崔芮華 佟德栓
(1.省部共建電工裝備可靠性與智能化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(河北工業(yè)大學(xué)) 天津 300130 2.河北工業(yè)大學(xué)河北省電磁場(chǎng)與電器可靠性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300130)
隨著飛機(jī)多電和全電供電技術(shù)的迅猛發(fā)展,導(dǎo)致電纜和導(dǎo)線的使用量增多,由于長(zhǎng)年累月的使用,深埋在飛機(jī)結(jié)構(gòu)之中的總長(zhǎng)可達(dá)幾十萬米的線纜難免會(huì)產(chǎn)生裂紋和磨損現(xiàn)象[1-2],加上周圍環(huán)境中各種物質(zhì)對(duì)線路的侵蝕和飛行過程中振動(dòng)等惡劣條件的影響,極易誘發(fā)電弧故障。飛機(jī)上原有的熱保護(hù)斷路器(Thermal Circuit Breaker ,TCB)和固態(tài)功率控制器(Solid State Power Controller, SSPC)用來在過電流或者短路的情況下對(duì)電線進(jìn)行過熱保護(hù),然而串聯(lián)型電弧故障電流信號(hào)往往比正常電流信號(hào)的幅值要小,達(dá)不到過電流保護(hù)器的額定值。因此,研制有效的電弧故障斷路器(Arc Fault Circuit Breaker,AFCB)具有十分重要的意義。
串聯(lián)電弧故障的檢測(cè)方法主要分為兩類:一類是分析電弧故障產(chǎn)生時(shí)的物理現(xiàn)象進(jìn)行識(shí)別[3-4];另一類是通過分析電弧故障發(fā)生時(shí)線路中電壓和電流信號(hào)的時(shí)域、頻域和時(shí)頻域特征的變化情況進(jìn)行診斷[5-8]。在文獻(xiàn)[9]中設(shè)計(jì)了一種用于測(cè)量電弧電磁輻射的Hibert的分形天線,研究了電弧故障的電磁輻射信號(hào)特征及其測(cè)量方法。文獻(xiàn)[10]中計(jì)算了電流信號(hào)的平肩時(shí)間、脈沖數(shù)量和隨機(jī)性參數(shù)并對(duì)其進(jìn)行組合,通過電流與電壓的相位關(guān)系對(duì)故障負(fù)載進(jìn)行分類并確定閾值來診斷電弧故障的發(fā)生。文獻(xiàn)[11-12]在提取特征量的過程中都用到了小波變換,小波變換能夠清楚地描述信號(hào)頻率分布隨時(shí)間變化的關(guān)系,是分析非平穩(wěn)信號(hào)的有力工具。文獻(xiàn)[13]中采用希爾伯特黃變換提取了電弧電流交流分量的時(shí)域和頻域特征量區(qū)分電弧故障,雖然在經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解過程中能夠保留非線性非平穩(wěn)信號(hào)的故障特征,但是在分解時(shí)會(huì)出現(xiàn)模態(tài)混疊現(xiàn)象并且不能預(yù)先確定分解的級(jí)數(shù)。
由于時(shí)域特征的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法簡(jiǎn)單、便于工程實(shí)現(xiàn),近些年來受到了廣泛的研究。這類方法主要是對(duì)電弧故障發(fā)生前后電流信號(hào)的變化情況進(jìn)行檢測(cè),一方面是基于電流信號(hào)的局部特征的變化情況,特征量主要有均值、標(biāo)準(zhǔn)差、方均根值和峭度等,這些特征量能夠在一定程度上反映電弧故障信號(hào)中“毛刺”和“零休”的特征,但是當(dāng)故障局部特征變化不明顯時(shí)會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)效果不理想;另一方面是基于電流信號(hào)的整體變化情況提取時(shí)域特征量,如變異系數(shù)[14]、相關(guān)系數(shù)和偏態(tài)指標(biāo)等,這些特征量對(duì)于線性負(fù)載識(shí)別效果較好,但是當(dāng)負(fù)載為非線性負(fù)載時(shí),正常與故障情況下都會(huì)產(chǎn)生高次諧波,導(dǎo)致區(qū)分故障情況時(shí)容易發(fā)生誤判。針對(duì)以上情況,本文提出一種基于Levene檢驗(yàn)的時(shí)域分析方法,Levene檢驗(yàn)既可以用于正態(tài)分布的數(shù)據(jù),也可以用于非正態(tài)或分布不明的數(shù)據(jù),因此在進(jìn)行故障分析時(shí)有較好的適用性,并且在檢驗(yàn)時(shí)具有較好的穩(wěn)定性和把握度,該方法目前多用于衛(wèi)生統(tǒng)計(jì)方面,還未見在電弧故障診斷領(lǐng)域的文獻(xiàn)論述。
