次谐波电弧故障检测系统和方法
次谐波电弧故障检测系统和方法
【专利说明】次谐波电弧故障检测系统和方法
【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的安 装流程、或者系统中的导体或绝缘体的故障，在两个导体之间或者与地之间产生电弧路径 而造成的。电弧可能会立即或者经过一段时间之后损坏电气系统组件，并且可能会造成潜 在不利的电路断开。如果电弧具有足够的电流和电压，则它可能会变成持续电弧，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理想 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，持续电弧可能是以非常小的电流水平 产生的。
[0002] 电气系统通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电路断路器跳闸或发起警报将系 统置于"故障"状况。常规的电路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是较高的，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是 由向正常情况下不承载系统电流的导体以电弧方式转移电流引起的。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在内的RCD，被配置为具有比常规断 路器低得多的敏感性，并且能够检测到电弧诱发的、不会使断路器跳闸的不稳定的电路行 为。具有这样的低敏感性，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的RCD的一个主要缺陷。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，其不是任何常规电气负载 的特性。
[0003] 然而，虽然AFCI可以比一些R⑶更敏感，并且还可以检测负载与不涉及地的中性端 之间的电弧，但是实验性的测试已经表明AFCI仍然没有敏感到足以检测一些电气系统中的 持续电弧。例如，在长的平行的电加热电缆中，系统中受到电弧影响的部分与整个加热器相 比较小，这导致来自持续电弧的较小的电气特征（signature)。特别地，对部署已知的商用 AFCI以检测在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的尝试已 经失败。在处于线路频率或高于线路频率的频率上使用次谐波频率的进一步的优点在于， 在针对较低频率的长距离并且有损的传输线路上具有较弱的衰减。
[0004] 现有AFCI的另一缺点可以是，AFCI依赖于在可以处于KHz或MHz范围内、但以大于 线路频率的任何速率检测频率异常。在衰减传输线路(传输线路或者通向电气系统或者是 电气系统的一部分）的情况下，现有的AFCI可能无法检测在低于线路频率的频率处可以更 好地观测到的电弧特征。
【发明内容】
[0005] 本发明的一些实施例提供了一种检测电气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，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，收集负载信号的电压和电流数据。在时域中以IOOHz或更大的速率、并且最典 型的是IkHz的速率，对传感器进行采样。然后对这些数据进行分析以获得频谱内容。频谱信 息由频率分量和幅度分量组成。所述方法还包括: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所有大于线路电流频率的频率。所述方法还 包括:从频谱信息中提取至少一个次谐波频带，并且分析所述至少一个次谐波频带以确定 电弧特征的存在。所述次谐波带的中心频率可以是线路频率的两倍除以三或更大的整数， 并且与持续时间是整数个的线路频率的半周期的电弧突发相对应。
[0006] 本发明的一些实施例提供了另一种检测电气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，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，收集负载信号的电压和电流数据。在时域中以IOOHz或更大的速率、并且最 典型的是IkHz的速率，对传感器进行采样。然后对这些数据进行分析以获得频谱内容。频谱 信息由频率分量和幅度分量组成。所述方法还包括:从频谱信息中移除线路频率特征，所述 线路频率特征包括测量的线路频率以及所有高于所述测量的线路频率的频率。所述方法还 包括:将多个带通滤波器应用于所述频谱信息以获得多个次谐波频带，以及将所述多个次 谐波频带划分成多个时间分段。所述方法还包括:在所述多个时间分段中检测每个次谐波 频带的幅度峰值，以及根据所述幅度峰值确定在所述多个时间分段中是否存在电弧特征。
[0007] 本发明的一些实施例提供了另一种检测电气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，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，收集负载信号的电压和电流数据。在时域中以IOOHz或更大的速率、并且最 典型的是IkHz的速率，对传感器进行采样。然后对这些数据进行分析以获得频谱内容。频谱 信息由频率分量和幅度分量组成。所述方法还包括:从输入信号中提取测量的线路频率，以 及从所述频谱信息中移除所述测量的线路频率。所述方法还包括:将多个带通滤波器应用 于所述频谱信息以获得多个次谐波频带，将所述多个次谐波频带划分成多个时间分段；以 及确定每个时间分段内的幅度峰值是否超过阈值，此阈值指示是否存在持续电弧。
[0008] 本发明的一些实施例提供了一种检测电气系统中的持续电弧的方法，其中，将次 谐波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电气系统中的持续电弧的方法， 其中，将次谐波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】
