基于频谱畸变的航空交流电弧检测方法研究

吴鹏飞, 韦清瀚, 刘东星, 杨 昌, 韩庆轩

天津航空机电有限公司，天津 300300)

随着多电和全电飞机技术的迅速发展，机上供电系统的电压和电流等级逐渐提高，由于线路老化、振动和热循环导致线路磨损或者其他原因引起的电气连接松动等，使得电弧故障发生的次数更为频繁[1]。电弧故障不同于常规电气故障，其发生现象较为隐晦，引起的电流电压波动往往很难被其他电气保护设备检测并保护[2-3]。电弧故障作为飞机电气系统中危害性较大、隐蔽性较高的一种故障形式，小则引起线路故障负载运行异常，大则引燃附近设备破坏飞机结构引发更大的飞机灾害，导致飞机无法正常飞行[4-6]。

目前，电弧检测方法大致分为基于数学模型[7]的检测方法、基于物理特征的检测方法和基于电流电压波形变化的检测方法[8-9]。其中基于数学模型的方式仅适应于电弧检测的理论研究，包括经典的Cassie和Mayr电弧模型。以这两种模型为基础，所提出的改进模型应用领域广泛。例如有将改进的Mayr模型应用到弓网电弧中的仿真研究[10]，也有联合Cassie和Mayr模型形成KEMA模型应用于高压断路器分断时的触点电弧特性研究[11]。

在航空领域，由于机上线缆布线复杂，常规物理手段难以检测到电弧故障，因此飞机上的电弧故障检测多基于线路中故障电流信号进行判断。电弧检测多是通过电流时域特征算法(如峰值检测、平均值检测和电流变化率检测[12]等)或者通过电弧频谱谐波[13]、间谐波失真[14]进行特征识别(如积分差值[15]等特征值)，也有利用BP(Back Propagation)神经网络[16]等智能算法对高频[17]或低频[18]特征进行分类识别的方法。这些研究为电弧识别提供了理论依据，但是都未对电弧本身特性进行系统且充足的分析，无法为特征的选择提供有效的支撑。

通过分析大量交流电弧故障数据，总结出航空115 V及230 V交流供电体制下电弧故障特性，并根据电弧故障特性选取合适的检测特征值进行故障识别，提高对航空交流电弧故障的识别率，从而对飞机线缆进行有效保护，避免电弧故障引起可能造成的破坏，保障飞机的飞行安全。

1 电弧试验系统

通过分析大量电弧数据获取电弧特征是进行电弧故障识别的必要手段之一，因此在进行电弧故障识别研究前需要搭建一个有效的、能够反复采集数据的电弧试验平台。在航空交流115 V电弧断路器标准AS5692中明确规定了飞机电气系统中常见的几类电弧故障的试验过程、试验设备和试验要求[19]。本文依据该标准规定搭建了交流电弧故障试验平台，其中115 V交流电弧试验与230 V交流电弧试验的区别仅在于供电电源和负载设置，其余部分共用一套系统。

电弧发生装置主要用于模拟机上电气系统在不同工况下可能产生的电弧故障。在AS5692标准中主要涉及到了两类电弧故障发生装置：串联电弧发生装置和并联电弧发生装置。

(1) 串联电弧发生装置。

串联电弧发生装置主要用于模拟机上接线端子松动后由于机身振动导致接线头与接线柱之间频繁接触晃动形成间隙并产生电弧的故障情况。AS5692标准中要求串联电弧发生装置要保证接线端子在振动过程中能够在螺柱中自由活动，自锁螺母仅用于保证振动时接线端子不会脱离接线柱。串联电弧发生装置如图1所示。

图1 串联电弧发生装置图

(2) 并联电弧发生装置。

传统并联电弧发生装置采用电极短接方式产生电弧，采用该方法产生的电弧状态过于理想，而实际飞机中往往是由于两个线路在安装或人员不当操作等因素影响导致邻近线缆被金属部件切割，从而产生并联电弧故障。因此，现有并联电弧发生装置采用的是铡刀切割的方式产生电弧故障。并联电孤发生装置如图2所示。该装置为自研设计，其结构从下到上包括金属底座、木质绝缘板、接线端子，与底座连接的螺杆上装有可以上下滑动的刀片夹具和金属刀片，在最上端则是驱动电机，通过电机正反转可以控制刀片升降，对线缆进行切割使之产生电弧故障。

