频率和幅度有关的频谱信息。输入电压监测器26可以通过横跨电源20连接到电路来收集线路电流数据。此数据流在本申请中被称为加热电缆12的“输入信号”，并且可以包含一个或多个电压测量值以及频谱信息，频谱信息包括收集数据流所处于的离散时间分段期间的频率和幅度分量。输入电压监测器26可以将输入信号发送到控制单元28以用于处理。输入信号可以提供对线路频率及其整数谐波以及它们的幅度的独立测量值，以在从电缆信号中提取关于电弧特征的信息时使用。输入信号还可以提供针对电缆信号中引起错误警报的异常输入频率、幅度和相位波动的禁止(veto)。在部署加热电缆的环境中，在正常操作期间，强到足以引起这种错误触发的波动是罕见并预料不到的，但是却是可能的。可以进行经验测量，其对将引起假阳性的线路频率和幅度波动的阈值进行校准，并且这些测量值可以在禁止中使用。电路监测器24可以在其受加热电缆12的影响时收集线路电流的数据流。此数据流在本申请中被称为“电缆信号”，并且可以包含一个或多个电流测量值以及频谱信息，频谱信息包括收集数据流所处于的离散时间分段的频率和幅度分量。电路监测器24可以将电缆信号发送到控制单元28以用于处理。
[0025]虽然上面的电路和下面的方法是参考自调节加热电缆描述的，但是所述电路和方法可以针对包含基于聚合物的半导电组件的任何自调节电气系统而实施，基于聚合物的半导电组件通过添加炭黑、碳纳米管或其它导电材料获得导电性。这样的自调节电气系统是根据关于加热电缆12描述的原理实施的，并且因此可以从所描述的电弧检测方法中获益。
[0026]加热电缆12是一种内在噪声环境，由于设计的一些线路电流向热能的转换而带来电损耗。另外，加热电缆12可以具有非线性的阻抗-电压关系，这产生线路频率的较强的谐波分量。图2示出了电缆信号的频谱信息的示例，其中相对平坦的基线噪声电平被幅度峰值加强，除了主线路电流频率以外，还包括比标准负载中强得多的奇次谐波分量。作为说明，在图2中，线路频率大约是60Hz并且谐波峰值在基频率的整数倍的所有频率处都出现，而奇次谐波180Hz、300Hz、420Hz等等占主导。对于当前的示例，这些谐波可见高达大约1kHz，但是上限频率依赖于傅里叶变换的积分窗口，并且在一些实施方式中可能更高。上限频率可以是线路频率的至少若干倍。
[0027]图2表示正常运行的加热电缆12所产生的基线电缆信号的幅度频谱。即，在图2中监测的加热电缆12不具有任何持续电弧。加热电缆12的基线电缆信号可以直接从加热电缆12获得，诸如通过在基线时间标度的过程中现场收集数据并从该数据中导出频谱信息，如本申请所描述的那样，以便确定电弧特征的渐进发展，基线时间标度可以如电弧事件之前的几秒钟那样短，或者如一天、若干天或者甚至若干星期那样长。可替代地，可以通过在现场将本申请的检测方法应用于加热电缆12之前，对加热电缆12本身或者其代表性样品进行实验室测试来获得基线电缆信号。与图2相反，图3示出了在存在持续电弧时电缆信号的频谱信息的示例。该电缆信号与图2的基线电缆信号相比看起来具有普遍较高的噪声量。然而，电缆信号中的附加幅度中的一些或全部可以由持续电弧贡献，并且在其中电弧特征是可以检测到的。
[0028]由于持续电弧的典型幅度是线路电流和线路电流谐波的幅度中较小的一部分，因此电弧对线路电流谐波的影响，即为当前商用电弧检测的常用特征，是可忽略的。另一方面，持续电弧可以显示为具有与背景噪声相比很不同的时域特征的区分信号。图4经由在大约是基本周期17ms的三倍的持续时间上，两个线路电流谐波之间的频率范围内的幅度变化的扩展对比视图示出了这种情况。两个线路电流谐波之间的频率范围在本申请中通常被称为“谐波外频带”。谐波外频带可以具有离散的、可测量的范围。例如，对于60Hz的线路频率而言，谐波外频带可以包括61Hz与119Hz之间、或者65Hz与115Hz之间、或者70Hz与110Hz之间等等的频率，假设这样的频率范围不包括线路电流所贡献的幅度峰值。如图4所示，电弧电缆信号的幅度40在持续电弧的每次放电时达到峰值，并且可以以具有与线路频率同步的周期性被调制。相反，基线电缆信号的幅度42仍然保持在此时域的基线噪声水平处。
[0029]在本发明的一些实施例中，可以在一个或多个谐波外频带内检测电弧信号，并且可以监测线电压中的强波动以消除假阳性。因此，对线路频率及其谐波的监测可以被限制到仅仅用于禁止输入电压波动所需要的程度。考虑到比关注的最高频率幅值大一个数量级的采样频率提高采样质量，可以在通过加热电缆12之前以及之后，以待分析的最大频率的至少两倍的采样频率来监测线路电流。10kHz的采样率是足够保守的值，但是合理的范围是4-lOOkHz之间。对所收集的频谱信息进行分析所处于的时间分段可以大到足以 是统计相关的，但是比加热电缆的热平衡时标小。例如，时间分段可以是0.5-2秒。在一个实施例中，为了警告以防备快速进展的电弧，可以在当前时间之前的若干秒或若干分钟将电弧特征与基线读数进行比较。在另一实施例中，可以从加热电缆12的长期部署历史或者从在针对特定的加热电缆类型的实验室测试中确定的值中，获得基线，其中加热电缆12的长期部署历史诸如若干星期、月份或年。
[0030]本申请中描述的检测方法可以由控制单元或者由任何适当的计算单元或计算单元组执行。在一些实施例中，该检测方法的一些步骤可以在现场执行，而其它步骤在实验室或者在远离加热电缆12的位置的其它数据分析位置处执行。例如，频谱信息可以由被设置与加热电缆12通信的数据记录器收集，并且数据记录器可以通过有线或无线连接将所收集的数据发送到高性能个人计算机或大型机。图5示出了用于通过分析电缆信号的频谱信息检测持续电弧的方法的一个实施例。在步骤50处，控制单元从电缆信号的频谱信息中移除线路频率特征。线路频率特征包括基线频率，以及高达最高关注频率的谐波频率，其中最高关注频率一般为大约1kHz。对线路频率特征的移除允许在后续步骤中使用计算高效的带通滤波器。特别地，在步骤52处，微控制器可以使用高效的带通滤波器从电缆信号中提取符合情境的适当数量的谐波外频带。所需要的频带的数量依赖于被执行的检测:对于检测在较长的加热电缆中是否存在持续电弧而言，较小数量的频带可能就足够了，这是因为较高的频带被衰减得更多，这导致可能降低的敏感性。在较短的加热电缆中，更多的频带是可用的。每个频带都可以在预定的时间分段上被提取，并且可以将所提取的信息进一步划分成时间分段。在步骤54处，微控制器可以将特征模式识别过程应用于所提取的频带的时间分段。模式识别可以包括应用匹配滤波器以增强电弧特征(如果存在的话)，如下面进一步所描述。如果模式识别指示存在电弧，则在步骤56处，微控制器可以发送警报、中断电路或者两者。