[0009] 图1是根据本发明的一个实施例、用于检测电气系统中的持续电弧故障的系统的 示意图；
[0010] 图2是不具有持续电弧的电气系统与具有持续电弧的电气系统之间进行次谐波电 流频率谱的比较的图；
[0011] 图3是示出使用次谐波频带检测电气系统中的持续电弧的方法的流程图；
[0012] 图4是示出另一种使用次谐波频带检测电气系统中的持续电弧的方法的流程图；
[0013] 图5是在电气系统中提取次谐波频带的一组带通滤波器的频率响应的图；
[0014] 图6是在不存在持续电弧时整流的输入信号在八个次谐波频带内的峰值的图；
[0015] 图7是在存在持续电弧时整流的输入信号在八个次谐波频带内的峰值的图。
【具体实施方式】
[0016] 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不局 限于在以下描述中阐明的或者在以下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以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。在本申请中对"包括"、"包含" 或者"具有"以及它们的变型的使用意味着涵盖以下所列出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"耦接"并不限于物理或机械的连接 或耦接。
[0017] 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 以被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 读以下的详细描述，在这些附图中，不同附图中的相同元件具有相同的附图标记。这些附图 不一定按比例绘制，它们描绘了选择的实施例，并且不旨在限制本发明的实施例的范围。本 领域技术人员将认识到，本申请提供的示例具有许多有用的替代，并且落入本发明的实施 例的范围。
[0018] 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可以包括用于 电气系统12的一个或多个电路的监测和报告布置。电弧监测系统可适用于任何电气系统， 只要电力由两个导线14、16供应即可。导线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，本申请中称此电流为线路电流。线路电流可以在任何适当的交流频 率下产生，本申请中称此频率为线路频率。一般地，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，线路频率可以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。
[0019] 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可以置于第二导线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的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的系统10的适当能力的微控制器、数 字信号处理器、或另一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，以使得如果对相应的电路监测器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。
[0020]系统10可以被配置为以至少IOOHz但通常为IkHz的采集率在时域中收集电流和电 压测量值。从所收集的数据中提取与供应给电气系统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而连接到电路来收集线路电流数据。这种 数据流在本申请中被称为电气系统12的"输入信号"，并且可以包括一个或多个电压测量 值，以及从时域测量值中导出的频谱信息，频谱信息包括针对收集数据流所处于的离散时 间分段的频率和幅度分量。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幅度的独立测量值，以在从负载信号提取关于电弧 特征的信息中使用。输入信号还可以提供针对负载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)。在部署目标电气系统的环境中、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且预料不到的，但是却是可能的。可以进行经验测量，经 验测量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 止中被使用。电路监测器24可以在其受到电气系统12的影响时收集线路电流的时间序列数 据。这种数据流以及从其中提取的频谱信息在本申请中被称为"负载信号"，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可以将负载信号发送到控制单元28以用于处理。
[0021]图2表示基线负载信号30相对于包含持续电弧的电弧负载信号32的幅度频谱。所 示的示例性频谱30、32由长的平行加热电缆产生，该电缆代表示例性电气系统12。电气系统 12的基线负载信号30可以直接从电气系统12中获得，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 几个星期那样长。可替代地，可以通过在现场将本申请的检测方法应用于电气系统12之前 对电气系统12本身或者其代表性示例进行实验室测试来获得基线负载信号30。在对电弧负 载信号32与基线负载信号30进行的比较中，与基线负载信号30相比电弧负载信号32看起来 具有普遍较高的噪声量。此外，电弧负载信号32中的附加幅度的大部分以多个离散频率为 中心，所述多个离散频率可以与电弧突发持续时间相对应，电弧突发持续时间是线路电流 周期的一半的整数倍。这些附加的次谐波频率中的一些或全部可以包含持续电弧的特征， 根据本公开此特征可以是可检测到的。
