本發(fā)明屬于交直流電弧故障檢測(cè)，具體涉及一種基于羅氏線圈磁耦合諧振的交直流電弧故障檢測(cè)方法。

背景技術(shù)：

1、近年來(lái)，隨著低壓配用電行業(yè)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，系統(tǒng)規(guī)模與電壓電流等級(jí)逐漸增大，線纜結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，潛在的線路安全風(fēng)險(xiǎn)也隨之增加。故障電弧是由于電氣線路或設(shè)備中絕緣老化破損、電氣連接松動(dòng)、空氣潮濕、電壓電流急劇升高等原因引起空氣擊穿所導(dǎo)致的氣體游離放電現(xiàn)象，是電氣火災(zāi)的重要誘因。通常串聯(lián)電弧故障是串接在電氣線路之中，其阻抗降低了負(fù)載工作電流。所以傳統(tǒng)的過(guò)流保護(hù)裝置并不會(huì)產(chǎn)生動(dòng)作切斷故障電路。而對(duì)于并聯(lián)電弧故障，其故障電流則與故障回路阻抗相關(guān)，如果線路阻抗較高時(shí)，故障電流較小，傳統(tǒng)的電路保護(hù)裝置也不會(huì)對(duì)其進(jìn)行響應(yīng)。由于電弧故障持續(xù)燃燒會(huì)產(chǎn)生較高的溫度，當(dāng)電弧持續(xù)燃燒時(shí)，往往會(huì)造成電氣火災(zāi)的產(chǎn)生。因此，設(shè)計(jì)一種成本低，效率高的電弧故障檢測(cè)裝置，對(duì)于預(yù)防電氣火災(zāi)和保護(hù)生命財(cái)產(chǎn)安全具有重要意義。

2、目前電弧故障檢測(cè)方法主要基于電弧伴生的電磁波信號(hào)、聲信號(hào)、光信號(hào)、熱信號(hào)、高頻電流等檢測(cè)方法。由于電弧故障的多樣性、隨機(jī)性以及發(fā)生位置的不確定性，對(duì)聲、光、熱等信號(hào)的檢測(cè)需要增加傳感器數(shù)量和檢測(cè)位置，造成檢測(cè)和系統(tǒng)維護(hù)成本增加的問(wèn)題。電壓和電流是傳統(tǒng)配電線路保護(hù)系統(tǒng)中便于獲取的電氣量，因此現(xiàn)有的電弧故障檢測(cè)方法主要以識(shí)別電流或電壓中的故障特征實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。從電流特征看，現(xiàn)有檢測(cè)方法多利用電流的零休點(diǎn)奇異性、波形相似性、諧波含量、高頻含量以及上升率等特征構(gòu)建故障判據(jù)；由于正常和故障時(shí)的高頻信號(hào)特征差異明顯，目前利用信號(hào)高頻特征判別電弧故障得到廣泛應(yīng)用，但是，傳統(tǒng)的電流互感器不僅在大電流下容易出現(xiàn)磁芯飽和現(xiàn)象，導(dǎo)致測(cè)量誤差增加，還在高頻電流環(huán)境下存在顯著的帶寬限制。由于其設(shè)計(jì)原理和磁芯材料的特性，互感器的響應(yīng)頻率范圍通常有限，無(wú)法準(zhǔn)確捕捉高頻信號(hào)中的細(xì)微變化。高頻電流的快速變化可能導(dǎo)致信號(hào)失真或衰減，影響故障檢測(cè)的精確性和可靠性，尤其是在需要監(jiān)測(cè)高頻電弧故障時(shí)，這一問(wèn)題尤為突出。同時(shí)，受到非線性負(fù)荷的影響，利用單一特征通常難以滿足故障檢測(cè)時(shí)負(fù)荷的多類型要求，因此基于機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)技術(shù)的多特征融合技術(shù)近幾年受到了眾多學(xué)者的關(guān)注，但是將復(fù)雜算法部署到嵌入式硬件裝置面臨著計(jì)算能力、存儲(chǔ)空間、能耗和實(shí)時(shí)性等挑戰(zhàn)。硬件通常資源有限，復(fù)雜算法可能超出其承受范圍。此外，算法的能耗和執(zhí)行時(shí)間也需要考慮，以保證系統(tǒng)的高效和實(shí)時(shí)性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)方案存在的諸多缺陷和不足，本發(fā)明利用磁耦合諧振原理，結(jié)合羅氏線圈傳感器帶寬大、無(wú)磁飽和的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)阻抗匹配的方式并聯(lián)上不同數(shù)值的電感電容，增加了頻率可調(diào)范圍，實(shí)現(xiàn)對(duì)電弧故障特征頻段信號(hào)的諧振放大，有效提取線路電流中特定的高頻分量。與傳統(tǒng)羅氏線圈傳感器結(jié)合積分器用于線路電流的測(cè)量不同，這種結(jié)合不僅增強(qiáng)了高頻信號(hào)的響應(yīng)，還能有效濾除低頻噪聲，進(jìn)一步擴(kuò)大帶寬和提高信噪比。在電弧故障或其他高頻電流的監(jiān)測(cè)中，磁耦合諧振與羅氏線圈的協(xié)同作用有助于提高檢測(cè)系統(tǒng)的靈敏度和可靠性，實(shí)現(xiàn)對(duì)交直流電弧故障的檢測(cè)。

