CN101673934B - 串联电弧故障断路器及其串联电弧故障保护的方法 - Google Patents

Abstract

本发明串联电弧故障断路器包括电源电路、电流传感器、电流感测电路、放大滤波电路、电压过零比较电路、微控制器以及脱扣触发电路。电流互感器采集电路中的电流信号，经电流感测电路转换成电压信号，再经放大滤波电路输入微控制器。电压过零比较电路将电压过零脉冲信号输入至微处理器。微处理器经电弧特征分析，判断电弧出现并由触发脱扣电路断开负载电路。所提供的保护方法，利用短时傅氏变换将一维时域信号变换为二维时频信号，并分析每个周波的基波分量、偶次谐波和奇次谐波分量的变化，提取和判断串联电弧故障特征。其优点是：提取多个特征实现故障电弧综合判断，防止了小负荷下串联电弧检测中出现误跳或拒跳，有效提高了判断的可靠性。

Description

串联电弧故障断路器及其串联电弧故障保护的方法

技术领域

本发明涉及电源保护技术领域，特别涉及一种串联电弧故障断路器及其串联电弧故障保护的方法。

背景技术

住宅电气线路或设备，由于电线绝缘层老化或发生破损，或电气连接不良等原因，都可能造成电气线路或设备发生故障电弧，从而导致电气火灾的发生。在低压供配电线路中，有串联、线对线、线对地3类电弧故障。串联电弧由于其电弧故障发生时，电流较其他两种类型的电弧要小，而且故障电弧的特性随负载类型及负载大小变化的影响而更难检测，因而也更具危险性。

AFCI技术作为一类电路保护技术，在国外特别是欧美国家已有许多研究。国内近年也有一些可行的电弧检测方法和相应的保护电路，这些方法和保护电路主要依据电弧电流电压波形的以下特征：

1、电弧电压和电流中含高频噪声分量；

2、发生电弧时电压有所下降；

3、由于电弧电压降造成同一电路中的电弧电流比正常电流小；

4、电流存在突变；

5、在每个半周期电弧电流过零点前后存在一个零电流区间，称为平肩现象；

6、电弧电流的随机性。

在电弧故障保护装置实现时，一般采用单片机采集线路电压和电流数据，依据电弧故障判别方法，判断是否存在电弧故障；在测量结果判定为电弧故障时，通过脱扣装置使断路器脱扣，从而使发生电弧故障的电路与电力线断开。

目前，有许多文献依据上述故障电弧特征提出了不同的特征提取方法，从现有故障电弧检测技术来看，国内外专家提出的许多相应的电弧故障检测方法和检测电路大都是在时域上依据上述特征进行的特征提取及故障判别。

现有故障电弧检测技术及检测装置主要分为两大类：一类在电弧故障特征提取的方法上主要采用硬件电路实现电弧感测电路，包括检测各个周期的电流累计信号的积分电路，检测电弧事件的比较器电路及计数器电路等。另一类在电弧特征提取方法上主要采用软件方法，通过A/D采样获取电弧故障电流及电压波形数据，提取各周期电流累计值或电流突变或平肩特征，完成电弧故障的复合判定。上述方案都是基于故障电弧的时域特征进行的电弧检测。

对于电弧故障检测方法和检测装置，其难度在于保护装置必须具有区别真正故障电弧电流与具有电弧相似特征的正常负载电流(如调光器、设备启动、笔记本电脑、吸尘器等负载)的能力。因此故障电弧检测技术的关键在于检测技术的可靠性，而提高检测可靠性的关键在于故障电弧电流的特征提取准确性。但由于串联电弧故障电流特征与电路负载类型有关，而电路负载的复杂性和负载大小的变化，以及负载开启的波动等因素，加之电网谐波干扰等等问题，均将影响串联故障电弧特征提取的准确性，从而造成保护装置的误跳或拒跳。