[0022]在本发明的一些实施例中，可以在一个或多个次谐波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大一个数量级的采 样频率提高采样质量，在通过电气系统12之前以及之后，可以以待分析的、至少是最大频率 的两倍的采样频率监测线路电流。IkHz的采样率是足够保守的值。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，但是比电气系统的热平衡时间标度 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上将电弧特征与基线读数进行比较。在另一实施例 中，可以从电气系统12的长期部署历史或者从在对特定类型的电气系统进行的实验室测试 中确定的值中，获得基线，其中电气系统12的长期部署历史诸如若干星期、月份或年。
[0023] 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 或者在远离电气系统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 与电气系统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3示出了用于通过分析负载信号的频谱信息 来检测持续电弧的方法的一个实施例。在步骤50处，控制单元从负载信号的频谱信息中移 除线路频率特征。线路频率特征主要包括基线频率。移除线路频率特征允许在后续步骤中 使用计算高效的带通滤波器来提取次谐波频带。特别地，在步骤52处，微控制器可以使用高 效带通滤波器从负载信号中提取次谐波频带。所提取的频带的数量受到实际考虑的限制， 而电弧突发的持续时间可以是线路频率周期的许多倍，持续时间超过T burs t = 10 *T〇 = 10 / (??_)的不同频率不能彼此进一步分解开。因此，所提取的频带的数量通常最多是10。每个 频带可以在预定的时间段上被提取，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，微控制器可以将电弧特征模式识别过程应用于所提取的频带的时间分段。模式 识别可以包括在每个频带内相对于整流信号的时间提取幅度峰值。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。
[0024] 图4示出了图3的方法的实施方式。从负载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或者从电气系统12中获得输入信号。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，这取决于管辖范围 (jurisdiction)，但是电流的波动可能会使线路频率连续地偏离理论上的频率多达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。微控制器可以执行输入信号的自适 应陷波滤波，以识别输入信号中的线路电流的周期。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)与谐波函数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：
[0025] φ (t) =w(t)t+5(t)
[0026] y(t) = A(t)sin( Φ (t))
[0027] 而结果e(t)是信号中可能包含电弧特征的部分：
[0028] e(t)= |V(t)-y(t)
[0029] 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A和相位Φ。在步骤64处，控制单元可以从负载信号中移除线路频率特征。这可以包 括:使用低通滤波器或其它合适的滤波器从负载信号中移除线路电流频率和所有高于线路 电流频率的频率。
[0030] 提取次谐波频带可以包括:在步骤66处，根据方程，
其中，~23，并且心是 线路频率，应用一个或多个带通滤波器来获得期望的频带，所述期望的频带以与整数个的 半线循环周期相对应的频率f为中心。在典型的60Hz的线路频率处，期望的频带因此可以以 40Hz、30Hz、24Hz、20Hz、17.2Hz等等为中心。参见图5。由于对线路频率峰值进行陷波移除， 合适的带通滤波器可以包括计算高效的滤波器，例如实时的、递归的、椭圆-陷波滤波器，其 中针对每个次谐波频带具有大约l-3Hz的频谱带宽。合适的滤波器配置可以提供大约40dB 或者更好的抑制或更好。图5示出了在使用带通滤波器阵列来提取七个次谐波频带时在频 率 40Hz、30Hz、2 4Hz、20Hz、17.2Hz、15Hz 和 13.3Hz 周围的幅度响应。
[0031] 再次参考图4,在步骤68处，可以将滤波后的负载信号划分成时间分段。与一个线 周期相比时间分段较大，但是与电弧可以触发故障状况所处于的典型时间标度相比较小。 合适的时间分段已经被确定处于大约0.5-3秒的范围中，并且更具体地处于大约1-2秒的范 围中。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 边界最多偏移时间分段的一半。例如，图5示出了在1秒的时间分段内七个整流的次谐波频 带的峰值幅度相对于时间的变化情况。如图6所示，在没有电弧特征的情况中，频带保持在 基本类似并相对稳定的幅度处。相反，图7示出了用与图6示出的频带相同的方式处理的相 同的次谐波频带，其是在1秒的持续电弧期间从负载信号中记录的。所有次谐波频带的幅度 从基线剧烈地变化，尤其是在图7所示的时间分段中后面部分的期间。这些峰值指示由持续 电弧引起的电流变化，这导致持续时间为整数个线半周期的电弧突发。