[0031]图6示出了图5的方法的实施方式。从电缆信号的频谱信息中移除线路频率特征可以包括:在步骤60处，获得输入信号。可以从电源20或者从加热电缆12获得输入信号。输入信号包括线路电流的频率和幅度分量。线路频率是50Hz或60Hz，这依赖于管辖范围(jurisdict1n)，但是电流的波动可能会使线路频率从理论上的频率连续地偏离多达5Hz或者更多，尤其是在电源来自诸如发电机之类的本地源时。为了精确地移除线路频率特征，在步骤62处，控制单元可以确定实际的、实时的线路频率。微控制器可以执行对输入信号的自适应陷波滤波，以识别线路信号的周期。在一个实施例中实施的自适应陷波滤波器所应用的滤波算法，通过最小化输入信号函数V(t)与函数y(t)之间的差分e(t)来使输入信号函数V(t)与谐波函数y(t)、Φ (t)匹配:
[0032]φ (t) =w(t)t+5(t)
[0033]y(t)=A(t)sin( Φ (t))
[0034]而结果e(t)是信号中可能包含电弧特征的部分:
[0035]e(t)= |V(t)-y(t)
[0036]控制单元可以连续地或者以固定间隔重新计算并最小化e(t)，以便跟踪线路频率ω、幅度Α和相位Φ。作为移除基频率的结果，对于每个谐波项η还通过最小化残差en(t)从信号中移除后续谐波。误差的最小化可以消除或者抑制谐波的过度匹配，使得在下一步骤中仅仅移除与线路频率同相的谐波。
[0037]在步骤64处，控制单元可以从电缆信号中移除线路频率特征，其包括实际的线路频率及其谐波Nfo，其中N是与线路频率相乘达到关注的最高频率的整数。
[0038]提取谐波外频带可以包括:在步骤66处，应用一个或多个带通滤波器以获得所期望的频带。由于对线路频率特征峰值进行陷波移除，合适的带通滤波器可以包括计算高效的滤波器，例如能够提取高达大约1.2kHz的大约30个带的实时的、递归的、椭圆-陷波滤波器。在频带的中心频率周围的适当宽度处，合适的滤波器配置可以提供大约40dB的抑制或者更好的抑制。这种配置通过可能包括电弧特征并排除线路频率特征的任何其余部分的的频率选择。通带可以包括信号波纹以最小化滤波器中的误差。图7示出了对基础电缆信号的两个谐波外频带80、82进行提取和滤波的示例，谐波外频带80、82是60-120HZ以及120-180Hz，不包括首尾值。通带频率的幅度反映了基线噪声水平。图8示出了对电弧电缆信号中相同的两个频带90、92进行的提取和滤波。通带频率的幅度反映了具有由电弧特征的频率贡献的峰值的基线噪声水平。
[0039]再次参考图6，在步骤68处，可以将滤波后的电缆信号划分成时间分段。与一个线路周期相比，时间分段较大，但是与在其中电弧可以触发故障状况的典型时间标度相比，时间分段较小。合适的时间分段已经被确定处于大约0.5-3秒的范围，并且更具体地大约1-2秒的范围。为了避免时间边界效应以及可能丢失信息，可以同时分析两个数据流，其中时间分段边界最多偏离时间分段的一半。例如，图9和10不出了在1.5秒的时间分段中图7和8的频带。图9示出了 1.5秒的从基础电缆信号记录的频带80、82。频带80、82保持在基本类似且相对稳定的幅度处。相反，图10示出了 1.5秒的从电弧电缆信号记录的频带90、92。对于时间分段的大约最后0.5秒，两个频带90、92的幅度均急剧达到峰值。这些峰值指示由持续电弧引起的电流变化。
[0040]针对足够短的加热电缆，例如大约12米或更短的加热电缆，电弧信号可以在过滤后的电缆信号中占主导，达到允许在滤波之后在不应用模式匹配滤波器的情况下立即识别出电弧信号的程度。在这样的一个实施例中，如果滤波后的电缆信号的幅度超过一定的阈值，则微控制器可以发送警报、断开电路或者两者。在较长的加热电缆中，可能需要更复杂的模式匹配。再次参考图6，应用电弧特征模式识别过程可以包括:在步骤70处，将一个或多个匹配滤波器应用于被划分时间分段的、滤波后的、电缆信号的谐波外频带。每个匹配滤波器可以包括从已知电弧特征适配得到的模式，可以通过对每种类型的自调节加热电缆进行的实验室测试确定模式。在一个实施例中，匹配滤波器可以被配置为根据方程y[t]=XbMATCHED,nx[t-n*dt].，将电缆信号与周期是线路频率周期的一半的模式进行卷积。持续电弧可以与这种匹配滤波器同步。如果存在持续电弧，则由匹配滤波引起的指示符信号将是对电缆信号的明显增强的整流。指示符信号包括匹配滤波器的属性，其是将匹配滤波器模式与电缆信号卷积的产物。图11示出了根据图4从信号获得的指示符信号的时间剖面线。电弧电缆信号120的匹配滤波器属性被放大，示出了与使用的电缆的匹配滤波器模式相适应的电弧特征的存在。基线电缆信号的匹配滤波器属性122保持相对较低。图12和13示出了针对基础电缆信号的频带80、82以及电弧电缆信号的频带90、92产生的指示符信号。在其它实施例中，可以使用诸如小波滤波之类的其他滤波技术代替匹配滤波。
[0041]再次参考图6，可以使用每个频带的匹配滤波结果确定是否存在持续电弧。在步骤72处，微控制器可以记录每个时间分段中每个频带的指示符信号的平均值和最大值。这些值可以用于导出在所有频带上指示符信号的历史中间均值和历史中间峰值。可以使用在现场从加热电缆12收集的基线电缆信号、或者使用特定类型的加热电缆12的实验室获得值导出历史值。在步骤74处，可以将匹配滤波器属性 与导出的历史中间值进行比较。在一个实施例中，作为电弧特征，每个时间分段内指示符信号超过中值或历史信号最大值的时间量可以被用作第二指示符信号。在另一实施例中，在已经确定电弧的时间段上测量的信号与历史基线之间的积分差异被用作第二指示符信号。如果在预定数量的频带中第二指示符信号大于预定阈值，则在步骤56处，微控制器可以发送警报、断开电路或者两者。