2、本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題具體采用的技術(shù)方案是：

3、一種基于羅氏線圈磁耦合諧振的交直流電弧故障檢測(cè)方法，將待測(cè)線路從均勻繞制的羅氏線圈穿過(guò)，通過(guò)調(diào)整骨架結(jié)構(gòu)尺寸、繞組匝數(shù)以及并聯(lián)電感電容值，以獲得指定的諧振頻率；當(dāng)待測(cè)線路發(fā)生電弧故障時(shí)，羅氏線圈通過(guò)磁耦合諧振放大諧振頻率對(duì)應(yīng)的特征頻段信號(hào)，以檢測(cè)電弧故障狀態(tài)。

4、進(jìn)一步地，根據(jù)設(shè)定的閾值和采集的特征頻段信號(hào)的比較，判斷電弧故障是否發(fā)生。

5、進(jìn)一步地，當(dāng)檢測(cè)到的信號(hào)超過(guò)閾值時(shí)，等待第一時(shí)長(zhǎng)后，若在接下來(lái)的第二時(shí)長(zhǎng)內(nèi)再次檢測(cè)到超過(guò)閾值的信號(hào)，則線路中可能發(fā)生電弧故障，進(jìn)入過(guò)零率計(jì)算：從首次超過(guò)閾值的信號(hào)開(kāi)始，計(jì)算第三時(shí)長(zhǎng)內(nèi)的信號(hào)過(guò)零率；且只計(jì)算幅值超過(guò)給定值的信號(hào)過(guò)零率zcr，若0.002<zcr<0.02，則判斷待測(cè)線路中發(fā)生電弧故障；若不在此范圍內(nèi)，則在接下來(lái)的第四時(shí)長(zhǎng)內(nèi)若有信號(hào)超過(guò)閾值，再次計(jì)算第三時(shí)長(zhǎng)內(nèi)的信號(hào)過(guò)零率并進(jìn)行電弧故障判斷；若第四時(shí)長(zhǎng)內(nèi)無(wú)信號(hào)超過(guò)閾值，則判斷線路無(wú)電弧故障。

6、所述過(guò)零率zcr計(jì)算公式為；

7、

8、其中， s是一個(gè)長(zhǎng)度為t的信號(hào)，函數(shù)在參數(shù)a為真時(shí)為1，否則為0。

9、以及，一種基于羅氏線圈磁耦合諧振的交直流電弧故障檢測(cè)傳感器，包括：均勻繞制的羅氏線圈和與羅氏線圈兩端并聯(lián)的電感和/或電容；通過(guò)調(diào)整骨架結(jié)構(gòu)尺寸、繞組匝數(shù)以及并聯(lián)電感電容值，以獲得指定的諧振頻率；將待測(cè)線路從羅氏線圈穿過(guò)，當(dāng)待測(cè)線路發(fā)生電弧故障時(shí)，羅氏線圈通過(guò)磁耦合諧振放大諧振頻率對(duì)應(yīng)的特征頻段信號(hào)；用以檢測(cè)電弧故障狀態(tài)。