[0032] 返回到图4,在一个实施例中，如果滤波并且整流后的负载信号的一个或多个次谐 波频带的峰值幅度超过某个阈值，则微控制器可以发送警报、断开电路或者两者。因此，负 载信号的整流后次谐波频带的峰值幅度超过某个预定阈值包括一个可能的指示符信号。在 另一实施例中，用于电弧的指示信号可以是滤波并且整流后的负载信号的一个或多个次谐 波频带在预定时间窗口上的时间积分超过某个阈值。每个阈值可以由对特定类型的电气系 统的实验室测试确定。在多个整流后的次谐波频带中的峰值检测可以被使用以确定是否存 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。这些值可以被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。可以使用在现场从电气系统12收集的基线负载信号、或者使用针对特定类型的电 气系统12的实验室获得值来导出历史值。在步骤74处，可以将指示符信号与导出的历史中 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，测量的信号与历史 基线在已经确定电弧的时间段上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。
[0033] 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。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，但是本发明不必局限于此，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被并入本申请，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. 一种检测电气系统中的持续电弧的方法，所述方法包括： 在预定时间段上通过在时域中采样以收集负载信号，并随后提取频谱信息，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气系统的线路电 流频率以及所有高于所述线路电流频率的频率； 从所述频谱信息中提取至少一个次谐波频带；以及 分析所述至少一个次谐波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，提取所述至少一个次谐波频带包括: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与所述线路电流频率的两倍 除以大于或等于三的整数相对应的频率周围的通带。5. 如权利要求1所述的方法，其中，提取所述至少一个次谐波频带包括:将所述至少一 个次谐波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，分析所述至少一个次谐波频带以确定是否存在电弧 信号包括： 检测至少一个次谐波频带中的幅度峰值以获得指示符信号；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持续电弧。8. 如权利要求7所述的方法，其中，所述幅度峰值超过基线幅度一定的量，并且具有从 已知电弧特征适配得到的持续时间，通过对一种类型的电气系统进行的实验室测试确定模 式。9. 如权利要求7所述的方法，其中，分析所述至少一个次谐波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，分析所述至少一个次谐波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，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. 一种检测电气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负载信号； 从所述负载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； 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； 移除高于所述测量的线路频率的所有频率； 将多个带通滤波器应用于所述频谱信息以获得多个次谐波频带； 将所述多个次谐波频带划分成多个时间分段； 在所述多个时间分段中检测每个次谐波频带内的幅度峰值；以及 根据所述幅度峰值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，确定每个次谐波频带中的幅度峰值产生指示符信 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. -种检测电气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负载信号； 从所述负载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； 从输入信号中提取测量的线路频率； 从所述频谱信息中移除所述测量的线路频率； 将多个带通滤波器应用于所述频谱信息以获得多个次谐波频带； 将所述多个次谐波频带划分成多个时间分段；以及 确定每个时间分段内的幅度峰值是否超过阈值，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，其中，所述带通滤波器中的每一个包括与所述线路电流 频率的两倍除以大于或等于三的整数相对应的频率周围的通带。
【专利摘要】本发明的实施例提供了检测电气系统中的持续电弧的系统和方法。在一个时间段上，收集负载信号的电流和电压，从负载信号中提取频谱信息。频谱信息具有频率分量和幅度分量。对负载信号进行处理以从频谱信息中移除线路频率特征。从负载信号中提取一个或多个次谐波频带，并对其进行分析以确定电弧特征的存在。次谐波频带可以以与整数个半线循环周期相对应的频率为中心。对次谐波频带的分析可以包括检测整流的次谐波频带的峰值幅度以获得指示符信号，以及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】CN105492913
【申请号】CN201480036379
【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20日
【公告号】EP2999970A1, US9366716, US20140347065, WO2014189975A1
【专利说明】次谐波电弧故障检测系统和方法