[0042]所描述的持续电弧检测系统可以被配置为检测被监测电气系统中的其它电弧现象。在一个实施例中，所述系统可以根据所描述的检测方法中的一个或多个方法或者其子集检测接地故障。例如，可以将与已知的接地故障特征相对应的匹配滤波器应用于被划分时间分段的、过滤后的、电缆信号的谐波外频带。在另一示例中，接地故障特征可以是可见的，而不需要匹配滤波，并且如上所述可以被检测。
[0043]本领域技术人员将清楚的是，虽然上面结合特定实施例和示例描述了本发明，但是本发明不一定局限于此，并且各种其它实施例、示例、用途、修改以及与实施例、示例和用途的偏离旨在被附于此的权利要求涵盖。本申请中引用的每个专利或出版物的整个公开内容通过引用方式并入本申请，就像每个这样的专利或出版物通过引用方式单独并入本申请一样。在以下权利要求中阐明本发明的各种特征和优点。
【主权项】
1.一种检测电伴热系统中的持续电弧的方法，所述方法包括: 在预定的时间段上通过在时域中对电缆信号进行采样来收集所述电缆信号； 从所述电缆信号的采样中提取频谱信息，所述频谱信息包括频率分量和幅度分量； 从所述频谱信息中移除线路频率特征，所述线路频率特征包括所述电伴热系统的线路电流频率以及所述线路电流频率的至少一个谐波； 从所述频谱信息中提取至少一个谐波外频带；以及 分析所述至少一个谐波外频带以确定是否存在电弧信号。2.如权利要求1所述的方法，其中，移除所述线路频率特征包括: 跟踪包含所述线路频率特征的输入信号； 在所述输入信号被跟踪时从所述输入信号中提取所述线路电流频率；以及 使用所述线路电流频率从所述频谱信息中移除所述线路频率特征。3.如权利要求2所述的方法，其中，从所述输入信号中提取所述线路电流频率包括将自适应陷波滤波器应用于所述输入信号。4.如权利要求1所述的方法，其中，提取所述至少一个谐波外频带包括，将至少一个带通滤波器应用于所述频谱信息，所述至少一个带通滤波器包括通带，该通带不包括所述线路电流频率并且不包括所述线路电流频率的谐波中的任何一个谐波。5.如权利要求1所述的方法，其中，提取所述至少一个谐波外频带包括将所述至少一个谐波外频带划分成至少一个时间分段。6.如权利要求5所述的方法，其中，所述至少一个时间分段在0.5秒与3秒之间。7.如权利要求1所述的方法，其中，分析所述至少一个谐波外频带以确定是否存在电弧信号包括: 将匹配滤波器应用于所述至少一个谐波外频带以获得指示符信号；以及 确定所述指示符信号是否超过阈值，所述阈值指示是否存在所述持续电弧。8.如权利要求7所述的方法，其中，所述匹配滤波器包括从已知电弧特征适配得到的模式，所述模式是通过对某种类型的加热电缆的实验室测试而确定的。9.如权利要求7所述的方法，其中，分析所述至少一个谐波外频带以确定是否存在电弧信号还包括，导出所述频谱信息的至少一个历史值，并且其中，确定所述指示符信号是否超过阈值包括:确定所述指示符信号超过所述至少一个历史值多久。10.如权利要求7所述的方法，其中，分析所述至少一个谐波外频带以确定是否存在电弧信号还包括，导出所述频谱信息的至少一个历史值，并且其中，确定所述指示符信号是否超过阈值包括:确定所述指示符信号超过所述至少一个历史值多少。11.一种检测电伴热系统中的持续电弧的方法，所述方法包括: 在预定的时间段上通过在时域中对电缆信号进行采样来收集所述电缆信号； 从所述电缆信号的采样中提取频谱信息，所述频谱信息包括频率分量和幅度分量； 从所述频谱信息中移除线路频率特征，所述线路频率特征包括测量的线路频率以及所述测量的线路频率的至少一个谐波； 将多个带通滤波器应用于所述频谱信息以获得多个谐波外频带； 将所述多个谐波外频带划分成多个时间分段； 将匹配滤波器应用于所述多个时间分段，所述匹配滤波器被配置为放大电弧信号；以及 确定在所述多个时间分段中是否存在所述电弧特征。12.如权利要求11所述的方法，其中，所述多个时间分段中每一个时间分段的长度在大约0.5秒与3秒之间。13.如权利要求11所述的方法，其中，将所述匹配滤波器应用于所述多个时间分段产生指示符信号，并且其中，确定在所述多个时间分段中是否存在所述电弧特征包括:确定所述指示符是否超过所述频谱信息的幅度分量的至少一个历史值。14.如权利要求13所述的方法，其中，确定在所述多个时间分段中是否存在所述电弧特征还包括:确定所述指示符超过所述至少一个历史值多久。15.如权利要求11所述的方法，还包括: 跟踪包含所述线路频率特征的输入信号；以及 从所述输入信号中提取所述测量的线路频率。16.如权利要求15所述的方法，其中，从所述输入信号中提取所述测量的线路频率包括:将自适应陷波滤波器应用于所述输入信号。17.一种检测电伴热系统中的持续电弧的方法，所述方法包括: 在预定的时间段上收集电缆信号； 从所述电缆信号中提取频谱信息，所述频谱信息包括频率分量和幅度分量； 跟踪包含线路频率特征的输入信号，所述线路频率特征包括测量的线路频率以及所述测量的线路频率的至少一个谐波； 在所述输入信号被跟踪时从所述输入信号中提取所述测量的线路频率； 从所述频谱信息中移除所述线路频率特征； 将多个带通滤波器应用于所述频谱信息以获得多个谐波外频带； 将所述多个谐波外频带划分成多个时间分段； 将匹配滤波器应用于所述多个时间分段以获得指示符信号，所述匹配滤波器被配置为放大电弧特征；以及 确定所述指示符信号是否超过阈值，所述阈值指示是否存在所述持续电弧。18.如权利要求17所述的方法，还包括，导出所述频谱信息的至少一个历史值，并且其中，确定所述指示符信号是否超过阈值包括:确定所述指示符信号超过所述至少一个历史值多久。19.如权利要求17所述的方法，还包括，导出所述频谱信息的至少一个历史值，并且其中，确定所述指示符信号是否超过阈值包括:确定所述指示符信号超过所述至少一个历史值多少。