串联电弧小负载故障电流条件(0.2A-20A)下，如不能改进电弧故障检测技术的方法，包括小负荷下的串联电弧检测和处理多种扰动负载下的误跳问题，保护装置可靠性的提高就无法得以实现。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术存在的上述问题，提供一种能够更有效、可靠地实施串联电弧故障保护的方法，同时，提供采用该方法，可以防止在小负荷下的串联电弧检测中和多种扰动负载下出现误跳或拒跳，更有效、可靠地实现串联电弧的故障检测，对电路负载实施及时而可靠保护的串联电弧故障断路器。

为达到上述目的，本发明提供了一种串联电弧故障保护的方法，该方法执行如下步骤：

1)从市电电压幅值从负至正的过零点开始连续采集原始负载电流xi’(n)和通过带通滤波器后的负载谐波电流时域信号xi”(n)，n＝0，1，...，N-1，通过短时傅里叶变换获取各个频率频谱的基波分量Yi’(k)，Yi”(k)，k＝0，1，...，N-1；

2)设置：第一阈值为基波分量阈值，

第二阈值为偶次谐波分量阈值，

第三阈值为奇次谐波分量阈值，

第四阈值为偶次谐波增量阈值，

第五阈值为奇次谐波增量阈值，

第六阈值为电弧事件次数阈值；

3)由当前第i周期的基波分量Yi’(1)计算基波分量标志Base_scale(i)，并判断所述基波分量标志Base_scale(i)的值是否小于等于所述第一阈值；

4)计算当前周期xi”(n)的频谱分量中各个偶次谐波的总和Even_order(i)和偶次谐波分量标志Even_scale(i)，并判断所述偶次谐波分量标志Even_scale(i)的值是否大于等于所述第二阈值；

5)计算当前周期xi”(n)的频谱分量中从第5次开始的奇次谐波的总和Odd_order(i)和奇次谐波分量标志Odd_scale(i)，并判断所述奇次谐波分量标志Odd_scale(i)的值是否大于等于所述第三阈值；

6)计算当前第i周期Even_order(i)与前一个周期Even_order(i-1)的差值即偶次谐波增量Even_variance(i)，并判断所述偶次谐波增量Even_variance(i)是否大于等于所述第四阈值；

7)计算当前第i周期Odd_order(i)与前一个周期Odd_order(i-1)的差值即奇次谐波增量Odd_variance(i)，并判断所述奇次谐波增量Odd_variance(i)是否大于等于所述第五阈值；

8)若当前第i周期满足以下条件：

I.基波分量标志Base_scale(i)＜＝第一阈值；

II.偶次谐波分量标志Even_scale(i)＞＝第二阈值；

III.奇次谐波分量标志Odd_scale(i)＞＝第三阈值；

IV.偶次谐波增量Even_variance(i)＞＝第四阈值；

V.奇次谐波增量Odd_variance(i)＞＝第五阈值，则判断第i周期为故障电弧周期；

9)若在连续的K个周期中，发生了M个电弧周期，电弧事件次数M＞＝第六阈值，则判断此时发生了电弧故障，电弧故障发生信号被输出，以切断用户电路。

本发明所述的方法，其中：

I.所述短时傅里叶变换获取各个频率频谱的基波分量：

Y′_i(k)＝STFT(x′_i(n))

Y″_i(k)＝STFT(x″_i(n))

其中：k＝0，1，...，N-1，当STFT窗口长度T＝20ms时，频率分辨率f1＝1/T＝50Hz，获取短时傅里叶变换获取各个频率频谱的基波分量：Yi’(k)，Yi”(k)分别为直流分量，50Hz基波分量，以及2th、3th、......、(N-1)/2th各次频谱分量。

II.所述基波分量标志Base_scale(i)为当前第i周期的基波分量除以前q个周期基波分量的平均值：

${\mathrm{Base}}_{\mathrm{scale}}\left(i\right)=\frac{\mathrm{Base}\left(i\right)}{\left({\mathrm{\Σ}}_{m=i-q}^{i-1}\mathrm{Base}\left(m\right)\right)/q}$

