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研究生: 洪晨軒
Chen-Hsuan Hung
論文名稱: 低壓屋內配線串聯電弧故障檢測與辨識
Detection and Recognition of Series Arc Fault on Low Voltage Indoor Distribution Lines
指導教授: 吳啟瑞
Chi-Jui Wu
口試委員: 李尚懿
San -Yi Lee
莊永松
Yung-Sung Chuang
郭明哲
Ming-Tse Kuo
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 電資學院 - 電機工程系
Department of Electrical Engineering
論文出版年: 2013
畢業學年度: 101
語文別: 中文
論文頁數: 108
中文關鍵詞: 火災低壓配線電弧故障檢測倒傳遞類神經網路
外文關鍵詞: Fire, Low-Voltage Distribution Line, Arc-Fault Detection, Back-propagation Algorithm
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現今的工廠與居家之低壓配電線路中都裝設過電流及過載保護裝置,有些特定支路還必須安裝漏電斷路器,來確保用電安全。然而,根據國外調查指出,有些住宅火災發生原因,懷疑是因為電弧故障所引起。電弧故障斷路器(Arc-Fault Circuit Interrupter-AFCI)是一種偵測線路中電弧故障發生的保護裝置,它透過對電弧特性判別來偵測串聯及並聯電弧,在電弧的熱能引起火災前盡早切離電源。本研究針對幾種不同特性的負載,進行串聯電弧故障檢測,經由電弧故障檢測平台蒐集串聯電弧實驗數據,將實驗數據與相關文獻進行電弧的時頻特性比對及驗證,作為電弧故障檢測法的依據。本研究採用兩種策略,分別是頻域特性綜合分析法與小波高頻能量累積法進行訊號處理,並將結果擷取特徵,結合倒傳遞類神經類網路辨識電弧故障。最後,將電弧故障辨識結果與商用AFCI的動作結果進行比較。而研究結果顯示,兩種辨識系統與商用AFCI相比,的確能判斷出發生串聯電弧故障,且誤動作的機率不高。本論文找出的檢測方法未來如能開發使用,應可在電弧的熱能引起火災前儘早切離電源,降低火災的發生率。


For the safe use of electric power, it is important to detect the occurring of line faults on the low voltage power circuits and switch off the power source before the occurring of fires by using protection devices, such as magnetic circuit breakers and leakage current detectors. However, many oversea examples reveal the facts that a number of home fires are caused by electric arc faults. The arc-fault circuit interrupter (AFCI) is a device which can detect the occurring of electric arc faults on the low voltage circuits, and then it can switch off the power source before the occurring of fire. In this study, it is to investigate series arc fault detection of circuits feeding several characteristics of the load. The test data are collected through the arc fault testing platform. The series arc fault will be verified by evaluating the time-frequency characteristics of experimental data and compared with relative literature. This study proposes two strategies for the signal processing of experimental data, and then building the extracted features based on the results. These extracted features are applied to artificial neural network (ANN) for recognition of arc fault. Finally, the experimental data with series arc faults are used to test the detecting methods and compare with the commercial devices. As the results of recognition, the purposed recognition systems can effectively detect the occurring of series arc faults, and the probability of malfunction is low.