【专利摘要】本发明的实施例提供一种用于检测包含基于聚合物的半导电组件的电气系统中的持续电弧的系统和方法，所述组件从炭黑、碳纳米管或其它导电材料获得导电性。在一个时间段上，收集电缆信号的电流和电压数据，从这些数据中提取频谱信息。频谱信息具有频率分量和幅度分量。对电缆信号进行处理以移除线路频率特征，线路频率特征包括电气系统的线路电流频率及其谐波。从电缆信号中提取一个或多个谐波外频带，并对其进行分析以确定其中存在电弧特征。对谐波外频带的分析可以包括：将匹配滤波器应用于谐波外频带，以获得指示符信号，并且确定指示符信号是否超过阈值，此阈值指示持续电弧的存在。
【IPC分类】G01R31/08
【公开号】CN105492914
【申请号】CN201480036382
【发明人】J·J·扎奇
【申请人】滨特尔热能管理有限责任公司
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2014年5月22日
【公告号】EP2999969A1, US9366713, US20140347066, WO2014190145A1
【专利说明】
【背景技术】
[0001]电气系统中的电弧是一种公知但不需要的现象，通常是由于系统组件的较差安装流程或者系统中的导体或绝缘体故障，在两个导体之间或者与地之间产生电弧路径而造成的。电弧可以立即或者经过一段时间之后损坏电气系统组件，并且可以导致潜在不利的电路断开。如果电弧具有足够的电流和电压，则它可以变成持续电弧，持续电弧基本上恒定或者以固定或不固定间隔再现。持续电弧对于诸如焊接之类的应用而言是有利的，但是在其它应用中，不需要的持续电弧可能会融化、侵蚀或以其它方式损坏系统组件，并且可能降低系统的总体性能。在一些电气系统中，持续电弧可以是以非常小的电流水平产生的。
[0002]自调节电气系统可能易受到这种现象的影响。这样的电气系统可以包含基于聚合物的半导电组件，其通过添加炭黑、碳纳米管或其它导电材料来获得导电性。特别地，在伴热(trace heating)应用中使用的自调节加热电缆在不适当安装或损坏时可能易受到这种现象的影响。在这样的电缆中，平行的承载电流的总线线路通常彼此间隔开。在实心的加热电缆中，总线线路被半导电的、基本上实心的聚合物加热元件分隔开。在纤维加热电缆中，总线线路被非导电隔离片彼此绝缘，并且半导电纤维加热元件螺旋地缠绕在总线电缆周围。在正常状况下，加热电缆不显示电弧故障。然而，如果电缆被不适当地安装或损坏，则总线电缆可以变得部分暴露，并且如果它们暴露于水中并且通电，则可能会在这些暴露的线路之间产生持续电弧。例如，如果电缆安装在潮湿区域，则暴露的总线电缆可能会接触水或者淹没于水中。依赖于特定的环境，水可能发起不能使电路保护设备跳闸但是可能损坏加热元件并释放导电粒子的持续电弧。这些粒子可能加剧电弧并带来其它损坏。
[0003]电气系统常常采用包括电弧检测器在内的电路保护设备，电弧检测器在检测器检测到超过某个阈值或接触某个组件的电弧时，例如通过使断路器跳闸或发起警报来将系统置于“故障”状况。常规的断路器被设计为通过检测过载和短路来保护电路。在这些状况中转移的电流量较高，因此这些设备对电流变化具有较低的敏感性，从而避免错误警报，其中错误警报将会没有必要地断开电路。相反，剩余电流设备(“RCD”)被配置为在该设备检测到系统电流的过度不平衡时断开电路的连接，其中系统电流的过度不平衡可以由以电弧方式向正常情况下不承载系统电流的导体转移电流引起。包括接地故障断流器(“GFI”)、接地漏电断路器“ELCB”、安全开关和跳闸开关的RCD被配置具有比常规断路器低得多的敏感性，并且能够检测到电弧诱发的、不使断路器跳闸的不稳定的电路行为。以这种低敏感性，RCD必须被进一步配置为在电弧诱发的电流变化与电气系统中的正常电路操作引起的电流变化之间进行区分，其中正常电路操作诸如是开关的致动、电机的激活或禁用、或者通过拔去或其它方式突然移除负载。这给RCD增加了成本和复杂度，并且假阳性的电路中断仍然是现有R⑶的一个主要缺点。而第三种类型的设备一电弧故障电路断流器(“AFCI”)可以检测电流在频率和时间两者上的变化，其并不是任何常规电气负载的特性。然而，虽然AFCI可以比一些RCD敏感并且还可以检测负载与不涉及地的中性端之间的电弧，但是实验性测试已经表明AFCI仍然没有敏感到足以检测商用的自调节加热电缆中的持续电弧。
[0004]特别地，对部署已知的商用AFCI以检测电伴热系统(包括自调节的基于聚合物的加热电缆)中的持续的总线到总线电弧故障以及接地故障和其它电弧故障的尝试已经失败。
【发明内容】
[0005]本发明的一些实施例提供了一种检测电伴热系统中的持续电弧的方法。所述方法包括:在预定的时间分段上通过采用诸如分流或感测电阻器、电感线圈或霍尔效应传感器之类的适当的传感器，收集电缆信号的电压和电流数据。可以在时域中以1kHz或更大的速率、并且通常为4-lOOkHz，对传感器进行采样。然后对这些数据进行分析以获得电缆信号的频谱信息。频谱信息可以是从线信号的采样中提取的并且可以包括频率分量和幅度分量。所述方法还可以包括:从频谱信息中移除线路频率特征，所述线路频率特征包括电气系统的线路电流频率以及线路电流频率的一个或多个谐波。所述方法还可以包括:从所述频谱信息中提取一个或多个谐波外频带，以及分析谐波外频带以确定电弧特征的存在。
[0006]本发明的一些实施例提供了一种检测诸如自调节的加热电缆之类的特定类型的自调节电气系统中的持续电弧的方法，其中，将谐波外频带与该类型的电气系统中的电弧特征的短期历史值进行比较，所述短期是若干秒到若干分钟的数量级。本发明的其它实施例提供了一种检测诸如自调节的加热电缆之类的特定类型的自调节电气系统中的持续电弧的方法，其中，将谐波外频带与该类型的电气系统中的电弧特征的长期历史值进行比较，所述长期是若干天到若干月的数量级。
【附图说明】
[0007]图1是根据本发明一个实施例、用于检测加热电缆中的持续电弧故障的系统的示意图；
[0008]图2是针对不具有持续电弧的加热电缆的示例性电流频率频谱的图；