【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的安 装流程、或者系统中的导体或绝缘体的故障，在两个导体之间或者与地之间产生电弧路径 而造成的。电弧可能会立即或者经过一段时间之后损坏电气系统组件，并且可能会造成潜 在不利的电路断开。如果电弧具有足够的电流和电压，则它可能会变成持续电弧，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理想 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，持续电弧可能是以非常小的电流水平 产生的。
[0002] 电气系统通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电路断路器跳闸或发起警报将系 统置于"故障"状况。常规的电路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是较高的，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是 由向正常情况下不承载系统电流的导体以电弧方式转移电流引起的。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在内的RCD，被配置为具有比常规断 路器低得多的敏感性，并且能够检测到电弧诱发的、不会使断路器跳闸的不稳定的电路行 为。具有这样的低敏感性，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的RCD的一个主要缺陷。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，其不是任何常规电气负载 的特性。
[0003] 然而，虽然AFCI可以比一些R⑶更敏感，并且还可以检测负载与不涉及地的中性端 之间的电弧，但是实验性的测试已经表明AFCI仍然没有敏感到足以检测一些电气系统中的 持续电弧。例如，在长的平行的电加热电缆中，系统中受到电弧影响的部分与整个加热器相 比较小，这导致来自持续电弧的较小的电气特征（signature)。特别地，对部署已知的商用 AFCI以检测在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的尝试已 经失败。在处于线路频率或高于线路频率的频率上使用次谐波频率的进一步的优点在于， 在针对较低频率的长距离并且有损的传输线路上具有较弱的衰减。
[0004] 现有AFCI的另一缺点可以是，AFCI依赖于在可以处于KHz或MHz范围内、但以大于 线路频率的任何速率检测频率异常。在衰减传输线路(传输线路或者通向电气系统或者是 电气系统的一部分）的情况下，现有的AFCI可能无法检测在低于线路频率的频率处可以更 好地观测到的电弧特征。
【发明内容】
[0005] 本发明的一些实施例提供了一种检测电气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，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，收集负载信号的电压和电流数据。在时域中以IOOHz或更大的速率、并且最典 型的是IkHz的速率，对传感器进行采样。然后对这些数据进行分析以获得频谱内容。频谱信 息由频率分量和幅度分量组成。所述方法还包括: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所有大于线路电流频率的频率。所述方法还 包括:从频谱信息中提取至少一个次谐波频带，并且分析所述至少一个次谐波频带以确定 电弧特征的存在。所述次谐波带的中心频率可以是线路频率的两倍除以三或更大的整数， 并且与持续时间是整数个的线路频率的半周期的电弧突发相对应。
[0006] 本发明的一些实施例提供了另一种检测电气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，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，收集负载信号的电压和电流数据。在时域中以IOOHz或更大的速率、并且最 典型的是IkHz的速率，对传感器进行采样。然后对这些数据进行分析以获得频谱内容。频谱 信息由频率分量和幅度分量组成。所述方法还包括:从频谱信息中移除线路频率特征，所述 线路频率特征包括测量的线路频率以及所有高于所述测量的线路频率的频率。所述方法还 包括:将多个带通滤波器应用于所述频谱信息以获得多个次谐波频带，以及将所述多个次 谐波频带划分成多个时间分段。所述方法还包括:在所述多个时间分段中检测每个次谐波 频带的幅度峰值，以及根据所述幅度峰值确定在所述多个时间分段中是否存在电弧特征。
[0007] 本发明的一些实施例提供了另一种检测电气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，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，收集负载信号的电压和电流数据。在时域中以IOOHz或更大的速率、并且最 典型的是IkHz的速率，对传感器进行采样。然后对这些数据进行分析以获得频谱内容。频谱 信息由频率分量和幅度分量组成。所述方法还包括:从输入信号中提取测量的线路频率，以 及从所述频谱信息中移除所述测量的线路频率。所述方法还包括:将多个带通滤波器应用 于所述频谱信息以获得多个次谐波频带，将所述多个次谐波频带划分成多个时间分段；以 及确定每个时间分段内的幅度峰值是否超过阈值，此阈值指示是否存在持续电弧。
[0008] 本发明的一些实施例提供了一种检测电气系统中的持续电弧的方法，其中，将次 谐波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电气系统中的持续电弧的方法， 其中，将次谐波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】