式中，Base(i)为当前第i周期的基波分量Yi’(1)的赋值，q为正整数；

III.所述偶次谐波分量标志Even_scale(i)为当前周期xi”(n)的频谱分量中各个偶次谐波总和除以前q个周期偶次谐波总和的平均值：

${\mathrm{Even}}_{\mathrm{scale}}\left(i\right)=\frac{{\mathrm{Even}}_{\mathrm{order}}\left(i\right)}{\left({\mathrm{\Σ}}_{m=i-q}^{i-1}{\mathrm{Even}}_{\mathrm{order}}\left(m\right)\right)/q}$

式中， ${\mathrm{Even}}_{\mathrm{order}}\left(i\right)={\mathrm{\Σ}}_{k=2}^{N/2}{Y}_i^{\′\′}\left(k\right),$ k＝2，4，…N/2，为前q个周期偶次谐波的总和，q为正整数；

IV.所述奇次谐波分量标志Odd_scale(i)为当前周期xi”(n)的频谱分量中从第5次开始的奇次谐波总和除以前q个周期从第5次开始的：

${\mathrm{Odd}}_{\mathrm{scale}}\left(i\right)=\frac{{\mathrm{Odd}}_{\mathrm{order}}\left(i\right)}{\left({\mathrm{\Σ}}_{m=i-q}^{i-1}{\mathrm{Odd}}_{\mathrm{order}}\left(m\right)\right)/q}$

式中， ${\mathrm{Odd}}_{\mathrm{order}}\left(i\right)={\mathrm{\Σ}}_{k=5}^{N/2}{Y}_i^{\′\′}\left(k\right),$ k＝5，7，…，N/2，为当前周期xi”(n)的频谱分量中从第5次开始的奇次谐波的总和，q为正整数。

本发明所述的方法，其中所述步骤1)中从市电电压幅值从负至正的过零点开始连续采集原始负载电流xi’(n)和通过带通滤波器后的负载谐波电流时域信号xi”(n)，执行如下步骤：

1-1)判断市电电压幅值从负至正过零点标志位Flag_zero是否为1，如果Flag_zero为1，执行步骤1-2)，否则，中断返回；

1-2)启动A/D采样，采集两路负载电流信号，每个周期均采集N点，N＝T/Ts，T为市电周期，Ts为采集周期，则第i个周期两路电压采样值为xi’(n)，xi”(n)，n＝0，1，...，N-1；

1-3)当两路信号采集的个数达到N时，执行步骤1-4)，否则，中断返回；

1-4)对n和Flag_zero清零，准备下一周期采样。

为达到上述目的，本发明提供了一种串联电弧故障断路器，包括电源电路，还包括安装在用户电路中的电流互感器、电压过零比较电路和脱扣触发电路，以及电流感测电路、放大滤波电路和微处理器，所述电流互感器、电流感测电路、放大滤波电路与所述微处理器依次相连，所述电压过零比较电路和脱扣触发电路分别与所述微处理器相连，所述电流互感器采集用户电路中的电流信号，经过所述电流感测电路将电流信号转化为电压信号，再经过所述放大滤波电路输入所述微处理器，所述电压过零比较电路将电压过零脉冲信号输入所述微处理器，所述微处理器设有：

第一模块，用于将从市电过零点连续采集的原始负载电流和通过带通滤波器后的负载谐波电流时域信号，通过短时傅里叶变换计算各个频率的频谱分量Y_i’(k)，Y_i”(k)；

第二模块：用于由当前第i周期的基波分量Y_i’(1)计算基波分量标志Base_scale(i)，并判断所述基波分量标志Base_scale(i)的值是否小于等于第一阈值；

第三模块：用于计算当前第i周期的频谱分量Y_i”(k)中各个偶次谐波的总和以及偶次谐波分量标志Even_scale(i)，并判断所述偶次谐波分量标志Even_scale(i)的值是否大于等于第二阈值；