[0009]图3是针对具有持续电弧的加热电缆的示例性电流频率频谱的图；
[0010]图4是示例性的、被划分时间分段的谐波外频带频谱的图；
[0011]图5是示出了检测加热电缆中的持续电弧的方法的流程图；
[0012]图6是示出了检测加热电缆中的持续电弧的另一方法的流程图；
[0013]图7是不具有持续电弧的加热电缆中的示例性滤波后的谐波外频带的图；
[0014]图8是具有持续电弧的加热电缆中的示例性滤波后的谐波外频带的图；
[0015]图9是不具有持续电弧的加热电缆中的示例性的、被划分时间分段的、滤波后的谐波外频带响应的图；
[0016]图10是具有持续电弧的加热电缆中的示例性的、被划分时间分段的、滤波后的谐波外频带响应的图；
[0017]图11是从将匹配滤波器应用于图4的图而导出的示例性的匹配滤波器属性范围的图；
[0018]图12是从将匹配滤波器应用于图10的图而导出的示例性的匹配滤波器属性范围的图；
[0019]图13是从将匹配滤波器应用于图11的图而导出的示例性的匹配滤波器属性范围的图。
【具体实施方式】
[0020]在详细解释本发明的任何实施例之前，应当理解的是，本发明在其应用方面并不局限于以下描述中阐明的或者附图中示出的组件的构造和布置的细节。本发明能够具有其它实施例并能够用各种方式实施或执行。而且，还应当理解的是，本申请中使用的短语和术语是为了描述的目的，并且不应当被认为是限制性的。在本申请中使用的“包括”、“包含”或者“具有”以及它们的变型意味着涵盖下面所列的项及其等效物以及附加项。除非另外指定或限制，术语“安装”、“连接”、“支持”和“耦接”及其变型广泛地被使用，并涵盖直接和间接的安装、连接、支持和耦接。此外，“连接”和“親接”并不限于物理或机械的连接或耦接。
[0021]给出以下讨论以使得本领域技术人员能够实现并使用本发明的实施例。对本领域技术人员而言，对所示实施例的各种修改都将是显而易见的，并且本申请的一般性原理可以应用于其它实施例和应用，而不背离本发明的实施例。因此，本发明的实施例不旨在局限于所示实施例，而是符合与本申请公开的原理和特征相一致的最宽范围。参考附图来阅 读以下详细描述，在这些附图中，不同附图中的相同元件具有相同的引用编号。这些附图不一定按比例绘制，它们描绘了被选择的实施例，并且不旨在限制本发明的实施例的范围。熟练的技术人员将认识到，本申请中提供的示例可以具有许多有用的替代，并且落入本发明的实施例的范围。
[0022]图1示出了根据本发明一个实施例的持续电弧监测系统10。系统10可以包括针对一个或多个电路的监测和报告布置，每个电路包括加热电缆12。加热电缆12可以是伴热系统中使用的加热电缆，并且加热电缆12的长度可以处于小于一米与大于200米之间。合适的加热电缆12包括但不限制于，带电缆(zone cable)、自调节电缆、具有用于传导电流的平行总线线路14、16的其它电缆以及具有可能变得易于受到持续电弧影响的一个或多个承载电流的线路的其它加热电缆。在一个实施方式中，加热电缆12是实心的自调节加热电缆，其具有基本上围绕总线电缆14、16的半导电聚合物加热元件18。总线线路14、16可以附接到交流电源20的对立端。电源20为全部电路提供电流，本申请中称为线路电流。可以以任何适当的交流电频率(以下称为线路频率)产生线路电流。通常地，线路频率是50Hz或60Hz，如主电源所提供的那样，但是由于电气系统中的组件的特性，线路频率可能显著地偏离预期频率。参考附图，线路频率在本申请中被描述为60Hz，但是将理解的是，所描述的系统和方法可以在任何线路频率或偏离的线路频率下使用。
[0023]诸如TRIAC之类的电路断流器22可以置于第一总线线路14和电源20之间。电路监测器24可以置于第二总线线路16与电源20之间。电路监测器包含诸如分流电阻器、霍尔效应探针、电感线圈或变压器之类的电流探针以及后续的调节电子器件。输入电压监测器26可以布置为与电源20进行电通信。电压监测器可以由感测电阻器或任何其它电压计和后续的调节电子器件组成。控制单元28可以被配置为从电路监测器24和输入电压监测器26中的一个或多个接收输入。控制单元28可以是具有用于实施期望系统10的适当能力的微控制器、数字信号处理器、或其他控制设备或控制设备阵列。控制单元28可以被配置为基于来自电路监测器24和输入电压监测器26的输入，执行本申请描述的持续电弧检测方法中的一个或多个方法。控制单元28可以与电路断流器22电通信，以使得如果对相应电路监测器24的输入的分析表示存在持续电弧，则指示电路断流器22中断电流。
[0024]系统10可以被配置为以至少1kHz、但通常在4-100kHz之间的采集率在时域中收集电流和电压测量值。系统10可以从所收集的数据中提取与供应给加热电缆12的线路电流的频率和幅度有关的频谱信息。输入电压监测器26可以通过横跨电源20连接到电路来收集线路电流数据。此数据流在本申请中被称为加热电缆12的“输入信号”，并且可以包含一个或多个电压测量值以及频谱信息，频谱信息包括收集数据流所处于的离散时间分段期间的频率和幅度分量。输入电压监测器26可以将输入信号发送到控制单元28以用于处理。输入信号可以提供对线路频率及其整数谐波以及它们的幅度的独立测量值，以在从电缆信号中提取关于电弧特征的信息时使用。输入信号还可以提供针对电缆信号中引起错误警报的异常输入频率、幅度和相位波动的禁止(veto)。在部署加热电缆的环境中，在正常操作期间，强到足以引起这种错误触发的波动是罕见并预料不到的，但是却是可能的。可以进行经验测量，其对将引起假阳性的线路频率和幅度波动的阈值进行校准，并且这些测量值可以在禁止中使用。电路监测器24可以在其受加热电缆12的影响时收集线路电流的数据流。此数据流在本申请中被称为“电缆信号”，并且可以包含一个或多个电流测量值以及频谱信息，频谱信息包括收集数据流所处于的离散时间分段的频率和幅度分量。电路监测器24可以将电缆信号发送到控制单元28以用于处理。