[0009] 图1是根据本发明的一个实施例、用于检测电气系统中的持续电弧故障的系统的 示意图；
[0010] 图2是不具有持续电弧的电气系统与具有持续电弧的电气系统之间进行次谐波电 流频率谱的比较的图；
[0011] 图3是示出使用次谐波频带检测电气系统中的持续电弧的方法的流程图；
[0012] 图4是示出另一种使用次谐波频带检测电气系统中的持续电弧的方法的流程图；
[0013] 图5是在电气系统中提取次谐波频带的一组带通滤波器的频率响应的图；
[0014] 图6是在不存在持续电弧时整流的输入信号在八个次谐波频带内的峰值的图；
[0015] 图7是在存在持续电弧时整流的输入信号在八个次谐波频带内的峰值的图。
【具体实施方式】
[0016] 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不局 限于在以下描述中阐明的或者在以下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以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。在本申请中对"包括"、"包含" 或者"具有"以及它们的变型的使用意味着涵盖以下所列出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"耦接"并不限于物理或机械的连接 或耦接。
[0017] 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 以被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 读以下的详细描述，在这些附图中，不同附图中的相同元件具有相同的附图标记。这些附图 不一定按比例绘制，它们描绘了选择的实施例，并且不旨在限制本发明的实施例的范围。本 领域技术人员将认识到，本申请提供的示例具有许多有用的替代，并且落入本发明的实施 例的范围。
[0018] 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可以包括用于 电气系统12的一个或多个电路的监测和报告布置。电弧监测系统可适用于任何电气系统， 只要电力由两个导线14、16供应即可。导线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，本申请中称此电流为线路电流。线路电流可以在任何适当的交流频 率下产生，本申请中称此频率为线路频率。一般地，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，线路频率可以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。
[0019] 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可以置于第二导线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的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的系统10的适当能力的微控制器、数 字信号处理器、或另一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，以使得如果对相应的电路监测器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。
[0020]系统10可以被配置为以至少IOOHz但通常为IkHz的采集率在时域中收集电流和电 压测量值。从所收集的数据中提取与供应给电气系统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而连接到电路来收集线路电流数据。这种 数据流在本申请中被称为电气系统12的"输入信号"，并且可以包括一个或多个电压测量 值，以及从时域测量值中导出的频谱信息，频谱信息包括针对收集数据流所处于的离散时 间分段的频率和幅度分量。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幅度的独立测量值，以在从负载信号提取关于电弧 特征的信息中使用。输入信号还可以提供针对负载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)。在部署目标电气系统的环境中、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且预料不到的，但是却是可能的。可以进行经验测量，经 验测量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 止中被使用。电路监测器24可以在其受到电气系统12的影响时收集线路电流的时间序列数 据。这种数据流以及从其中提取的频谱信息在本申请中被称为"负载信号"，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可以将负载信号发送到控制单元28以用于处理。
[0021]图2表示基线负载信号30相对于包含持续电弧的电弧负载信号32的幅度频谱。所 示的示例性频谱30、32由长的平行加热电缆产生，该电缆代表示例性电气系统12。电气系统 12的基线负载信号30可以直接从电气系统12中获得，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 几个星期那样长。可替代地，可以通过在现场将本申请的检测方法应用于电气系统12之前 对电气系统12本身或者其代表性示例进行实验室测试来获得基线负载信号30。在对电弧负 载信号32与基线负载信号30进行的比较中，与基线负载信号30相比电弧负载信号32看起来 具有普遍较高的噪声量。此外，电弧负载信号32中的附加幅度的大部分以多个离散频率为 中心，所述多个离散频率可以与电弧突发持续时间相对应，电弧突发持续时间是线路电流 周期的一半的整数倍。这些附加的次谐波频率中的一些或全部可以包含持续电弧的特征， 根据本公开此特征可以是可检测到的。
