基于頻譜畸變的航空交流電弧檢測方法研究

吳鵬飛, 韋清瀚, 劉東星, 楊 昌, 韓慶軒

天津航空機電有限公司，天津 300300)

隨著多電和全電飛機技術(shù)的迅速發(fā)展，機上供電系統(tǒng)的電壓和電流等級逐漸提高，由于線路老化、振動和熱循環(huán)導致線路磨損或者其他原因引起的電氣連接松動等，使得電弧故障發(fā)生的次數(shù)更為頻繁[1]。電弧故障不同于常規(guī)電氣故障，其發(fā)生現(xiàn)象較為隱晦，引起的電流電壓波動往往很難被其他電氣保護設(shè)備檢測并保護[2-3]。電弧故障作為飛機電氣系統(tǒng)中危害性較大、隱蔽性較高的一種故障形式，小則引起線路故障負載運行異常，大則引燃附近設(shè)備破壞飛機結(jié)構(gòu)引發(fā)更大的飛機災(zāi)害，導致飛機無法正常飛行[4-6]。

目前，電弧檢測方法大致分為基于數(shù)學模型[7]的檢測方法、基于物理特征的檢測方法和基于電流電壓波形變化的檢測方法[8-9]。其中基于數(shù)學模型的方式僅適應(yīng)于電弧檢測的理論研究，包括經(jīng)典的Cassie和Mayr電弧模型。以這兩種模型為基礎(chǔ)，所提出的改進模型應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。例如有將改進的Mayr模型應(yīng)用到弓網(wǎng)電弧中的仿真研究[10]，也有聯(lián)合Cassie和Mayr模型形成KEMA模型應(yīng)用于高壓斷路器分斷時的觸點電弧特性研究[11]。

在航空領(lǐng)域，由于機上線纜布線復(fù)雜，常規(guī)物理手段難以檢測到電弧故障，因此飛機上的電弧故障檢測多基于線路中故障電流信號進行判斷。電弧檢測多是通過電流時域特征算法(如峰值檢測、平均值檢測和電流變化率檢測[12]等)或者通過電弧頻譜諧波[13]、間諧波失真[14]進行特征識別(如積分差值[15]等特征值)，也有利用BP(Back Propagation)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[16]等智能算法對高頻[17]或低頻[18]特征進行分類識別的方法。這些研究為電弧識別提供了理論依據(jù)，但是都未對電弧本身特性進行系統(tǒng)且充足的分析，無法為特征的選擇提供有效的支撐。

通過分析大量交流電弧故障數(shù)據(jù)，總結(jié)出航空115 V及230 V交流供電體制下電弧故障特性，并根據(jù)電弧故障特性選取合適的檢測特征值進行故障識別，提高對航空交流電弧故障的識別率，從而對飛機線纜進行有效保護，避免電弧故障引起可能造成的破壞，保障飛機的飛行安全。

1 電弧試驗系統(tǒng)

通過分析大量電弧數(shù)據(jù)獲取電弧特征是進行電弧故障識別的必要手段之一，因此在進行電弧故障識別研究前需要搭建一個有效的、能夠反復(fù)采集數(shù)據(jù)的電弧試驗平臺。在航空交流115 V電弧斷路器標準AS5692中明確規(guī)定了飛機電氣系統(tǒng)中常見的幾類電弧故障的試驗過程、試驗設(shè)備和試驗要求[19]。本文依據(jù)該標準規(guī)定搭建了交流電弧故障試驗平臺，其中115 V交流電弧試驗與230 V交流電弧試驗的區(qū)別僅在于供電電源和負載設(shè)置，其余部分共用一套系統(tǒng)。

電弧發(fā)生裝置主要用于模擬機上電氣系統(tǒng)在不同工況下可能產(chǎn)生的電弧故障。在AS5692標準中主要涉及到了兩類電弧故障發(fā)生裝置：串聯(lián)電弧發(fā)生裝置和并聯(lián)電弧發(fā)生裝置。

(1) 串聯(lián)電弧發(fā)生裝置。

串聯(lián)電弧發(fā)生裝置主要用于模擬機上接線端子松動后由于機身振動導致接線頭與接線柱之間頻繁接觸晃動形成間隙并產(chǎn)生電弧的故障情況。AS5692標準中要求串聯(lián)電弧發(fā)生裝置要保證接線端子在振動過程中能夠在螺柱中自由活動，自鎖螺母僅用于保證振動時接線端子不會脫離接線柱。串聯(lián)電弧發(fā)生裝置如圖1所示。