摘要 i Abstract ii 致謝 iii 目錄 iv 圖索引 vii 表索引 xiii 第一章、 緒論 1 1.1 研究背景 1 1.2 文獻回顧 2 1.3 研究內容 4 1.4 章節敘述 4 第二章、 電弧故障與電弧故障斷路器 6 2.1 前言 6 2.2 電弧特性與電弧故障之分類 6 2.3 電弧故障斷路器 8 2.4 小結 10 第三章、 串聯電弧故障實驗與實驗結果 11 3.1 前言 11 3.2 實驗設備 11 3.2.1 實驗平台 11 3.2.2 串聯電弧產生機台 12 3.2.3 電弧產生機台 12 3.2.4 電弧故障斷路器 13 3.3 實驗測試方法 14 3.3.1 正常運轉測試 16 3.3.2 正常電弧測試 19 3.3.3 串聯電弧測試 23 3.4 快速傅立葉轉換分析線路電流 32 3.5 小結 36 第四章、 電弧故障電流訊號分析與類神經網路 39 4.1 前言 39 4.2 小波轉換 39 4.2.1 連續小波轉換(Continuous Wavelet Transform,CWT) 39 4.2.2 離散小波轉換(Discrete Wavelet Transform,DWT) 41 4.2.3 多層解析分析(Multi-Resolution Analysis) 42 4.2.4 多層解析於串聯電弧電流分析 44 4.3 電流濾波 46 4.4 訊號處理 48 4.4.1 訊號處理規則 48 4.4.2 訊號處理方法 52 4.5 電弧故障檢測系統 54 4.5.1 類神經網路架構 54 4.5.2 倒傳遞網路 58 4.5.3 電弧故障判斷系統 59 4.6 小結 65 第五章、 電弧故障辨識結果 66 5.1 前言 66 5.2 倒傳遞類神經訓練 66 5.2.1 頻域特性綜合分析法結合類神經網路 66 5.2.2 小波高頻能量累積法結合類神經網路 67 5.3 各負載測試結果 68 5.3.1 吹風機 68 5.3.2 日光燈+電阻 81 5.3.3 電鍋+電阻 90 5.4 混合負載測試 99 5.5 小結 105 第六章、 結論及未來展望 106 6.1 結論 106 6.2 未來展望 106 參考文獻 108 圖索引 圖2-1電弧故障種類(a)串聯電弧(b)線對線電弧(c)線對地電弧[6] 7 圖2-2電弧故障示意圖 (a)串聯電弧(b)並聯電弧 7 圖2-3 AFCI偵測電弧故障的示意圖[19] 8 圖2-4各廠家AFCI實品圖 9 圖3-1 電弧故障檢測平台俯視圖[18] 11 圖3-2 UL公司電弧產生機台示意圖[20] 12 圖3-3 實際使用之電弧產生機台[17] 12 圖3-4 多通道暫態記錄器HIOKI 8855[17] 13 圖3-5 本實驗所使用之電弧故障斷路器[17] 13 圖3-6 實驗編號示意圖 15 圖3-7 正常運轉測試示意圖 16 圖3-8 實驗編號:A013-3吹風機之線路電流波形 17 圖3-9 實驗編號:A022-1日光燈+電阻之線路電流波形圖 17 圖3-10 實驗編號:A032-1電鍋+電阻之線路電流波形圖 18 圖3-11 實驗編號:A042-1混合負載之線路電流波形圖 18 圖3-12 開關啟閉測試電路示意圖 19 圖3-13 插頭拔插測試電路示意圖 20 圖3-14 實驗編號:B013-1吹風機負載正常電弧測試 20 (開關啟閉、商用AFCI沒跳脫) 20 圖3-15 實驗編號:B011-5吹風機負載正常電弧測試 21 (開關啟閉、商用AFCI有跳脫) 21 圖3-16 實驗編號:B013-3吹風機負載正常電弧測試 21 (插頭拔插、商用AFCI沒跳脫) 21 圖3-17 實驗編號:B022-1日光燈+電阻負載正常電弧測試 22 (開關啟閉、商用AFCI有跳脫) 22 圖3-18 實驗編號:B032-1電鍋+電阻負載正常電弧測試 22 (插頭拔插、商用AFCI沒跳脫) 22 圖3-19 吹風機、日光燈+電阻與電鍋+電阻串聯電弧測試電路示意圖 