第四模块：用于计算当前第i周期的频谱分量Y_i”(k)中各个奇次谐波的总和以及奇次谐波分量标志Odd_scale(i)，并判断奇次谐波分量标志Odd_scale(i)的值是否大于等于第三阈值；

第五模块：用于计算当前第i周期Even_order(i)与前一个周期Even_order(i-1)的差值即偶次谐波增量Even_variance(i)，并判断所述偶次谐波增量Even_variance(i)是否大于等于第四阈值；

第六模块：用于计算当前第i周期Odd_order(i)与前一个周期Odd_order(i-1)的差值即奇次谐波增量Odd_variance(i)，并判断所述奇次谐波增量Odd_variance(i)是否大于等于第五阈值；

所述微处理器根据所述第一模块至第六模块的判断结果输出电弧故障发生信号，经所述触发脱扣触发电路切断用户电路。

本发明串联电弧故障断路器，其中所述电流感测电路包括电流互感器和RC滤波器，所述电流互感器安装在市电输入的零线或火线上，将电流信号转为电压信号并接至所述RC滤波器，所述RC滤波器的输出端分别与所述放大滤波电路相连。

本发明串联电弧故障断路器，其中所述放大滤波电路包括依次相连的输入放大器、低通滤波器、电压跟随器、高通滤波电路和信号放大器，所述低通滤波器的输出端和所述信号放大器的输出端分别与所述微处理器相连。

本发明串联电弧故障断路器，其中所述电压过零比较电路包括依次相连的分压电路、比较电路和整形电路，所述市电输入的零线和火线接至分压电路的输入端，所述整形电路的输出端接至所述微处理器的输入端。

本发明串联电弧故障断路器，其中所述脱扣触发电路由继电器电路构成。

本发明串联电弧故障断路器及其串联电弧故障保护的方法的优点在于：由于从时-频分析出发，针对串联电弧的多种复杂负载情况，通过对每个周期采集的电流波形进行短时傅氏变换，通过五个频域特征来确认并识别故障电弧周期，并通过判断在连续k个信号周期中，故障电弧周期的次数来确认电弧故障，如果在多个连续周期中，发生故障电弧周期的次数达到或超过给定阈值，则判定存在串联故障电弧。本发明利用每个检测周期STFT变换所计算的50Hz基频分量、偶次谐波分量标志和奇次谐波分量标志，以及偶次谐波增量和奇次谐波增量变化的随机性，提取相应串联故障电弧的时域及频域特征，采用多个特征进行综合逻辑判断，实现了串联电弧的故障检测，有效防止了在小负荷下的串联电弧检测中和多种扰动负载下出现误跳或拒跳，大大提高了串联电弧的故障保护方法的可靠性和串联电弧故障断路器的可靠性。

附图说明

图1为本发明串联电弧故障断路器的方框图；

图2是本发明串联电弧故障断路器的电路原理图；

图3是本发明串联电弧故障保护的方法的流程图；

图4是采集负载电流时域信号的流程图；

图5(a)是典型家用负荷串联故障电弧电流波形的示意图；

图5(b)是奇次谐波分量时频分析结果的示意图；

图5(c)是偶次谐波分量时频分析结果的示意图；

图6是典型家用负荷串联电弧故障检测结果的示意图。

下面结合附图对本发明进行说明。

具体实施方式

本发明的核心是串联电弧频域特征的提取，运用STFT变换技术完成负载电流信号的时频分析，通过一种时域-频域方法分析负载电流连续多个周期的基波分量、奇次谐波分量和偶次谐波分量的变化，实现串联电弧故障的判断。

下面对本发明串联电弧故障保护的方法进行深入说明。

结合图3，本发明串联电弧故障保护的方法，该方法执行如下步骤：

步骤101，程序初始化，完成微控制器及其接口的初始化，包括变量，标志位，A/D寄存器，定时器寄存器和I/O口赋初值，置位或清零等。

步骤102，判断市电电压幅值从负至正过零点标志位Flag_zero是否为0，当Flag_zero为0时，执行步骤103。否则，等待，直至Flag_zero标志位为0。