圖1 串聯(lián)電弧發(fā)生裝置圖

(2) 并聯(lián)電弧發(fā)生裝置。

傳統(tǒng)并聯(lián)電弧發(fā)生裝置采用電極短接方式產(chǎn)生電弧，采用該方法產(chǎn)生的電弧狀態(tài)過于理想，而實際飛機中往往是由于兩個線路在安裝或人員不當操作等因素影響導致鄰近線纜被金屬部件切割，從而產(chǎn)生并聯(lián)電弧故障。因此，現(xiàn)有并聯(lián)電弧發(fā)生裝置采用的是鍘刀切割的方式產(chǎn)生電弧故障。并聯(lián)電孤發(fā)生裝置如圖2所示。該裝置為自研設(shè)計，其結(jié)構(gòu)從下到上包括金屬底座、木質(zhì)絕緣板、接線端子，與底座連接的螺桿上裝有可以上下滑動的刀片夾具和金屬刀片，在最上端則是驅(qū)動電機，通過電機正反轉(zhuǎn)可以控制刀片升降，對線纜進行切割使之產(chǎn)生電弧故障。

圖2 并聯(lián)電弧發(fā)生裝置圖

2 航空交流電弧特征

通過電弧試驗系統(tǒng)可采集故障電弧線路中電流信號和電弧兩端的電壓信號，AS5692標準對不同的電弧故障類型均有定義，因此在進行電弧故障檢測算法驗證時，首先應(yīng)對采集數(shù)據(jù)中電弧故障和普通信號進行區(qū)分，以保證算法驗證的正確性。

本文通過故障電弧伏安特性分析法獲取115 V/230 V供電體制下特定試驗類型中電弧故障的定義和判據(jù)，從而對試驗數(shù)據(jù)進行準確定義，區(qū)分試驗獲取的正常數(shù)據(jù)和電流故障數(shù)據(jù)。伏安特性分析的對象包括電弧電壓、電弧電流，主要從時域、頻域兩個角度進行分析[20-22]。

2.1 電弧試驗?zāi)Ｐ痛罱?/h3>

本文以并聯(lián)截斷電弧為例對交流電弧特性分析方法進行說明，其余電弧類型分析過程與其類似不做贅述。分析電弧特性前需要對采集的試驗數(shù)據(jù)有一個明確的認識，為此按照并聯(lián)電弧試驗原理圖搭建了電弧試驗?zāi)Ｐ?，從而得到采集?shù)據(jù)與試驗條件配置之間的聯(lián)系。并聯(lián)截斷電弧電氣模型如圖3所示，其中電源電壓U按照供電體制分為115 V和230 V兩種，電路電流I在無故障時大小為額定電流Irate，負載阻值為Rr，負載兩端電壓Vr，并聯(lián)電弧動態(tài)電阻為Rarc，兩端的動態(tài)分壓電壓為Varc。為保護電源設(shè)置的限流電阻阻值為Rx，其分壓為Vx。其中，可配置的已知量包括電源電壓U、負載電阻Rr和限流電阻Rx。采集到的信號包括電弧兩端分壓Varc和電路電流I。

圖3 并聯(lián)截斷電弧電氣模型圖

當電弧故障未發(fā)生時：

(1)

I=Irate

(2)

當電弧故障發(fā)生后，由于電弧動態(tài)電阻的存在，負載兩端電壓發(fā)生變化，電弧電壓Varc和電弧電流Iarc分別為

Varc=Vr=U-I·Rx

(3)

(4)

2.2 交流電弧特征分析方法

電弧特性分析以AS5692標準為依據(jù)，對實際電弧試驗數(shù)據(jù)進行區(qū)分處理，提取電弧故障數(shù)據(jù)。分別對電弧故障數(shù)據(jù)和正常電流數(shù)據(jù)的時域、頻域特性進行分析總結(jié)。特性分析模型主要包括7個部分，分別為數(shù)據(jù)讀取模塊、數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊、參數(shù)配置模塊、電弧定義識別模塊、時域特性分析模塊、頻域特性分析模塊和分析結(jié)果存儲模塊。

數(shù)據(jù)讀取模塊的主要功能是將指定數(shù)據(jù)文件中包含的電弧電流、電壓和時間軸數(shù)據(jù)導入到分析軟件的工作區(qū)中，以便后續(xù)模塊調(diào)用處理。