23 圖3-20 實驗編號:C011-3吹風機負載串聯電弧測試 25 (商用AFCI沒動作),(a)電弧電壓(b)線路電流 25 圖3-21 實驗編號:C022-3日光燈+電阻串聯電弧測試 26 (商用AFCI有動作),(a)電弧電壓(b)線路電流 26 圖3-22 實驗編號:C022-5日光燈+電阻串聯電弧測試 27 (旁路AFCI),(a)電弧電壓(b)線路電流 27 圖3-23 實驗編號:C032-4電鍋+電阻串聯電弧測試 28 (商用AFCI沒動作),(a)電弧電壓(b)線路電流 28 圖3-24 實驗編號:C042-5混合負載串聯電弧測試 29 (商用AFCI沒動作),(a)電弧電壓(b)線路電流 29 圖3-25實驗編號:C011-1串聯電弧測試之線路電流波形圖 30 圖3-26實驗編號:C011-3串聯電弧測試之線路電流波形圖 31 圖3-27實驗編號:C011-3串聯電弧測試之電弧電壓與線路電流波形圖 31 圖3-28 實驗編號:A013-3(1~4Cycle),吹風機正常運轉時之線路電流頻譜分析 33 圖3-29 實驗編號:B013-1(5~8Cycle)與C011-3(1~4Cycle),吹風機於開關起閉與串聯電弧故障時線路電流頻譜分析 34 圖3-30 實驗編號:A022-1(1~4Cycle)與B022-1(8~11Cycle),日光燈+電阻於正常運轉與開關起閉時線路電流頻譜分析 35 圖3-31 實驗編號:C022-3(1~4Cycle),日光燈+電阻於串聯電弧故障時之線路電流頻譜分析 35 圖3-32 吹風機串聯電弧電流頻譜對數圖 36 圖4-1 多層解析一維訊號分解架構圖 43 圖4-2 多層解析一維訊號重建架構圖 44 圖4-3 頻帶分配圖 44 圖4-4 A010-3小波多層解析後高頻成分圖 45 圖4-5 C011-3小波多層解析後高頻成分圖 45 圖4-6 A022-1小波多層解析後高頻成分圖 46 圖4-7 C022-5小波多層解析後高頻成分圖 46 圖4-8 輸入信號與濾波後的時域波形及頻譜圖 47 圖4-9 WTST-NST小波轉換濾波法流程圖[24] 49 圖4-10 實驗編號A011-3,WTST-NST小波轉換濾波法後結果 50 圖4-11 實驗編號C022-5,WTST-NST小波轉換濾波法後結果 50 圖4-12 頻域特性綜合分析法流程圖 53 圖4-13 小波高頻能量累積法流程圖 53 圖4-14 神經細胞結構圖[26] 54 圖4-15 單一神經元模型 55 圖4-16 轉移函數曲線 56 (a)雙邊硬限函數(b)線性函數(c)對數雙邊函數(d)雙曲線正切函數 56 圖4-17 回歸型類神經網路之基本架構[29] 57 圖4-18 前饋式類神經網路之基本架構 58 圖4-19 倒傳遞類神經訓練網路架構圖 60 圖4-20 網路訓練流程圖 61 圖4-21 倒傳遞類神經測試網路架構圖 62 圖4-22 頻域特性綜合分析法結合倒傳遞類神經測試網路流程圖 63 圖4-23 小波高頻能量累積法結合倒傳遞類神經測試網路流程圖 64 圖5-1頻域特性綜合分析法結合類神經網路之網路訓練收斂圖 67 圖5-2 小波高頻能量累積法結合類神經網路之網路訓練收斂圖 67 圖5-3 實驗編號A013-3線路電流波形圖 68 圖5-4 MATLAB軟體執行結果(實驗編號 A013-3) 69 圖5-5 實驗編號B013-1線路電流波形圖 70 圖5-6 MATLAB軟體執行結果(實驗編號 B013-1) 70 圖5-7 實驗編號B011-5線路電流波形圖 72 圖5-8 MATLAB軟體執行結果(實驗編號 B011-5) 72 圖5-9 實驗編號B013-3線路電流波形圖 74 圖5-10 MATLAB軟體執行結果(實驗編號 B013-3) 74 圖5-11 實驗編號C011-2線路電流波形圖 76 圖5-12 MATLAB軟體執行結果(實驗編號 C011-2) 76 圖5-13 