[0022]在本发明的一些实施例中，可以在一个或多个次谐波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大一个数量级的采 样频率提高采样质量，在通过电气系统12之前以及之后，可以以待分析的、至少是最大频率 的两倍的采样频率监测线路电流。IkHz的采样率是足够保守的值。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，但是比电气系统的热平衡时间标度 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上将电弧特征与基线读数进行比较。在另一实施例 中，可以从电气系统12的长期部署历史或者从在对特定类型的电气系统进行的实验室测试 中确定的值中，获得基线，其中电气系统12的长期部署历史诸如若干星期、月份或年。
[0023] 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 或者在远离电气系统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 与电气系统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3示出了用于通过分析负载信号的频谱信息 来检测持续电弧的方法的一个实施例。在步骤50处，控制单元从负载信号的频谱信息中移 除线路频率特征。线路频率特征主要包括基线频率。移除线路频率特征允许在后续步骤中 使用计算高效的带通滤波器来提取次谐波频带。特别地，在步骤52处，微控制器可以使用高 效带通滤波器从负载信号中提取次谐波频带。所提取的频带的数量受到实际考虑的限制， 而电弧突发的持续时间可以是线路频率周期的许多倍，持续时间超过T burs t = 10 *T〇 = 10 / (??_)的不同频率不能彼此进一步分解开。因此，所提取的频带的数量通常最多是10。每个 频带可以在预定的时间段上被提取，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，微控制器可以将电弧特征模式识别过程应用于所提取的频带的时间分段。模式 识别可以包括在每个频带内相对于整流信号的时间提取幅度峰值。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。
[0024] 图4示出了图3的方法的实施方式。从负载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或者从电气系统12中获得输入信号。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，这取决于管辖范围 (jurisdiction)，但是电流的波动可能会使线路频率连续地偏离理论上的频率多达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。微控制器可以执行输入信号的自适 应陷波滤波，以识别输入信号中的线路电流的周期。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)与谐波函数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：
[0025] φ (t) =w(t)t+5(t)
[0026] y(t) = A(t)sin( Φ (t))
[0027] 而结果e(t)是信号中可能包含电弧特征的部分：
[0028] e(t)= |V(t)-y(t)
[0029] 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A和相位Φ。在步骤64处，控制单元可以从负载信号中移除线路频率特征。这可以包 括:使用低通滤波器或其它合适的滤波器从负载信号中移除线路电流频率和所有高于线路 电流频率的频率。
[0030] 提取次谐波频带可以包括:在步骤66处，根据方程，
其中，~23，并且心是 线路频率，应用一个或多个带通滤波器来获得期望的频带，所述期望的频带以与整数个的 半线循环周期相对应的频率f为中心。在典型的60Hz的线路频率处，期望的频带因此可以以 40Hz、30Hz、24Hz、20Hz、17.2Hz等等为中心。参见图5。由于对线路频率峰值进行陷波移除， 合适的带通滤波器可以包括计算高效的滤波器，例如实时的、递归的、椭圆-陷波滤波器，其 中针对每个次谐波频带具有大约l-3Hz的频谱带宽。合适的滤波器配置可以提供大约40dB 或者更好的抑制或更好。图5示出了在使用带通滤波器阵列来提取七个次谐波频带时在频 率 40Hz、30Hz、2 4Hz、20Hz、17.2Hz、15Hz 和 13.3Hz 周围的幅度响应。
[0031] 再次参考图4,在步骤68处，可以将滤波后的负载信号划分成时间分段。与一个线 周期相比时间分段较大，但是与电弧可以触发故障状况所处于的典型时间标度相比较小。 合适的时间分段已经被确定处于大约0.5-3秒的范围中，并且更具体地处于大约1-2秒的范 围中。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 边界最多偏移时间分段的一半。例如，图5示出了在1秒的时间分段内七个整流的次谐波频 带的峰值幅度相对于时间的变化情况。如图6所示，在没有电弧特征的情况中，频带保持在 基本类似并相对稳定的幅度处。相反，图7示出了用与图6示出的频带相同的方式处理的相 同的次谐波频带，其是在1秒的持续电弧期间从负载信号中记录的。所有次谐波频带的幅度 从基线剧烈地变化，尤其是在图7所示的时间分段中后面部分的期间。这些峰值指示由持续 电弧引起的电流变化，这导致持续时间为整数个线半周期的电弧突发。