目前,電子技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛,從日常生活中的電氣設(shè)備到飛機(jī)上的設(shè)備,其中非線性或含有非線性成分的設(shè)備使用急劇增加。由于非線性負(fù)載的電流成分更加復(fù)雜并且諧波含量較高,加上航空電源(115V/400Hz)頻率相比民用電源高導(dǎo)致電流周期短,因此對(duì)于航空串聯(lián)電弧故障檢測(cè)方法的適用性和實(shí)時(shí)性提出了更高的要求。本文首先以點(diǎn)接觸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為例,采用Levene檢驗(yàn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并提取P值(顯著性水平)作為時(shí)域特征量,通過與統(tǒng)計(jì)學(xué)時(shí)域方法峭度、偏態(tài)指標(biāo)和相關(guān)系數(shù)的分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,表明該特征量在串聯(lián)電弧故障發(fā)生前后變化明顯,利用該方法進(jìn)行航空串聯(lián)電弧故障識(shí)別準(zhǔn)確率更高。最后選用碳化路徑實(shí)驗(yàn)負(fù)載數(shù)據(jù)和本文分析所用之外的點(diǎn)接觸實(shí)驗(yàn)負(fù)載數(shù)據(jù)對(duì)該方法的有效性進(jìn)行測(cè)試。
依據(jù)標(biāo)準(zhǔn) UL 1699[15]和 GB/T 31143—2014[16]搭建點(diǎn)接觸和碳化路徑電弧故障實(shí)驗(yàn)電路如圖1和圖2所示。圖中,點(diǎn)接觸實(shí)驗(yàn)通過調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)使兩觸頭之間產(chǎn)生模擬電弧故障,選用多種負(fù)載進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集,其中,線性負(fù)載包括57Ω、7Ω+7mH和 57Ω+47μF,非線性負(fù)載是自耦變壓整流器(Auto Transformer Rectifier Units, ATRU)。碳化路徑實(shí)驗(yàn)首先燒制導(dǎo)線,導(dǎo)線依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 31143?2014進(jìn)行制備,如圖3所示,選取兩根長(zhǎng)度至少200mm的按照GB/T 5023中IEC 02分類的聚氯乙烯導(dǎo)線,將兩根導(dǎo)線從中間切開 50mm,使得絕緣皮中的導(dǎo)體裸露但不對(duì)其造成損害,再用聚氯乙烯電氣絕緣帶把導(dǎo)線切口包裹兩層,在導(dǎo)線的兩端將絕緣層剝開 12mm用以連接實(shí)驗(yàn)電路。實(shí)驗(yàn)時(shí)接通 220V/50Hz電源直到導(dǎo)線停止冒煙時(shí)斷開;然后接通115V/400Hz電源,若指示燈為斷斷續(xù)續(xù)的閃亮情況,則說明碳化路徑燒制成功有電弧產(chǎn)生,實(shí)驗(yàn)負(fù)載選擇為 7Ω+7mH 和 30Ω+47μF。
圖1 點(diǎn)接觸實(shí)驗(yàn)電路Fig.1 Circuit diagram of point contact experiment