步骤103，对当前第i周期N点采样值进行短时傅里叶变换(STFT)：

Y′_i(k)＝STFT(x′_i(n))

Y″_i(k)＝STFT(x″_i(n))

其中，k＝0，1，...，N-1。得出各个频率的频谱分量Yi’(k)，Yi”(k)。当STFT窗口长度T＝20ms时，频率分辨率f1＝1/T＝50Hz，Yi’(k)，Yi”(k)分别表示直流分量，50Hz基波分量，以及2th、3th、......、(N-1)/2th等各次频谱分量值。

步骤104，将当前第i周期的基波分量Yi’(l)赋值给Base(i)。

步骤105，将Base(i)除以第i周期以前q个周期基波分量的平均值。

${\mathrm{Base}}_{\mathrm{scale}}\left(i\right)=\frac{\mathrm{Base}\left(i\right)}{\left({\mathrm{\Σ}}_{m=i-q}^{i-1}\mathrm{Base}\left(m\right)\right)/q}$

式中，q为整数，一般q≥5。Base(i-1)，Base(i-2)，......，Base(i-q)分别为前q个周期的基波分量。

步骤106，判断Basescale(i)的值是否小于等于第一阈值。如果Basescale(i)的值小于等于第一阈值，执行步骤107，设标志Flag_Base＝1；否则，执行步骤108，Flag_Base＝0。

步骤109，计算当前周期频谱分量中各个偶次谐波的总和：

${\mathrm{Even}}_{\mathrm{order}}\left(i\right)={\mathrm{\Σ}}_{k=2}^{N/2}{Y}_i^{\′\′}\left(k\right)$

其中，k＝2，4，...N/2

步骤110，用当前这个周期的偶次谐波总和除以前q个周期偶次谐波总和的平均值，计算公式为：

${\mathrm{Even}}_{\mathrm{scale}}\left(i\right)=\frac{{\mathrm{Even}}_{\mathrm{order}}\left(i\right)}{\left({\mathrm{\Σ}}_{m=i-q}^{i-1}{\mathrm{Even}}_{\mathrm{order}}\left(m\right)\right)/q}$

式中，q为整数，一般q≥5。Evenorder(i-1)，Evenorder(i-2)，......，Evenorder(i-q)分别为前q个周期偶次谐波的总和。

步骤111，判断Evenscale(i)的值是否大于等于第二阈值。如果Evenscale(i)的值大于等于第二阈值，执行步骤112，设置Flag_Even＝1；否则，执行步骤113，Flag_Even＝0。

步骤114，计算频谱分量中从第5次开始的奇次谐波的总和：

${\mathrm{Odd}}_{\mathrm{order}}\left(i\right)={\mathrm{\Σ}}_{k=5}^{N/2}{Y}_i^{\′\′}\left(k\right)$

其中，k＝5，7，...，N/2

步骤115，用当前这个周期第5次开始的奇次谐波总和除以前q个周期从第5次开始的奇次谐波的总和的平均值：

${\mathrm{Odd}}_{\mathrm{scale}}\left(i\right)=\frac{{\mathrm{Odd}}_{\mathrm{order}}\left(i\right)}{\left({\mathrm{\Σ}}_{m=i-q}^{i-1}{\mathrm{Odd}}_{\mathrm{order}}\left(m\right)\right)/q}$

式中，q为整数，一般q≥5。Oddorder(i-1)，Oddorder(i-2)，......，Oddorder(i-q)分别为前q个周期从第5次开始的奇次谐波总和。

步骤116，判断Oddscale的值是否大于等于第三阈值。如果Oddscale的值大于等于第三阈值，执行步骤117，设置Flag_Odd＝1；否则，执行步骤118，Flag_Odd＝0。

步骤119，计算当前第i周期Evenorder(i)与前一个周期Evenorder(i-1)的差值：

Even_variance(i)＝Even_order(i)-Even_order(i-1)