[0032] 返回到图4,在一个实施例中，如果滤波并且整流后的负载信号的一个或多个次谐 波频带的峰值幅度超过某个阈值，则微控制器可以发送警报、断开电路或者两者。因此，负 载信号的整流后次谐波频带的峰值幅度超过某个预定阈值包括一个可能的指示符信号。在 另一实施例中，用于电弧的指示信号可以是滤波并且整流后的负载信号的一个或多个次谐 波频带在预定时间窗口上的时间积分超过某个阈值。每个阈值可以由对特定类型的电气系 统的实验室测试确定。在多个整流后的次谐波频带中的峰值检测可以被使用以确定是否存 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。这些值可以被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。可以使用在现场从电气系统12收集的基线负载信号、或者使用针对特定类型的电 气系统12的实验室获得值来导出历史值。在步骤74处，可以将指示符信号与导出的历史中 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，测量的信号与历史 基线在已经确定电弧的时间段上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。
[0033] 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。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，但是本发明不必局限于此，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被并入本申请，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. 一种检测电气系统中的持续电弧的方法，所述方法包括： 在预定时间段上通过在时域中采样以收集负载信号，并随后提取频谱信息，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气系统的线路电 流频率以及所有高于所述线路电流频率的频率； 从所述频谱信息中提取至少一个次谐波频带；以及 分析所述至少一个次谐波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，提取所述至少一个次谐波频带包括: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与所述线路电流频率的两倍 除以大于或等于三的整数相对应的频率周围的通带。5. 如权利要求1所述的方法，其中，提取所述至少一个次谐波频带包括:将所述至少一 个次谐波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，分析所述至少一个次谐波频带以确定是否存在电弧 信号包括： 检测至少一个次谐波频带中的幅度峰值以获得指示符信号；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持续电弧。8. 如权利要求7所述的方法，其中，所述幅度峰值超过基线幅度一定的量，并且具有从 已知电弧特征适配得到的持续时间，通过对一种类型的电气系统进行的实验室测试确定模 式。9. 如权利要求7所述的方法，其中，分析所述至少一个次谐波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，分析所述至少一个次谐波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，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. 一种检测电气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负载信号； 从所述负载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； 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； 移除高于所述测量的线路频率的所有频率； 将多个带通滤波器应用于所述频谱信息以获得多个次谐波频带； 将所述多个次谐波频带划分成多个时间分段； 在所述多个时间分段中检测每个次谐波频带内的幅度峰值；以及 根据所述幅度峰值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，确定每个次谐波频带中的幅度峰值产生指示符信 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. -种检测电气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负载信号； 从所述负载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； 从输入信号中提取测量的线路频率； 从所述频谱信息中移除所述测量的线路频率； 将多个带通滤波器应用于所述频谱信息以获得多个次谐波频带； 将所述多个次谐波频带划分成多个时间分段；以及 确定每个时间分段内的幅度峰值是否超过阈值，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，其中，所述带通滤波器中的每一个包括与所述线路电流 频率的两倍除以大于或等于三的整数相对应的频率周围的通带。
【专利摘要】本发明的实施例提供了检测电气系统中的持续电弧的系统和方法。在一个时间段上，收集负载信号的电流和电压，从负载信号中提取频谱信息。频谱信息具有频率分量和幅度分量。对负载信号进行处理以从频谱信息中移除线路频率特征。从负载信号中提取一个或多个次谐波频带，并对其进行分析以确定电弧特征的存在。次谐波频带可以以与整数个半线循环周期相对应的频率为中心。对次谐波频带的分析可以包括检测整流的次谐波频带的峰值幅度以获得指示符信号，以及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】CN105492913
【申请号】CN201480036379
【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20日
【公告号】EP2999970A1, US9366716, US20140347065, WO2014189975A1
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