圖2 碳化路徑實(shí)驗(yàn)電路Fig.2 Circuit diagram of carbonization path experiment
圖3 碳化路徑導(dǎo)線示意圖Fig.3 Diagram of carbonization path conductor
在實(shí)驗(yàn)中每個(gè)電流信號(hào)周期采集 1 024個(gè)點(diǎn),其中采集的點(diǎn)接觸實(shí)驗(yàn)電流信號(hào)波形如圖4所示(從正常信號(hào)到故障信號(hào)20個(gè)電流周期信號(hào)),碳化路徑實(shí)驗(yàn)電流信號(hào)波形如圖5所示。
圖4 點(diǎn)接觸實(shí)驗(yàn)電流信號(hào)波形Fig.4 Waveforms of point contact experiment current signal
圖5 碳化路徑實(shí)驗(yàn)電流信號(hào)波形Fig.5 Waveforms of carbonation path experimental current signal
通過圖4可知,對(duì)于負(fù)載 57Ω和 57Ω+47μF,正常工作時(shí),電流波形為正弦波,發(fā)生電弧故障后,在電流過零點(diǎn)附近出現(xiàn)“零休”現(xiàn)象,高次諧波含量明顯增多并且電流幅值降低;負(fù)載7Ω+7mH在發(fā)生故障后電流幅值降低,但是基本無“零休”和“毛刺”現(xiàn)象,并且正常波形形似正弦波。產(chǎn)生這種現(xiàn)象是由于電阻值較小,電路負(fù)載接近于純電感型,而電感具有“通直流、阻交流”的作用。對(duì)于非線性負(fù)載,無論正常還是故障情況,其電流信號(hào)中都含有高次諧波,但在發(fā)生故障后諧波含量更高,波形幅值降低。觀察圖5可以看出,碳化路徑實(shí)驗(yàn)相比于點(diǎn)接觸實(shí)驗(yàn)電弧故障信號(hào)的“零休”時(shí)間更長(zhǎng),故障特征更加明顯,這是由于在點(diǎn)接觸實(shí)驗(yàn)中通過控制電機(jī)的移動(dòng)可以產(chǎn)生穩(wěn)定的電弧,而碳化路徑實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的電弧不穩(wěn)定,燃燒現(xiàn)象斷斷續(xù)續(xù),因此波形變化特征比較顯著,出現(xiàn)了非常明顯的“零休”現(xiàn)象。綜上可知,在發(fā)生串聯(lián)電弧故障后電流波形均出現(xiàn)不同程度的變化。
方差齊性檢驗(yàn)是數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)中檢查不同樣本的總體方差是否相同的一種方法。其基本原理是,先對(duì)總體的特征作出假設(shè),然后通過抽樣研究的統(tǒng)計(jì)推理,對(duì)此假設(shè)應(yīng)該被拒絕還是接受作出推斷。目前,統(tǒng)計(jì)學(xué)中方差齊性檢驗(yàn)方法主要有 Levene檢驗(yàn)、Hartley 檢驗(yàn)、Bartlett檢驗(yàn)和 Cochran 檢驗(yàn)[17-18]。其中,Levene檢驗(yàn)既可以用于正態(tài)分布的總體,也可以用于非正態(tài)分布的總體或分布不明的總體,具有較好的穩(wěn)健性[16],是最標(biāo)準(zhǔn)的方差齊性檢驗(yàn)方法。
Levene檢驗(yàn)也稱為 Levene方差齊性檢驗(yàn),是對(duì)方差模型的殘差進(jìn)行組間齊性檢驗(yàn),最早由H.R.Levene在 1960年提出[19],在 1974年經(jīng)過 M.B.Brown和A.B.Forsythe對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)展之后[20],應(yīng)用范圍變得更加廣泛并且檢驗(yàn)效果較理想,主要用于檢驗(yàn)兩個(gè)或兩個(gè)以上樣本間的方差是否齊性。