步骤120，判断Even_variance(i)是否大于等于第四阈值。如果Even_variance(i)大于等于第四阈值，执行步骤121，设置Flag_Even_Var＝1；否则，执行步骤122，Flag_Even_Var＝0。

步骤123，计算当前第i周期Oddorder(i)与前一个周期Oddorder(i-1)的差值：

Odd_variance(i)＝Odd_order(i)-Odd_order(i-1)

步骤124，判断Odd_variance(i)是否大于等于第五阈值。如果Odd_variance(i)大于等于第五阈值，设置标志Flag_Odd_Var＝1，执行步骤125；否则，执行步骤126，Flag_Odd_Var＝0。

步骤127，综合判断Flag_Base、Flag_Even、Flag_Odd、Flag_Even_Var、Flag_Odd_Var是否均为1，如果是，则该周期为电弧周期，执行步骤128，Flag_ith_Cycle＝1；否则直接执行步骤129。

步骤129，判断在连续的K个周期中，计算电弧周期事件数M，并判断M是否大于等于第六阈值。如果M大于等于第六阈值，则判定此时发生了电弧故障，执行步骤130。否则，执行步骤102。

步骤130，脱扣器脱扣。

下面结合图4说明采集负载电流时域信号的方法。

1.执行步骤201，判断标志位Flag_zero是否为1。如果Flag_zero为1，执行步骤202，否则中断返回。Flag_zero＝1由市电电压从负至正过零时向微控制器U5申请的外部中断服务程序执行。

2.步骤202，启动A/D转换模块，每隔时间T_S采集一次两路A/D端口负载电流信号，两路信号在每个周期均采集N点。N与T_S的关系为N＝T/T_S，T为市电周期。设当前为第i个周期，则该周期的两路电压采样值记为xi’(n)，xi”(n)，n＝0，1，...，N-1。

3.步骤203，当两路信号采集的个数达到N时，执行步骤204；否则，中断返回。

4.步骤204，n和Flag_zero清零，准备下一个周期的采样。

下面以实施例说明本发明采用上述串联电弧故障保护方法的串联电弧故障断路器。

结合图1，本发明串联电弧故障断路器，包括电源电路1，安装在用户电路中的电流互感器CT、电压过零比较电路4和脱扣触发电路6，以及电流感测电路2、放大滤波电路3和微处理器5，电流互感器CT、电流感测电路2、放大滤波电路3与微处理器5依次相连，电压过零比较电路4和脱扣触发电路6分别与微处理器5相连，电流互感器CT采集用户电路中的电流信号，经过电流感测电路2将电流信号转化为电压信号，再经过放大滤波电路3输入微处理器5，电压过零比较电路4将电压过零脉冲信号输入微处理器5。

其中，微处理器5设有：

第一模块，用于将从市电过零点连续采集的原始负载电流和通过带通滤波器后的负载谐波电流时域信号，通过短时傅里叶变换计算各个频率的频谱分量Y_i’(k)，Y_i”(k)；

第二模块：用于由当前第i周期的基波分量Y_i’(1)计算基波分量标志Base_scale(i)，并判断基波分量标志Base_scale(i)的值是否小于等于第一阈值；

第三模块：用于计算当前第i周期的频谱分量Y_i”(k)中各个偶次谐波的总和以及偶次谐波分量标志Even_scale(i)，并判断偶次谐波分量标志Even_scale(i)的值是否大于等于第二阈值；

第四模块：用于计算当前第i周期的频谱分量Y_i”(k)中各个奇次谐波的总和以及奇次谐波分量标志Odd_scale(i)，并判断奇次谐波分量标志Odd_scale(i)的值是否大于等于第三阈值；

第五模块：用于计算当前第i周期Even_order(i)与前一个周期Even_order(i-1)的差值即偶次谐波增量Even_variance(i)，并判断所述偶次谐波增量Even_variance(i)是否大于等于第四阈值；

第六模块：用于计算当前第i周期Odd_order(i)与前一个周期Odd_order(i-1)的差值即奇次谐波增量Odd_variance(i)，并判断所述奇次谐波增量Odd_variance(i)是否大于等于第五阈值；