[0025]虽然上面的电路和下面的方法是参考自调节加热电缆描述的，但是所述电路和方法可以针对包含基于聚合物的半导电组件的任何自调节电气系统而实施，基于聚合物的半导电组件通过添加炭黑、碳纳米管或其它导电材料获得导电性。这样的自调节电气系统是根据关于加热电缆12描述的原理实施的，并且因此可以从所描述的电弧检测方法中获益。
[0026]加热电缆12是一种内在噪声环境，由于设计的一些线路电流向热能的转换而带来电损耗。另外，加热电缆12可以具有非线性的阻抗-电压关系，这产生线路频率的较强的谐波分量。图2示出了电缆信号的频谱信息的示例，其中相对平坦的基线噪声电平被幅度峰值加强，除了主线路电流频率以外，还包括比标准负载中强得多的奇次谐波分量。作为说明，在图2中，线路频率大约是60Hz并且谐波峰值在基频率的整数倍的所有频率处都出现，而奇次谐波180Hz、300Hz、420Hz等等占主导。对于当前的示例，这些谐波可见高达大约1kHz，但是上限频率依赖于傅里叶变换的积分窗口，并且在一些实施方式中可能更高。上限频率可以是线路频率的至少若干倍。
[0027]图2表示正常运行的加热电缆12所产生的基线电缆信号的幅度频谱。即，在图2中监测的加热电缆12不具有任何持续电弧。加热电缆12的基线电缆信号可以直接从加热电缆12获得，诸如通过在基线时间标度的过程中现场收集数据并从该数据中导出频谱信息，如本申请所描述的那样，以便确定电弧特征的渐进发展，基线时间标度可以如电弧事件之前的几秒钟那样短，或者如一天、若干天或者甚至若干星期那样长。可替代地，可以通过在现场将本申请的检测方法应用于加热电缆12之前，对加热电缆12本身或者其代表性样品进行实验室测试来获得基线电缆信号。与图2相反，图3示出了在存在持续电弧时电缆信号的频谱信息的示例。该电缆信号与图2的基线电缆信号相比看起来具有普遍较高的噪声量。然而，电缆信号中的附加幅度中的一些或全部可以由持续电弧贡献，并且在其中电弧特征是可以检测到的。
[0028]由于持续电弧的典型幅度是线路电流和线路电流谐波的幅度中较小的一部分，因此电弧对线路电流谐波的影响，即为当前商用电弧检测的常用特征，是可忽略的。另一方面，持续电弧可以显示为具有与背景噪声相比很不同的时域特征的区分信号。图4经由在大约是基本周期17ms的三倍的持续时间上，两个线路电流谐波之间的频率范围内的幅度变化的扩展对比视图示出了这种情况。两个线路电流谐波之间的频率范围在本申请中通常被称为“谐波外频带”。谐波外频带可以具有离散的、可测量的范围。例如，对于60Hz的线路频率而言，谐波外频带可以包括61Hz与119Hz之间、或者65Hz与115Hz之间、或者70Hz与110Hz之间等等的频率，假设这样的频率范围不包括线路电流所贡献的幅度峰值。如图4所示，电弧电缆信号的幅度40在持续电弧的每次放电时达到峰值，并且可以以具有与线路频率同步的周期性被调制。相反，基线电缆信号的幅度42仍然保持在此时域的基线噪声水平处。
[0029]在本发明的一些实施例中，可以在一个或多个谐波外频带内检测电弧信号，并且可以监测线电压中的强波动以消除假阳性。因此，对线路频率及其谐波的监测可以被限制到仅仅用于禁止输入电压波动所需要的程度。考虑到比关注的最高频率幅值大一个数量级的采样频率提高采样质量，可以在通过加热电缆12之前以及之后，以待分析的最大频率的至少两倍的采样频率来监测线路电流。10kHz的采样率是足够保守的值，但是合理的范围是4-lOOkHz之间。对所收集的频谱信息进行分析所处于的时间分段可以大到足以 是统计相关的，但是比加热电缆的热平衡时标小。例如，时间分段可以是0.5-2秒。在一个实施例中，为了警告以防备快速进展的电弧，可以在当前时间之前的若干秒或若干分钟将电弧特征与基线读数进行比较。在另一实施例中，可以从加热电缆12的长期部署历史或者从在针对特定的加热电缆类型的实验室测试中确定的值中，获得基线，其中加热电缆12的长期部署历史诸如若干星期、月份或年。
[0030]本申请中描述的检测方法可以由控制单元或者由任何适当的计算单元或计算单元组执行。在一些实施例中，该检测方法的一些步骤可以在现场执行，而其它步骤在实验室或者在远离加热电缆12的位置的其它数据分析位置处执行。例如，频谱信息可以由被设置与加热电缆12通信的数据记录器收集，并且数据记录器可以通过有线或无线连接将所收集的数据发送到高性能个人计算机或大型机。图5示出了用于通过分析电缆信号的频谱信息检测持续电弧的方法的一个实施例。在步骤50处，控制单元从电缆信号的频谱信息中移除线路频率特征。线路频率特征包括基线频率，以及高达最高关注频率的谐波频率，其中最高关注频率一般为大约1kHz。对线路频率特征的移除允许在后续步骤中使用计算高效的带通滤波器。特别地，在步骤52处，微控制器可以使用高效的带通滤波器从电缆信号中提取符合情境的适当数量的谐波外频带。所需要的频带的数量依赖于被执行的检测:对于检测在较长的加热电缆中是否存在持续电弧而言，较小数量的频带可能就足够了，这是因为较高的频带被衰减得更多，这导致可能降低的敏感性。在较短的加热电缆中，更多的频带是可用的。每个频带都可以在预定的时间分段上被提取，并且可以将所提取的信息进一步划分成时间分段。在步骤54处，微控制器可以将特征模式识别过程应用于所提取的频带的时间分段。模式识别可以包括应用匹配滤波器以增强电弧特征(如果存在的话)，如下面进一步所描述。如果模式识别指示存在电弧，则在步骤56处，微控制器可以发送警报、中断电路或者两者。
[0031]图6示出了图5的方法的实施方式。从电缆信号的频谱信息中移除线路频率特征可以包括:在步骤60处，获得输入信号。可以从电源20或者从加热电缆12获得输入信号。输入信号包括线路电流的频率和幅度分量。线路频率是50Hz或60Hz，这依赖于管辖范围(jurisdict1n)，但是电流的波动可能会使线路频率从理论上的频率连续地偏离多达5Hz或者更多，尤其是在电源来自诸如发电机之类的本地源时。为了精确地移除线路频率特征，在步骤62处，控制单元可以确定实际的、实时的线路频率。微控制器可以执行对输入信号的自适应陷波滤波，以识别线路信号的周期。在一个实施例中实施的自适应陷波滤波器所应用的滤波算法，通过最小化输入信号函数V(t)与函数y(t)之间的差分e(t)来使输入信号函数V(t)与谐波函数y(t)、Φ (t)匹配:
[0032]φ (t) =w(t)t+5(t)
[0033]y(t)=A(t)sin( Φ (t))
[0034]而结果e(t)是信号中可能包含电弧特征的部分:
[0035]e(t)= |V(t)-y(t)
[0036]控制单元可以连续地或者以固定间隔重新计算并最小化e(t)，以便跟踪线路频率ω、幅度Α和相位Φ。作为移除基频率的结果，对于每个谐波项η还通过最小化残差en(t)从信号中移除后续谐波。误差的最小化可以消除或者抑制谐波的过度匹配，使得在下一步骤中仅仅移除与线路频率同相的谐波。
[0037]在步骤64处，控制单元可以从电缆信号中移除线路频率特征，其包括实际的线路频率及其谐波Nfo，其中N是与线路频率相乘达到关注的最高频率的整数。
[0038]提取谐波外频带可以包括:在步骤66处，应用一个或多个带通滤波器以获得所期望的频带。由于对线路频率特征峰值进行陷波移除，合适的带通滤波器可以包括计算高效的滤波器，例如能够提取高达大约1.2kHz的大约30个带的实时的、递归的、椭圆-陷波滤波器。在频带的中心频率周围的适当宽度处，合适的滤波器配置可以提供大约40dB的抑制或者更好的抑制。这种配置通过可能包括电弧特征并排除线路频率特征的任何其余部分的的频率选择。通带可以包括信号波纹以最小化滤波器中的误差。图7示出了对基础电缆信号的两个谐波外频带80、82进行提取和滤波的示例，谐波外频带80、82是60-120HZ以及120-180Hz，不包括首尾值。通带频率的幅度反映了基线噪声水平。图8示出了对电弧电缆信号中相同的两个频带90、92进行的提取和滤波。通带频率的幅度反映了具有由电弧特征的频率贡献的峰值的基线噪声水平。
[0039]再次参考图6，在步骤68处，可以将滤波后的电缆信号划分成时间分段。与一个线路周期相比，时间分段较大，但是与在其中电弧可以触发故障状况的典型时间标度相比，时间分段较小。合适的时间分段已经被确定处于大约0.5-3秒的范围，并且更具体地大约1-2秒的范围。为了避免时间边界效应以及可能丢失信息，可以同时分析两个数据流，其中时间分段边界最多偏离时间分段的一半。例如，图9和10不出了在1.5秒的时间分段中图7和8的频带。图9示出了 1.5秒的从基础电缆信号记录的频带80、82。频带80、82保持在基本类似且相对稳定的幅度处。相反，图10示出了 1.5秒的从电弧电缆信号记录的频带90、92。对于时间分段的大约最后0.5秒，两个频带90、92的幅度均急剧达到峰值。这些峰值指示由持续电弧引起的电流变化。
[0040]针对足够短的加热电缆，例如大约12米或更短的加热电缆，电弧信号可以在过滤后的电缆信号中占主导，达到允许在滤波之后在不应用模式匹配滤波器的情况下立即识别出电弧信号的程度。在这样的一个实施例中，如果滤波后的电缆信号的幅度超过一定的阈值，则微控制器可以发送警报、断开电路或者两者。在较长的加热电缆中，可能需要更复杂的模式匹配。再次参考图6，应用电弧特征模式识别过程可以包括:在步骤70处，将一个或多个匹配滤波器应用于被划分时间分段的、滤波后的、电缆信号的谐波外频带。每个匹配滤波器可以包括从已知电弧特征适配得到的模式，可以通过对每种类型的自调节加热电缆进行的实验室测试确定模式。在一个实施例中，匹配滤波器可以被配置为根据方程y[t]=XbMATCHED,nx[t-n*dt].，将电缆信号与周期是线路频率周期的一半的模式进行卷积。持续电弧可以与这种匹配滤波器同步。如果存在持续电弧，则由匹配滤波引起的指示符信号将是对电缆信号的明显增强的整流。指示符信号包括匹配滤波器的属性，其是将匹配滤波器模式与电缆信号卷积的产物。图11示出了根据图4从信号获得的指示符信号的时间剖面线。电弧电缆信号120的匹配滤波器属性被放大，示出了与使用的电缆的匹配滤波器模式相适应的电弧特征的存在。基线电缆信号的匹配滤波器属性122保持相对较低。图12和13示出了针对基础电缆信号的频带80、82以及电弧电缆信号的频带90、92产生的指示符信号。在其它实施例中，可以使用诸如小波滤波之类的其他滤波技术代替匹配滤波。
[0041]再次参考图6，可以使用每个频带的匹配滤波结果确定是否存在持续电弧。在步骤72处，微控制器可以记录每个时间分段中每个频带的指示符信号的平均值和最大值。这些值可以用于导出在所有频带上指示符信号的历史中间均值和历史中间峰值。可以使用在现场从加热电缆12收集的基线电缆信号、或者使用特定类型的加热电缆12的实验室获得值导出历史值。在步骤74处，可以将匹配滤波器属性 与导出的历史中间值进行比较。在一个实施例中，作为电弧特征，每个时间分段内指示符信号超过中值或历史信号最大值的时间量可以被用作第二指示符信号。在另一实施例中，在已经确定电弧的时间段上测量的信号与历史基线之间的积分差异被用作第二指示符信号。如果在预定数量的频带中第二指示符信号大于预定阈值，则在步骤56处，微控制器可以发送警报、断开电路或者两者。
[0042]所描述的持续电弧检测系统可以被配置为检测被监测电气系统中的其它电弧现象。在一个实施例中，所述系统可以根据所描述的检测方法中的一个或多个方法或者其子集检测接地故障。例如，可以将与已知的接地故障特征相对应的匹配滤波器应用于被划分时间分段的、过滤后的、电缆信号的谐波外频带。在另一示例中，接地故障特征可以是可见的，而不需要匹配滤波，并且如上所述可以被检测。
[0043]本领域技术人员将清楚的是，虽然上面结合特定实施例和示例描述了本发明，但是本发明不一定局限于此，并且各种其它实施例、示例、用途、修改以及与实施例、示例和用途的偏离旨在被附于此的权利要求涵盖。本申请中引用的每个专利或出版物的整个公开内容通过引用方式并入本申请，就像每个这样的专利或出版物通过引用方式单独并入本申请一样。在以下权利要求中阐明本发明的各种特征和优点。
【主权项】