由于常規(guī)的檢驗(yàn)過程比較繁瑣,為了節(jié)約時(shí)間成本,在電弧故障檢測(cè)過程中只提取顯著性水平P值。將實(shí)驗(yàn)中采集的每個(gè)電流信號(hào)周期的數(shù)據(jù)分別看成一組抽樣樣本,通過Levene檢驗(yàn)計(jì)算兩個(gè)不同樣本的P值。首先選取兩組采集的實(shí)驗(yàn)電流信號(hào)數(shù)據(jù)Yi,i=1、2,Yij為第i組樣本中的第j個(gè)樣本,計(jì)算過程如下:
(1)將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為新的變量值。
式中,Zij為轉(zhuǎn)換之后的新變量值;為第組原始數(shù)據(jù)的算數(shù)平均值。
(2)計(jì)算Levene檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)量W。
式中,k為樣本組數(shù);Ni為第i組樣本含量;N為全部樣本之和;為第i組樣本組內(nèi)均值;為各組全部數(shù)據(jù)總的均值。
(3)計(jì)算P值。
式中,自由度v1和v2分別為k?1、N?k。
檢測(cè)結(jié)果P值為可信水平的一個(gè)遞增指標(biāo),P值越小,越不能認(rèn)為樣本中變量的關(guān)聯(lián)是總體中各變量關(guān)聯(lián)的可靠指標(biāo),也就是說,P值越小,兩個(gè)樣本之間的差異越大。對(duì)于檢測(cè)的兩組電流信號(hào)樣本而言,P值越大,說明兩組樣本相似度越高;反之,則說明其中一組電流信號(hào)樣本畸變?cè)絿?yán)重。
對(duì)于檢驗(yàn)中樣本的選擇提出了兩種不同的方法:首先選取一個(gè)正常電流信號(hào)周期的數(shù)據(jù)作為正常樣本,然后對(duì)之后的每一個(gè)電流信號(hào)樣本和正常樣本進(jìn)行 Levene檢驗(yàn),檢測(cè)結(jié)果記為P1;不選取正常樣本,對(duì)每一個(gè)電流信號(hào)樣本與前一個(gè)電流信號(hào)樣本進(jìn)行 Levene檢驗(yàn),檢測(cè)結(jié)果記為P2。以純阻57Ω 為例(電流信號(hào)波形見圖4a),兩種檢測(cè)方法的結(jié)果如圖6所示。
圖6 不同檢測(cè)方法結(jié)果Fig.6 Results of different detection methods
觀察對(duì)比兩種檢測(cè)方法的結(jié)果,發(fā)現(xiàn)在發(fā)生電弧故障后P1值出現(xiàn)了明顯的下降;P2值也出現(xiàn)了下降,但是沒有P1值穩(wěn)定,這是因?yàn)橄噜徆收想娏餍盘?hào)周期之間雖然存在差異,但是在電弧穩(wěn)定燃燒時(shí)故障電流信號(hào)周期之間的相對(duì)差異比較小,導(dǎo)致在區(qū)分故障情況時(shí)效果不理想。因此,方法1相比于方法2區(qū)分正常與故障情況的效果更好。采用方法1計(jì)算各負(fù)載發(fā)生電弧故障前后的P值,計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表1(保留到小數(shù)點(diǎn)后四位)。
表1 各負(fù)載P值的計(jì)算結(jié)果Tab.1 Calculation results of P value of each load
觀察表1,通過對(duì)比各個(gè)負(fù)載在電弧故障發(fā)生前后的P值發(fā)現(xiàn),在故障發(fā)生前基本都穩(wěn)定在0.6~1.0之間,而發(fā)生電弧故障后P值下降到了0.3以下,能明顯地區(qū)分開正常與電弧故障情況。選取具有代表性的統(tǒng)計(jì)學(xué)時(shí)域方法峭度、偏態(tài)指標(biāo)和相關(guān)系數(shù)與 Levene檢驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比。其中,峭度是歸一化 4階中心矩,該參數(shù)可以檢測(cè)電流信號(hào)的高頻尖刺部分;偏態(tài)指標(biāo)又稱為三階累積量,反映信號(hào)概率密度分布,主要用來量度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分布的不對(duì)稱程度或偏斜程度;相關(guān)系數(shù)反映兩個(gè)變量間的線性關(guān)系,可以用來量化兩個(gè)波形之間的相似程度,在計(jì)算時(shí)選定一個(gè)正常周期為樣本,再計(jì)算其余信號(hào)周期與正常樣本的相關(guān)系數(shù)值。以圖4中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為例,峭度值、偏態(tài)指標(biāo)和相關(guān)系數(shù)值計(jì)算結(jié)果分別如圖7~圖9所示。