10、進(jìn)一步地，通過(guò)阻抗匹配的方式并聯(lián)不同的電感和/或電容，以增加頻率可調(diào)范圍。

11、以及，一種基于羅氏線圈磁耦合諧振的交直流電弧故障檢測(cè)裝置，包括：以上所述的傳感器，傳感器連接單片機(jī)；所述單片機(jī)根據(jù)設(shè)定的閾值和傳感器采集的特征頻段信號(hào)，判斷電弧故障是否發(fā)生。

12、進(jìn)一步地，當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到的信號(hào)超過(guò)閾值時(shí)，等待第一時(shí)長(zhǎng)后，若在接下來(lái)的第二時(shí)長(zhǎng)內(nèi)再次檢測(cè)到超過(guò)閾值的信號(hào)，則線路中可能發(fā)生電弧故障，進(jìn)入過(guò)零率計(jì)算：從首次超過(guò)閾值的信號(hào)開(kāi)始，計(jì)算第三時(shí)長(zhǎng)內(nèi)的信號(hào)過(guò)零率；且只計(jì)算幅值超過(guò)給定值的信號(hào)過(guò)零率zcr，若0.002<zcr<0.02，則判斷待測(cè)線路中發(fā)生電弧故障；若不在此范圍內(nèi)，則在接下來(lái)的第四時(shí)長(zhǎng)內(nèi)若有信號(hào)超過(guò)閾值，再次計(jì)算第三時(shí)長(zhǎng)內(nèi)的信號(hào)過(guò)零率并進(jìn)行電弧故障判斷；若第四時(shí)長(zhǎng)內(nèi)無(wú)信號(hào)超過(guò)閾值，則判斷線路無(wú)電弧故障。

13、所述過(guò)零率zcr計(jì)算公式為；

14、

15、其中， s是一個(gè)長(zhǎng)度為t的信號(hào)，函數(shù)在參數(shù)a為真時(shí)為1，否則為0。

16、相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明及其優(yōu)選方案利用磁耦合諧振原理，結(jié)合羅氏線圈傳感器帶寬大、無(wú)磁飽和的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)阻抗匹配的方式并聯(lián)上不同數(shù)值的電感電容，增加了頻率可調(diào)范圍，實(shí)現(xiàn)對(duì)電弧故障特征頻段信號(hào)的諧振放大，有效提取線路電流中特定的高頻分量。與傳統(tǒng)羅氏線圈傳感器結(jié)合積分器用于線路電流的測(cè)量不同，這種結(jié)合不僅增強(qiáng)了高頻信號(hào)的響應(yīng)，還能有效濾除低頻噪聲，進(jìn)一步擴(kuò)大帶寬和提高信噪比。在電弧故障或其他高頻電流的監(jiān)測(cè)中，磁耦合諧振與羅氏線圈的協(xié)同作用有助于提高檢測(cè)系統(tǒng)的靈敏度和可靠性，實(shí)現(xiàn)對(duì)交直流電弧故障的檢測(cè)。

技術(shù)特征：

1.一種基于羅氏線圈磁耦合諧振的交直流電弧故障檢測(cè)方法，其特征在于：將待測(cè)線路從均勻繞制的羅氏線圈穿過(guò)，通過(guò)調(diào)整骨架結(jié)構(gòu)尺寸、繞組匝數(shù)以及并聯(lián)電感電容值，以獲得指定的諧振頻率；當(dāng)待測(cè)線路發(fā)生電弧故障時(shí)，羅氏線圈通過(guò)磁耦合諧振放大諧振頻率對(duì)應(yīng)的特征頻段信號(hào)，以檢測(cè)電弧故障狀態(tài)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于一種基于羅氏線圈磁耦合諧振的交直流電弧故障檢測(cè)方法，其特征在于：根據(jù)設(shè)定的閾值和采集的特征頻段信號(hào)的比較，判斷電弧故障是否發(fā)生。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于羅氏線圈磁耦合諧振的交直流電弧故障檢測(cè)方法，其特征在于：當(dāng)檢測(cè)到的信號(hào)超過(guò)閾值時(shí)，等待第一時(shí)長(zhǎng)后，若在接下來(lái)的第二時(shí)長(zhǎng)內(nèi)再次檢測(cè)到超過(guò)閾值的信號(hào)，則線路中可能發(fā)生電弧故障，進(jìn)入過(guò)零率計(jì)算：從首次超過(guò)閾值的信號(hào)開(kāi)始，計(jì)算第三時(shí)長(zhǎng)內(nèi)的信號(hào)過(guò)零率；且只計(jì)算幅值超過(guò)給定值的信號(hào)過(guò)零率zcr，若0.002<zcr<0.02，則判斷待測(cè)線路中發(fā)生電弧故障；若不在此范圍內(nèi)，則在接下來(lái)的第四時(shí)長(zhǎng)內(nèi)若有信號(hào)超過(guò)閾值，再次計(jì)算第三時(shí)長(zhǎng)內(nèi)的信號(hào)過(guò)零率并進(jìn)行電弧故障判斷；若第四時(shí)長(zhǎng)內(nèi)無(wú)信號(hào)超過(guò)閾值，則判斷線路無(wú)電弧故障。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于羅氏線圈磁耦合諧振的交直流電弧故障檢測(cè)方法，其特征在于：