實驗編號C011-3線路電流波形圖 78 圖5-14 MATLAB軟體執行結果(實驗編號 C013-1) 78 圖5-15 實驗編號A022-1線路電流波形圖 81 圖5-16 MATLAB軟體執行結果(實驗編號 A022-1) 81 圖5-17 實驗編號B022-1線路電流波形圖 83 圖5-18 MATLAB軟體執行結果(實驗編號 B022-1) 83 圖5-19 實驗編號C022-7線路電流波形圖 85 圖5-20 MATLAB軟體執行結果(實驗編號 C022-7) 85 圖5-21 實驗編號C022-3線路電流波形圖 87 圖5-22 MATLAB軟體執行結果(實驗編號 C022-3) 87 圖5-23 實驗編號A032-1線路電流波形圖 90 圖5-24 MATLAB軟體執行結果(實驗編號 A032-1) 90 圖5-25 實驗編號B032-1線路電流波形圖 92 圖5-26 MATLAB軟體執行結果(實驗編號 B032-1) 92 圖5-27 實驗編號C032-3線路電流波形圖 94 圖5-28 MATLAB軟體執行結果(實驗編號 C032-3) 94 圖5-29 實驗編號C032-4線路電流波形圖 96 圖5-30 MATLAB軟體執行結果(實驗編號 C032-4) 96 圖5-31 實驗編號A042-1線路電流波形圖 99 圖5-32 MATLAB軟體執行結果(實驗編號 A042-1) 100 圖5-33 實驗編號C042-4線路電流波形圖 101 圖5-34 MATLAB軟體執行結果(實驗編號 C042-4) 101 圖5-35 實驗編號C042-6線路電流波形圖 103 圖5-36 MATLAB軟體執行結果(實驗編號 A042-1) 103 表索引 表2-1 S廠家AFCI功能[3] 9 表3-1 S廠家電弧故障斷路器之規格 14 表3-2 E廠家電弧故障斷路器之規格 14 表3-3 實驗編號表 15 表3-4 正常運轉測試實驗結果 19 表3-5 正常電弧測試實驗結果 23 表3-6 串聯電弧測試實驗結果 30 表4-1 網路訓練目標函數 60 表4-2 網路測試目標函數 61 表5-1 實驗編號A013-3,每週期均方根值及類神經網路之判斷 68 表5-2 實驗編號B013-1,每週期均方根值及類神經網路之判斷 70 表5-3 實驗編號B011-5,每週期均方根值及類神經網路之判斷 72 表5-4 實驗編號B013-3,每週期均方根值及類神經網路之判斷 74 表5-5 實驗編號C011-2,每週期均方根值及類神經網路之判斷 76 表5-6 實驗編號C013-1,每週期均方根值及類神經網路之判斷 78 表5-7負載為吹風機之類神經網路判斷結果 79 表5-8 實驗編號A022-1,每週期均方根值及類神經網路之判斷 81 表5-9實驗編號B022-1,每週期均方根值及類神經網路之判斷 83 表5-10 實驗編號C022-7,每週期均方根值及類神經網路之判斷 85 表5-11 實驗編號C022-7,每週期均方根值及類神經網路之判斷 87 表5-12負載為日光燈+電阻之類神經網路判斷結果 88 表5-13 實驗編號A032-1,每週期均方根值及類神經網路之判斷 90 表5-14 實驗編號B032-1,每週期均方根值及類神經網路之判斷 92 表5-15 實驗編號C032-3,每週期均方根值及類神經網路之判斷 94 表5-16 實驗編號C032-4,每週期均方根值及類神經網路之判斷 96 表5-17負載為電鍋+電阻之類神經網路判斷結果 97 表5-18 實驗編號A042-1,每週期均方根值及類神經網路之判斷 99 表5-19 實驗編號C042-4,每週期均方根值及類神經網路之判斷 101 表5-20 實驗編號C042-6,每週期均方根值及類神經網路之判斷 103 表5-21負載為混合負載之類神經網路判斷結果 104

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