圖7 峭度值計(jì)算結(jié)果Fig.7 Calculation results of Kurtosis
圖9 相關(guān)系數(shù)值計(jì)算結(jié)果Fig.9 Calculation results of correlation coefficient value
通過觀察圖7~圖9發(fā)現(xiàn),圖7d由于非線性負(fù)載ATRU正常與電弧故障情況下電流信號(hào)成分都比較復(fù)雜并且含有“毛刺”,致使發(fā)生故障后畸變不嚴(yán)重的電流信號(hào)周期的峭度值基本無變化;在發(fā)生故障后有些故障電流信號(hào)周期也呈對(duì)稱變化,導(dǎo)致圖8中有些故障周期的偏態(tài)指標(biāo)與正常情況區(qū)分不開;相關(guān)系數(shù)值與P值在這里本質(zhì)上都用來反映兩個(gè)電流信號(hào)周期波形的相似程度,但是由圖9b可知,負(fù)載7Ω+7mH由于發(fā)生故障后無明顯“零休”和“毛刺”現(xiàn)象,使得正常與故障信號(hào)的相關(guān)系數(shù)值變化不明顯,整體情況相比之下P值(計(jì)算結(jié)果見表1)區(qū)分效果和穩(wěn)定性更好,在區(qū)分電弧故障情況時(shí)避免了以上問題。
圖8 偏態(tài)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果Fig.8 Calculation results of Skewness index
為了進(jìn)一步量化比對(duì)這四種統(tǒng)計(jì)學(xué)時(shí)域方法,通過支持向量機(jī)(Support Vector Machine, SVM)[21]來測(cè)試各種特征量的識(shí)別準(zhǔn)確率。在用 SVM 做分類預(yù)測(cè)時(shí)需要調(diào)節(jié)懲罰參數(shù)c和核函數(shù)參數(shù)g才能得到比較理想的預(yù)測(cè)分類準(zhǔn)確率,為得到最優(yōu)參數(shù),選用粒子群優(yōu)化(Particle Swarm Optimization, PSO)算法[22-23]來尋找c和g。PSO_SVM計(jì)算步驟如下:
(1)導(dǎo)入訓(xùn)練集和測(cè)試集數(shù)據(jù)。
(2)初始化粒子群,設(shè)定各類參數(shù)。設(shè)目前位置是每個(gè)粒子的初始位置,從中選取出全局最優(yōu)極值,并標(biāo)記其最優(yōu)值序號(hào)及位置。
(3)對(duì)粒子的速度和位置進(jìn)行更新,評(píng)價(jià)每個(gè)粒子,并根據(jù)定義的適應(yīng)度函數(shù),計(jì)算每個(gè)粒子的適應(yīng)值,進(jìn)行個(gè)體極值更新。如果每個(gè)粒子個(gè)體最優(yōu)值中最佳位置是目前全局的極值,那么把個(gè)體極值規(guī)定成最優(yōu)位置,完成群體最優(yōu)更新。
(4)檢驗(yàn)是否可以終止。若達(dá)到最大迭代次數(shù),則輸出最優(yōu)參數(shù)c和g;反之,返回步驟(3)繼續(xù)進(jìn)行尋優(yōu)。
(5)選取好最優(yōu)的參數(shù)c和g之后,進(jìn)行SVM識(shí)別,得到在最優(yōu)參數(shù)下的識(shí)別準(zhǔn)確率。
每種特征量選取各種負(fù)載在正常運(yùn)行和電弧故障時(shí)的各20組數(shù)據(jù)(共160組數(shù)據(jù))作為訓(xùn)練集,將數(shù)據(jù)代入通過PSO優(yōu)化的SVM中進(jìn)行訓(xùn)練后,用同樣的方式再選取160組數(shù)據(jù)作為測(cè)試集。其測(cè)試情況見表2(由于不同負(fù)載的峭度值存在混疊,所以首先對(duì)提取的特征量進(jìn)行歸一化再識(shí)別)。