5.一種基于羅氏線圈磁耦合諧振的交直流電弧故障檢測(cè)傳感器，其特征在于：包括：均勻繞制的羅氏線圈和與羅氏線圈兩端并聯(lián)的電感和/或電容；通過(guò)調(diào)整骨架結(jié)構(gòu)尺寸、繞組匝數(shù)以及并聯(lián)電感電容值，以獲得指定的諧振頻率；將待測(cè)線路從羅氏線圈穿過(guò)，當(dāng)待測(cè)線路發(fā)生電弧故障時(shí)，羅氏線圈通過(guò)磁耦合諧振放大諧振頻率對(duì)應(yīng)的特征頻段信號(hào)；用以檢測(cè)電弧故障狀態(tài)。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于羅氏線圈磁耦合諧振的交直流電弧故障檢測(cè)傳感器，其特征在于：通過(guò)阻抗匹配的方式并聯(lián)不同的電感和/或電容，以增加頻率可調(diào)范圍。

7.一種基于羅氏線圈磁耦合諧振的交直流電弧故障檢測(cè)裝置，其特征在于，包括：根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的傳感器，傳感器連接單片機(jī)；所述單片機(jī)根據(jù)設(shè)定的閾值和傳感器采集的特征頻段信號(hào)，判斷電弧故障是否發(fā)生。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種基于羅氏線圈磁耦合諧振的交直流電弧故障檢測(cè)裝置，其特征在于：當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到的信號(hào)超過(guò)閾值時(shí)，等待第一時(shí)長(zhǎng)后，若在接下來(lái)的第二時(shí)長(zhǎng)內(nèi)再次檢測(cè)到超過(guò)閾值的信號(hào)，則線路中可能發(fā)生電弧故障，進(jìn)入過(guò)零率計(jì)算：從首次超過(guò)閾值的信號(hào)開(kāi)始，計(jì)算第三時(shí)長(zhǎng)內(nèi)的信號(hào)過(guò)零率；且只計(jì)算幅值超過(guò)給定值的信號(hào)過(guò)零率zcr，若0.002<zcr<0.02，則判斷待測(cè)線路中發(fā)生電弧故障；若不在此范圍內(nèi)，則在接下來(lái)的第四時(shí)長(zhǎng)內(nèi)若有信號(hào)超過(guò)閾值，再次計(jì)算第三時(shí)長(zhǎng)內(nèi)的信號(hào)過(guò)零率并進(jìn)行電弧故障判斷；若第四時(shí)長(zhǎng)內(nèi)無(wú)信號(hào)超過(guò)閾值，則判斷線路無(wú)電弧故障。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種基于羅氏線圈磁耦合諧振的交直流電弧故障檢測(cè)裝置，其特征在于：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供一種基于羅氏線圈磁耦合諧振的交直流電弧故障檢測(cè)方法，將待測(cè)線路從均勻繞制的羅氏線圈穿過(guò)，通過(guò)調(diào)整骨架結(jié)構(gòu)尺寸、繞組匝數(shù)以及并聯(lián)電感電容值，以獲得指定的諧振頻率；當(dāng)待測(cè)線路發(fā)生電弧故障時(shí)，羅氏線圈通過(guò)磁耦合諧振放大諧振頻率對(duì)應(yīng)的特征頻段信號(hào)，以檢測(cè)電弧故障狀態(tài)。

技術(shù)研發(fā)人員：鄭昕,王耀宗,吳榮俊
受保護(hù)的技術(shù)使用者：福州大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2