數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊的主要功能包括數(shù)據(jù)重采樣、電流歸一化處理、噪聲校準和波形校準。其中，數(shù)據(jù)重采樣的目的是統(tǒng)一數(shù)據(jù)的采樣頻率。電流歸一化處理的目的是消除電流額定等級對分析結(jié)果的影響。由于電弧判定所需的電壓電流閾值都為一個確定值，而示波器采集到的數(shù)據(jù)由于噪聲信號或示波器采樣本身自帶的誤差，所獲取的數(shù)據(jù)會在一定范圍內(nèi)波動，為消除這種由于示波器采樣誤差引入的噪聲信號，需要在試驗數(shù)據(jù)進行判別前進行噪聲校準。異常電流信號的判別主要是與標準單周期正弦信號進行對比，因此從波形零相位開始提取整周期數(shù)據(jù)是能夠準確識別異常信號的關(guān)鍵。若波形相位錯位則很容易導致正常的波形信號與標準正弦周期出現(xiàn)較大偏差，從而被誤識別為異常信號。因此專門設(shè)置了波形校準子模塊，該模塊主要用于尋找信號波形的起始零相位坐標。波形校準首先需確定信號波形零點位置，依據(jù)數(shù)據(jù)單周期的峰值、偏差、平均值等統(tǒng)計量進行分析，從而尋找到一個完整正弦周期并確定該周期的零相位坐標，依據(jù)該坐標計算出該組數(shù)據(jù)的起始零相位坐標。

參數(shù)配置模塊包括電弧識別閾值設(shè)定，其中并聯(lián)電弧隨著額定電流變化，其電流上下限也會隨之變化。參數(shù)初始值需依據(jù)標準定義設(shè)置。

電弧定義識別模塊主要是結(jié)合電壓電流數(shù)據(jù)，以起始零相位坐標為起點提取整周期數(shù)據(jù)進行分析，結(jié)合識別參數(shù)標記電弧數(shù)據(jù)段的起弧位置和熄弧位置。判斷依據(jù)主要是電弧累計時長和電流信號與標準正弦信號偏差的均值。最后則是根據(jù)電弧識別標記的坐標將整段數(shù)據(jù)中的電弧數(shù)據(jù)與正常數(shù)據(jù)進行區(qū)分和提取，最終形成電弧段數(shù)據(jù)和正常段數(shù)據(jù)。

時域特性分析模塊和頻域特性分析模塊分別對電弧段數(shù)據(jù)和正常段數(shù)據(jù)進行分析，其中時域信息包括電弧電壓幅值的分布占比以及電弧電壓和電流的最大值、最小值、中位數(shù)、眾數(shù)等統(tǒng)計量；在頻域上，則主要對比了正常試驗數(shù)據(jù)和故障試驗數(shù)據(jù)分別在3次、5次、7次、9次和11次諧波上的幅值變化。數(shù)據(jù)時域和頻域特性分析模塊通過對電弧定義識別模塊中電弧數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，提煉出電弧在時域和頻域更為顯性的特征。最終通過數(shù)據(jù)存儲模塊將分析結(jié)果進行記錄和保存。電弧特性分析流程如圖4所示。

圖4 電弧特性分析流程

2.2.1 交流115 V電弧分析

在分析過程中，電弧定義的參數(shù)配置初始值主要來自于標準AS5692的截斷電弧試驗中對并聯(lián)截斷電弧的定義，其中包括電弧電壓在15～60 V之間，電弧半周持續(xù)時間應(yīng)大于62.5 μs(相對于400 Hz定頻交流電源)。

由于獲取的電弧判定所需的電壓上下限都為一個確定值，而示波器采集到的電流數(shù)據(jù)由于噪聲信號或示波器采樣本身自帶的誤差，即便采集的電壓為穩(wěn)定電壓值，所獲取的電壓數(shù)據(jù)也是在一定范圍內(nèi)波動的。為消除這種由于示波器采樣誤差引入的噪聲信號，需要在電弧電壓數(shù)據(jù)進行判別前對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理。 進行預(yù)處理的目的主要是獲取示波器采樣電壓的標準差，以便在后續(xù)識別中對數(shù)據(jù)進行校準。115 V串聯(lián)電弧試驗結(jié)果如圖5所示。115 V并聯(lián)電弧試驗結(jié)果如圖6所示。