表2 各特征量識(shí)別結(jié)果Tab.2 Recognition result of each feature
由表2可知,特征量P值的識(shí)別準(zhǔn)確率高于峭度值、偏態(tài)指標(biāo)和相關(guān)系數(shù)值,達(dá)到了 95.625%,相比于目前統(tǒng)計(jì)學(xué)時(shí)域方法,該方法有著突出的優(yōu)勢(shì),更適合應(yīng)用于航空串聯(lián)電弧故障檢測(cè)。
為了檢測(cè)該方法的可靠性,選擇點(diǎn)接觸實(shí)驗(yàn)負(fù)載 7Ω、57Ω+5mH、57Ω+25μF、ATRU+115Ω 和碳化路徑實(shí)驗(yàn)負(fù)載 7Ω+7mH、30Ω+47μF作為測(cè)試負(fù)載,對(duì)各種負(fù)載分別提取40組正常與40組電弧故障情況下的特征量作為測(cè)試集,并代入已經(jīng)訓(xùn)練好的PSO_ SVM中進(jìn)行識(shí)別,其結(jié)果見表3。
表3 各測(cè)試負(fù)載識(shí)別結(jié)果Tab.3 Identification results for each test load
由表3統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知,在測(cè)試中負(fù)載57Ω+25μF和30Ω+47μF的故障識(shí)別準(zhǔn)確率最高達(dá)到了98.75%,而負(fù)載 ATRU+115Ω 的準(zhǔn)確率最低為95%。綜合整體情況來看,對(duì)于各種測(cè)試負(fù)載的識(shí)別準(zhǔn)確率均在95%以上,表明該種方法在判別是否有電弧故障發(fā)生時(shí)具有較高的可靠性和實(shí)用性。
考慮到正常與電弧故障電流信號(hào)的P值計(jì)算結(jié)果有著顯著差異,為了使診斷方法具有更好的實(shí)時(shí)性,可通過設(shè)定閾值進(jìn)行電弧故障識(shí)別。由表1可知,正常與故障電流信號(hào)的P值分別集中在 0.6~1.0和0.3以下,所以需在0.3~0.6之間設(shè)定閾值,為合理設(shè)置閾值,以0.1為間隔選取了4個(gè)不同的閾值,并隨機(jī)選取正常與故障各80組數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別準(zhǔn)確率測(cè)試,結(jié)果見表4,可以看出,閾值設(shè)為0.5時(shí)識(shí)別準(zhǔn)確最高為96.875%。
表4 不同閾值下的識(shí)別結(jié)果Tab.4 Recognition results under different thresholds
本文針對(duì)目前串聯(lián)電弧故障識(shí)別中統(tǒng)計(jì)學(xué)方法的局限性,提出利用Levene檢驗(yàn)對(duì)電弧故障發(fā)生前后的電流信號(hào)進(jìn)行分析并提取特征量。在點(diǎn)接觸實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),當(dāng)負(fù)載為7Ω+7mH時(shí),由于負(fù)載類型接近于純電感性,導(dǎo)致在發(fā)生故障后電流信號(hào)的局部變化不明顯,對(duì)診斷方法提出了更高要求。將常用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法峭度、偏態(tài)指標(biāo)和相關(guān)系數(shù)的 PSO_SVM識(shí)別準(zhǔn)確率與Levene檢驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果表明,Levene檢驗(yàn)的識(shí)別準(zhǔn)確率均高于其他三種方法,能夠有效地區(qū)分電弧故障情況,為研制航空電弧故障斷路器提供了可靠的參考依據(jù)。由于電弧故障發(fā)生前后的P值出現(xiàn)了顯著差異,根據(jù)特征量的變化情況可以將閾值設(shè)為0.5衡量故障是否發(fā)生。