图2 并联电弧发生装置图

2 航空交流电弧特征

通过电弧试验系统可采集故障电弧线路中电流信号和电弧两端的电压信号，AS5692标准对不同的电弧故障类型均有定义，因此在进行电弧故障检测算法验证时，首先应对采集数据中电弧故障和普通信号进行区分，以保证算法验证的正确性。

本文通过故障电弧伏安特性分析法获取115 V/230 V供电体制下特定试验类型中电弧故障的定义和判据，从而对试验数据进行准确定义，区分试验获取的正常数据和电流故障数据。伏安特性分析的对象包括电弧电压、电弧电流，主要从时域、频域两个角度进行分析[20-22]。

2.1 电弧试验模型搭建

本文以并联截断电弧为例对交流电弧特性分析方法进行说明，其余电弧类型分析过程与其类似不做赘述。分析电弧特性前需要对采集的试验数据有一个明确的认识，为此按照并联电弧试验原理图搭建了电弧试验模型，从而得到采集数据与试验条件配置之间的联系。并联截断电弧电气模型如图3所示，其中电源电压U按照供电体制分为115 V和230 V两种，电路电流I在无故障时大小为额定电流Irate，负载阻值为Rr，负载两端电压Vr，并联电弧动态电阻为Rarc，两端的动态分压电压为Varc。为保护电源设置的限流电阻阻值为Rx，其分压为Vx。其中，可配置的已知量包括电源电压U、负载电阻Rr和限流电阻Rx。采集到的信号包括电弧两端分压Varc和电路电流I。

图3 并联截断电弧电气模型图

当电弧故障未发生时：

(1)

I=Irate

(2)

当电弧故障发生后，由于电弧动态电阻的存在，负载两端电压发生变化，电弧电压Varc和电弧电流Iarc分别为

Varc=Vr=U-I·Rx

(3)

(4)

2.2 交流电弧特征分析方法

电弧特性分析以AS5692标准为依据，对实际电弧试验数据进行区分处理，提取电弧故障数据。分别对电弧故障数据和正常电流数据的时域、频域特性进行分析总结。特性分析模型主要包括7个部分，分别为数据读取模块、数据预处理模块、参数配置模块、电弧定义识别模块、时域特性分析模块、频域特性分析模块和分析结果存储模块。

数据读取模块的主要功能是将指定数据文件中包含的电弧电流、电压和时间轴数据导入到分析软件的工作区中，以便后续模块调用处理。

数据预处理模块的主要功能包括数据重采样、电流归一化处理、噪声校准和波形校准。其中，数据重采样的目的是统一数据的采样频率。电流归一化处理的目的是消除电流额定等级对分析结果的影响。由于电弧判定所需的电压电流阈值都为一个确定值，而示波器采集到的数据由于噪声信号或示波器采样本身自带的误差，所获取的数据会在一定范围内波动，为消除这种由于示波器采样误差引入的噪声信号，需要在试验数据进行判别前进行噪声校准。异常电流信号的判别主要是与标准单周期正弦信号进行对比，因此从波形零相位开始提取整周期数据是能够准确识别异常信号的关键。若波形相位错位则很容易导致正常的波形信号与标准正弦周期出现较大偏差，从而被误识别为异常信号。因此专门设置了波形校准子模块，该模块主要用于寻找信号波形的起始零相位坐标。波形校准首先需确定信号波形零点位置，依据数据单周期的峰值、偏差、平均值等统计量进行分析，从而寻找到一个完整正弦周期并确定该周期的零相位坐标，依据该坐标计算出该组数据的起始零相位坐标。

参数配置模块包括电弧识别阈值设定，其中并联电弧随着额定电流变化，其电流上下限也会随之变化。参数初始值需依据标准定义设置。

电弧定义识别模块主要是结合电压电流数据，以起始零相位坐标为起点提取整周期数据进行分析，结合识别参数标记电弧数据段的起弧位置和熄弧位置。判断依据主要是电弧累计时长和电流信号与标准正弦信号偏差的均值。最后则是根据电弧识别标记的坐标将整段数据中的电弧数据与正常数据进行区分和提取，最终形成电弧段数据和正常段数据。