圖5 115 V串聯(lián)電弧試驗結(jié)果

圖6 115 V并聯(lián)電弧試驗結(jié)果

其中藍色波動曲線為示波器采集的電壓試驗數(shù)據(jù)，紫色波動曲線為示波器采集的電流試驗數(shù)據(jù)。豎直的若干紅綠直線則為電弧故障劃分區(qū)域線，其中紅色直線為電弧故障起始位置，綠色直線為電弧故障結(jié)束位置。從圖5中波形可以看出，初始階段鍘刀未對線纜進行切割，此時電弧發(fā)生裝置兩端的電壓值穩(wěn)定為高電平，峰值可達160 V，而線路中的電流為額定電流值3 A左右。

2.2.2 交流230 V電弧分析

相較于115 V，230 V交流供電體制具有更高的電壓等級，在相同電流下，電弧故障產(chǎn)生的能量更大，所需的間隙也更小，電弧故障整體持續(xù)時間也更長。230 V并聯(lián)電弧試驗結(jié)果如圖7所示。230 V串聯(lián)電弧試驗結(jié)果如圖8所示。

2.3 交流電弧特征

將試驗平臺采集到的正常信號、串聯(lián)電弧信號和并聯(lián)電弧信號進行頻域轉(zhuǎn)換后可以得到如圖9～圖11所示的頻譜圖。對于交流正弦信號而言，正常情況下頻譜能量會集中在基波位置，并由于頻譜泄露在基波頻率附近的頻率點會有較高的能量，但是該部分能量與基波占比相對較小，當頻率達到2倍以上基波頻率后基本為零，如圖9所示。但是當發(fā)生電弧故障后，這部分能量會進一步增加，尤其在特定位置，如圖10和圖11所示，頻譜畸變較為明顯。

圖10 串聯(lián)電弧信號頻譜圖

圖11 并聯(lián)電弧信號頻譜圖

通過對頻譜畸變的規(guī)律總結(jié)可知，當電弧發(fā)生時，交流信號的奇次諧波處會發(fā)生明顯畸變，通過對3 A、5 A、7 A、10 A、15 A這5種不同額定電流下的電弧故障進行整理分析，結(jié)果如表1和表2所示。

表1 并聯(lián)電弧頻域比值統(tǒng)計表(故障/正常)

表2 串聯(lián)電弧頻域比值統(tǒng)計表(故障/正常)

3 基于頻譜畸變的電弧故障檢測原理

經(jīng)過交流電弧特征分析可知，在頻譜的3次諧波、5次諧波、7次諧波、9次諧波和11次諧波處都產(chǎn)生了明顯的畸變，通過這些畸變點能夠有效識別電弧故障。

在頻域方面對電弧識別能夠采用的方法眾多，但是從工程應(yīng)用角度考慮，這些方法都較難實現(xiàn)電弧故障的實時檢測，因此本文將三周期法由時域運算引申到頻域中，結(jié)合電弧故障在特定頻段有較為明顯的突變特點，實現(xiàn)電弧故障的有效識別。與時域三周期法[23]相似，頻域三周期法同樣需要采集相鄰3個周期數(shù)據(jù)。在采集到數(shù)據(jù)后，對這3個周期分別進行傅里葉變換。然后在這3組傅里葉變換數(shù)據(jù)中提取同一特定頻段的數(shù)據(jù)，并按照三周期算法對提取的這3組數(shù)據(jù)進行計算得到頻域三周期特征值，選取最大特征值與預(yù)先設(shè)定的閾值進行判別。當該特定值大于閾值時則認為該周期為電弧周期，否則為正常周期。當電弧周期累積到一定程度后則判定線路中發(fā)生了電弧故障。其中，三周期算法公式為

TCP(i)=abs(abs(T1(i)-T2(i))+abs(T3(i)-T2(i))-abs(T3(i)-T1(i)))

(5)

式中:T1為第1個周期的數(shù)據(jù)；T2為第2個周期的數(shù)據(jù)；T3為第3個周期的數(shù)據(jù)。

基于頻譜畸變的交流電弧故障識別流程如圖12所示。

圖12 基于頻譜畸變的交流電弧故障識別流程

4 實驗結(jié)果分析

由電弧特性可知，在產(chǎn)生電弧的過程中，交流電弧并不明顯。結(jié)合電弧產(chǎn)生時電流隨機高速變化的特點，電流頻譜中的高頻信號必然會增加。仍然在時域上采集相鄰3個周期的數(shù)據(jù)，通過三周期法計算特定頻段對應(yīng)頻率點的幅值變化也能夠?qū)﹄娀∵M行識別。