1.一种检测电伴热系统中的持续电弧的方法，所述方法包括: 在预定的时间段上通过在时域中对电缆信号进行采样来收集所述电缆信号； 从所述电缆信号的采样中提取频谱信息，所述频谱信息包括频率分量和幅度分量； 从所述频谱信息中移除线路频率特征，所述线路频率特征包括所述电伴热系统的线路电流频率以及所述线路电流频率的至少一个谐波； 从所述频谱信息中提取至少一个谐波外频带；以及 分析所述至少一个谐波外频带以确定是否存在电弧信号。2.如权利要求1所述的方法，其中，移除所述线路频率特征包括: 跟踪包含所述线路频率特征的输入信号； 在所述输入信号被跟踪时从所述输入信号中提取所述线路电流频率；以及 使用所述线路电流频率从所述频谱信息中移除所述线路频率特征。3.如权利要求2所述的方法，其中，从所述输入信号中提取所述线路电流频率包括将自适应陷波滤波器应用于所述输入信号。4.如权利要求1所述的方法，其中，提取所述至少一个谐波外频带包括，将至少一个带通滤波器应用于所述频谱信息，所述至少一个带通滤波器包括通带，该通带不包括所述线路电流频率并且不包括所述线路电流频率的谐波中的任何一个谐波。5.如权利要求1所述的方法，其中，提取所述至少一个谐波外频带包括将所述至少一个谐波外频带划分成至少一个时间分段。6.如权利要求5所述的方法，其中，所述至少一个时间分段在0.5秒与3秒之间。7.如权利要求1所述的方法，其中，分析所述至少一个谐波外频带以确定是否存在电弧信号包括: 将匹配滤波器应用于所述至少一个谐波外频带以获得指示符信号；以及 确定所述指示符信号是否超过阈值，所述阈值指示是否存在所述持续电弧。8.如权利要求7所述的方法，其中，所述匹配滤波器包括从已知电弧特征适配得到的模式，所述模式是通过对某种类型的加热电缆的实验室测试而确定的。9.如权利要求7所述的方法，其中，分析所述至少一个谐波外频带以确定是否存在电弧信号还包括，导出所述频谱信息的至少一个历史值，并且其中，确定所述指示符信号是否超过阈值包括:确定所述指示符信号超过所述至少一个历史值多久。10.如权利要求7所述的方法，其中，分析所述至少一个谐波外频带以确定是否存在电弧信号还包括，导出所述频谱信息的至少一个历史值，并且其中，确定所述指示符信号是否超过阈值包括:确定所述指示符信号超过所述至少一个历史值多少。11.一种检测电伴热系统中的持续电弧的方法，所述方法包括: 在预定的时间段上通过在时域中对电缆信号进行采样来收集所述电缆信号； 从所述电缆信号的采样中提取频谱信息，所述频谱信息包括频率分量和幅度分量； 从所述频谱信息中移除线路频率特征，所述线路频率特征包括测量的线路频率以及所述测量的线路频率的至少一个谐波； 将多个带通滤波器应用于所述频谱信息以获得多个谐波外频带； 将所述多个谐波外频带划分成多个时间分段； 将匹配滤波器应用于所述多个时间分段，所述匹配滤波器被配置为放大电弧信号；以及 确定在所述多个时间分段中是否存在所述电弧特征。12.如权利要求11所述的方法，其中，所述多个时间分段中每一个时间分段的长度在大约0.5秒与3秒之间。13.如权利要求11所述的方法，其中，将所述匹配滤波器应用于所述多个时间分段产生指示符信号，并且其中，确定在所述多个时间分段中是否存在所述电弧特征包括:确定所述指示符是否超过所述频谱信息的幅度分量的至少一个历史值。14.如权利要求13所述的方法，其中，确定在所述多个时间分段中是否存在所述电弧特征还包括:确定所述指示符超过所述至少一个历史值多久。15.如权利要求11所述的方法，还包括: 跟踪包含所述线路频率特征的输入信号；以及 从所述输入信号中提取所述测量的线路频率。16.如权利要求15所述的方法，其中，从所述输入信号中提取所述测量的线路频率包括:将自适应陷波滤波器应用于所述输入信号。17.一种检测电伴热系统中的持续电弧的方法，所述方法包括: 在预定的时间段上收集电缆信号； 从所述电缆信号中提取频谱信息，所述频谱信息包括频率分量和幅度分量； 跟踪包含线路频率特征的输入信号，所述线路频率特征包括测量的线路频率以及所述测量的线路频率的至少一个谐波； 在所述输入信号被跟踪时从所述输入信号中提取所述测量的线路频率； 从所述频谱信息中移除所述线路频率特征； 将多个带通滤波器应用于所述频谱信息以获得多个谐波外频带； 将所述多个谐波外频带划分成多个时间分段； 将匹配滤波器应用于所述多个时间分段以获得指示符信号，所述匹配滤波器被配置为放大电弧特征；以及 确定所述指示符信号是否超过阈值，所述阈值指示是否存在所述持续电弧。18.如权利要求17所述的方法，还包括，导出所述频谱信息的至少一个历史值，并且其中，确定所述指示符信号是否超过阈值包括:确定所述指示符信号超过所述至少一个历史值多久。19.如权利要求17所述的方法，还包括，导出所述频谱信息的至少一个历史值，并且其中，确定所述指示符信号是否超过阈值包括:确定所述指示符信号超过所述至少一个历史值多少。
【专利摘要】本发明的实施例提供一种用于检测包含基于聚合物的半导电组件的电气系统中的持续电弧的系统和方法，所述组件从炭黑、碳纳米管或其它导电材料获得导电性。在一个时间段上，收集电缆信号的电流和电压数据，从这些数据中提取频谱信息。频谱信息具有频率分量和幅度分量。对电缆信号进行处理以移除线路频率特征，线路频率特征包括电气系统的线路电流频率及其谐波。从电缆信号中提取一个或多个谐波外频带，并对其进行分析以确定其中存在电弧特征。对谐波外频带的分析可以包括：将匹配滤波器应用于谐波外频带，以获得指示符信号，并且确定指示符信号是否超过阈值，此阈值指示持续电弧的存在。
【IPC分类】G01R31/08
【公开号】CN105492914
【申请号】CN201480036382
【发明人】J·J·扎奇
【申请人】滨特尔热能管理有限责任公司
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2014年5月22日
【公告号】EP2999969A1, US9366713, US20140347066, WO2014190145A1
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