时域特性分析模块和频域特性分析模块分别对电弧段数据和正常段数据进行分析，其中时域信息包括电弧电压幅值的分布占比以及电弧电压和电流的最大值、最小值、中位数、众数等统计量；在频域上，则主要对比了正常试验数据和故障试验数据分别在3次、5次、7次、9次和11次谐波上的幅值变化。数据时域和频域特性分析模块通过对电弧定义识别模块中电弧数据的统计分析，提炼出电弧在时域和频域更为显性的特征。最终通过数据存储模块将分析结果进行记录和保存。电弧特性分析流程如图4所示。

图4 电弧特性分析流程

2.2.1 交流115 V电弧分析

在分析过程中，电弧定义的参数配置初始值主要来自于标准AS5692的截断电弧试验中对并联截断电弧的定义，其中包括电弧电压在15～60 V之间，电弧半周持续时间应大于62.5 μs(相对于400 Hz定频交流电源)。

由于获取的电弧判定所需的电压上下限都为一个确定值，而示波器采集到的电流数据由于噪声信号或示波器采样本身自带的误差，即便采集的电压为稳定电压值，所获取的电压数据也是在一定范围内波动的。为消除这种由于示波器采样误差引入的噪声信号，需要在电弧电压数据进行判别前对数据进行预处理。 进行预处理的目的主要是获取示波器采样电压的标准差，以便在后续识别中对数据进行校准。115 V串联电弧试验结果如图5所示。115 V并联电弧试验结果如图6所示。

图5 115 V串联电弧试验结果

图6 115 V并联电弧试验结果

其中蓝色波动曲线为示波器采集的电压试验数据，紫色波动曲线为示波器采集的电流试验数据。竖直的若干红绿直线则为电弧故障划分区域线，其中红色直线为电弧故障起始位置，绿色直线为电弧故障结束位置。从图5中波形可以看出，初始阶段铡刀未对线缆进行切割，此时电弧发生装置两端的电压值稳定为高电平，峰值可达160 V，而线路中的电流为额定电流值3 A左右。

2.2.2 交流230 V电弧分析

相较于115 V，230 V交流供电体制具有更高的电压等级，在相同电流下，电弧故障产生的能量更大，所需的间隙也更小，电弧故障整体持续时间也更长。230 V并联电弧试验结果如图7所示。230 V串联电弧试验结果如图8所示。

2.3 交流电弧特征

将试验平台采集到的正常信号、串联电弧信号和并联电弧信号进行频域转换后可以得到如图9～图11所示的频谱图。对于交流正弦信号而言，正常情况下频谱能量会集中在基波位置，并由于频谱泄露在基波频率附近的频率点会有较高的能量，但是该部分能量与基波占比相对较小，当频率达到2倍以上基波频率后基本为零，如图9所示。但是当发生电弧故障后，这部分能量会进一步增加，尤其在特定位置，如图10和图11所示，频谱畸变较为明显。

图10 串联电弧信号频谱图

图11 并联电弧信号频谱图

通过对频谱畸变的规律总结可知，当电弧发生时，交流信号的奇次谐波处会发生明显畸变，通过对3 A、5 A、7 A、10 A、15 A这5种不同额定电流下的电弧故障进行整理分析，结果如表1和表2所示。

表1 并联电弧频域比值统计表(故障/正常)

表2 串联电弧频域比值统计表(故障/正常)

3 基于频谱畸变的电弧故障检测原理

经过交流电弧特征分析可知，在频谱的3次谐波、5次谐波、7次谐波、9次谐波和11次谐波处都产生了明显的畸变，通过这些畸变点能够有效识别电弧故障。

在频域方面对电弧识别能够采用的方法众多，但是从工程应用角度考虑，这些方法都较难实现电弧故障的实时检测，因此本文将三周期法由时域运算引申到频域中，结合电弧故障在特定频段有较为明显的突变特点，实现电弧故障的有效识别。与时域三周期法[23]相似，频域三周期法同样需要采集相邻3个周期数据。在采集到数据后，对这3个周期分别进行傅里叶变换。然后在这3组傅里叶变换数据中提取同一特定频段的数据，并按照三周期算法对提取的这3组数据进行计算得到频域三周期特征值，选取最大特征值与预先设定的阈值进行判别。当该特定值大于阈值时则认为该周期为电弧周期，否则为正常周期。当电弧周期累积到一定程度后则判定线路中发生了电弧故障。其中，三周期算法公式为