將識別策略植入檢測樣機分別進行115 V、230 V串并聯(lián)電弧檢測功能驗證,結(jié)果如圖13～圖16所示。圖中1通道為電弧電流值，2通道為檢測信號值，當檢測樣機識別到電弧故障后，檢測值會由低變高。通過在同一時間軸下對比2通道信號能夠驗證識別策略對電弧故障的識別效果和響應(yīng)時間。

圖13 115 V并聯(lián)電弧檢測驗證結(jié)果

圖14 115 V串聯(lián)電弧檢測驗證結(jié)果

圖15 230 V并聯(lián)電弧檢測驗證結(jié)果

圖16 230 V串聯(lián)電弧檢測驗證結(jié)果

對比圖13和圖15可知，當產(chǎn)生并聯(lián)電弧時電流波形發(fā)生明顯畸變，幅值會由額定值突變至接近短路電流位置。如圖13、圖15所示，發(fā)生故障后，電流值在單個周期或半個周期內(nèi)從額定電流15 A突然增加到接近90 A。從試驗波形可以看出這一過程分為兩個階段。初始階段，刀片切入線纜瞬間產(chǎn)生的電弧故障不夠穩(wěn)定，電流突變僅存在半個周期或單個周期后便恢復(fù)正常，這種電流突變會零星產(chǎn)生。隨著刀片持續(xù)降落，電弧故障進入穩(wěn)定階段，切割線纜形成的電弧故障趨于穩(wěn)定，產(chǎn)生的電弧故障周期連續(xù)密集。在產(chǎn)生零星電弧突變時，由于故障時間較短，變化并不規(guī)律，電弧電流波動也較大，單純從時域分析很難找到合適特征識別電弧故障。當穩(wěn)定電弧產(chǎn)生時，電流波形變化趨于規(guī)律，波形畸變也趨于一致，此時電弧故障具有明顯的統(tǒng)一特征，采樣常規(guī)電弧檢測方法即可識別。 從試驗結(jié)果可知，采用頻譜特性的檢測樣機，在電弧初始階段就能夠完成電弧故障識別。

同樣，對比圖14和圖16可知，隨著接線端子的振動，每次與接線柱接觸過程中都會產(chǎn)生電弧并伴隨著兩者分離而熄滅。這就導致串聯(lián)電弧相較于并聯(lián)電弧更難產(chǎn)生一個持續(xù)時間較長的穩(wěn)定階段。不同于并聯(lián)電弧，串聯(lián)電弧在產(chǎn)生后電流會變小，降幅基本在10%以內(nèi)。從試驗結(jié)果可知，檢測樣機能夠迅速檢測到剛開始振動過程中產(chǎn)生的電弧故障。

經(jīng)過樣機驗證可知，在電弧故障產(chǎn)生后樣機都能夠準確有效及時報故，報故響應(yīng)時間往往都小于50 ms。因此可以驗證本文所提出的電弧故障識別策略能夠有效且快速地識別115 V、230 V交流航空串并聯(lián)電弧故障。

5 結(jié)束語

對交流電弧115 V和230 V供電體制下的串、并聯(lián)兩種不同類型的電弧進行了分析研究。根據(jù)目前大量試驗數(shù)據(jù)分析的結(jié)果可知，對于并聯(lián)電弧，由于幅值波動較大，其故障信號在頻域的奇次諧波發(fā)生的變化也較大，一般發(fā)生電弧故障時頻譜奇次諧波幅值能達到正常頻譜奇次諧波幅值的幾十倍甚至幾百倍。而串聯(lián)電弧相比并聯(lián)電弧波動較小，其故障信號在頻域的奇次諧波發(fā)生的變化也相對較小。其中，串聯(lián)松動接線柱電弧的奇次諧波頻譜幅值僅為幾倍乃至接近正常頻譜幅值變化。結(jié)合交流電弧這一頻域特征，通過三周期算法計算相鄰3個周期內(nèi)電流信號的頻域變化情況能夠有效識別電弧故障，達到保護飛機電氣系統(tǒng)的目的，從而保障飛機安全可靠飛行。