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

(5)

式中:T1为第1个周期的数据；T2为第2个周期的数据；T3为第3个周期的数据。

基于频谱畸变的交流电弧故障识别流程如图12所示。

图12 基于频谱畸变的交流电弧故障识别流程

4 实验结果分析

由电弧特性可知，在产生电弧的过程中，交流电弧并不明显。结合电弧产生时电流随机高速变化的特点，电流频谱中的高频信号必然会增加。仍然在时域上采集相邻3个周期的数据，通过三周期法计算特定频段对应频率点的幅值变化也能够对电弧进行识别。

将识别策略植入检测样机分别进行115 V、230 V串并联电弧检测功能验证,结果如图13～图16所示。图中1通道为电弧电流值，2通道为检测信号值，当检测样机识别到电弧故障后，检测值会由低变高。通过在同一时间轴下对比2通道信号能够验证识别策略对电弧故障的识别效果和响应时间。

图13 115 V并联电弧检测验证结果

图14 115 V串联电弧检测验证结果

图15 230 V并联电弧检测验证结果

图16 230 V串联电弧检测验证结果

对比图13和图15可知，当产生并联电弧时电流波形发生明显畸变，幅值会由额定值突变至接近短路电流位置。如图13、图15所示，发生故障后，电流值在单个周期或半个周期内从额定电流15 A突然增加到接近90 A。从试验波形可以看出这一过程分为两个阶段。初始阶段，刀片切入线缆瞬间产生的电弧故障不够稳定，电流突变仅存在半个周期或单个周期后便恢复正常，这种电流突变会零星产生。随着刀片持续降落，电弧故障进入稳定阶段，切割线缆形成的电弧故障趋于稳定，产生的电弧故障周期连续密集。在产生零星电弧突变时，由于故障时间较短，变化并不规律，电弧电流波动也较大，单纯从时域分析很难找到合适特征识别电弧故障。当稳定电弧产生时，电流波形变化趋于规律，波形畸变也趋于一致，此时电弧故障具有明显的统一特征，采样常规电弧检测方法即可识别。 从试验结果可知，采用频谱特性的检测样机，在电弧初始阶段就能够完成电弧故障识别。

同样，对比图14和图16可知，随着接线端子的振动，每次与接线柱接触过程中都会产生电弧并伴随着两者分离而熄灭。这就导致串联电弧相较于并联电弧更难产生一个持续时间较长的稳定阶段。不同于并联电弧，串联电弧在产生后电流会变小，降幅基本在10%以内。从试验结果可知，检测样机能够迅速检测到刚开始振动过程中产生的电弧故障。

经过样机验证可知，在电弧故障产生后样机都能够准确有效及时报故，报故响应时间往往都小于50 ms。因此可以验证本文所提出的电弧故障识别策略能够有效且快速地识别115 V、230 V交流航空串并联电弧故障。

5 结束语

对交流电弧115 V和230 V供电体制下的串、并联两种不同类型的电弧进行了分析研究。根据目前大量试验数据分析的结果可知，对于并联电弧，由于幅值波动较大，其故障信号在频域的奇次谐波发生的变化也较大，一般发生电弧故障时频谱奇次谐波幅值能达到正常频谱奇次谐波幅值的几十倍甚至几百倍。而串联电弧相比并联电弧波动较小，其故障信号在频域的奇次谐波发生的变化也相对较小。其中，串联松动接线柱电弧的奇次谐波频谱幅值仅为几倍乃至接近正常频谱幅值变化。结合交流电弧这一频域特征，通过三周期算法计算相邻3个周期内电流信号的频域变化情况能够有效识别电弧故障，达到保护飞机电气系统的目的，从而保障飞机安全可靠飞行。