微处理器5根据第一模块至第六模块的判断结果输出电弧故障发生信号，经触发脱扣触发电路6切断用户电路。

电流感测电路2是将安装在市电输入的零线或火线上的电流互感器CT检测到的电流信号转成电压信号，即电流信号转换成电压信号的转换电路。电流感测电路由电阻和电容组成的，其输出端与所述放大滤波电路3相连。

放大滤波电路3包括依次相连的运算放大器U21和电阻R22-R24组成的输入放大电路、低通滤波器、运算放大器U22连接成的电压跟随器、高通滤波电路和由运算放大器U23与电阻R27-R29组成的信号放大器，低通滤波器的输出端和由运算放大器U23与电阻R27-R29组成的信号放大器的输出端分别与微处理器5相连。

电压过零比较电路4包括依次相连的分压电路、电压过零比较电路和整形电路，市电输入的零线和火线接至分压电路的输入端，所述整形电路的输出端接至所述微处理器5的输入端。

脱扣触发电路由继电器电路构成。

下面详细说明本发明串联电弧故障断路器的构成和工作过程。

电流互感器CT感测电源负载电路中的电流信号，电流感测电路2将电流信号转换成电压信号，再经过放大滤波电路3，然后输入微控制器5的A/D端。经过电压过零比较电路4的过零脉冲信号输入至微控制器5的外部中断端口。微控制器5将A/D采样的各周期的电流信号通过STFT变换至频域进行多种电弧频域特性的判断，以确定电路中是否有串联电弧发生。在电路中有串联电弧故障产生时，微控制器5激活脱扣触发电路6，使得机电接口7脱扣，电路中的功率输出与负载断开。

结合图2，电源电路1包括整流桥VT，电容C11-C13和电压转换芯片U11-U12。电容C11、C12串联接至整流桥桥路的两个输出端，电容C13与电容C12并联。电压转换芯片U11的输入端1脚接电容C11、C12和C13的结点，输出端2脚即是整个装置的供电电源Vcc，U11的0脚接地。电压转换芯片U11的输出端2脚接电压转换芯片U12的输入端1脚，电压转换芯片U12的0脚接地，输出端2脚为整个装置的供电电源-Vcc。

电流感测电路2包括电阻R21和电容C21。电流互感器CT直接穿在功率输入的零线或火线上。电阻R21分别接在电流互感器CT的两端，使得电流信号转为所需的电压信号，电容C21与电阻R21并联，起滤波作用。

放大滤波电路3包括运算放大器U21-U23，电容C22-C23和电阻R22-R29。运算放大器U21和电阻R22-R24组成反向运算放大器。电阻R22一端接电阻R21和电容C21，另一端接电阻R24和运算放大器U21的负端2脚。R23作为补偿电阻一端接运算放大器U21的正端3脚，另一端接地。电阻R24一端接电阻R22和运算放大器U21的负端2脚，一端接运算放大器U21的输出端1脚。电阻R25和电容C22组成抗混叠低通滤波器。电阻R25一端接运算放大器U21的输出端1脚和电阻R24，另一端接电容C22、运算放大器U22的正输入端3脚和微处理器U5的A/D端，电容C22的另一端接地。运算放大器U22的1脚和2脚相连，组成电压跟随器。运算放大器U22的1脚和电容C23的一端相连。电容C23的另一端与电阻R26和R27相连。电容C23和电阻R26组成高通滤波器。电阻R27一端接电容C23和电阻R26，另一端接电阻R29和运算放大器U23的负端2脚。电阻R28一端接运算放大器U23的正端3脚，另一端接地。电阻R27-R29和运算放大器U23组成一个信号放大电路。运算放大器U23的输出端1脚输入信号至微处理器U5的A/D端。

电压过零比较电路4包括电阻R31-R35，二极管D31和运算放大器U31。电阻R31、R32串联接功率输入，电阻R31、R32分压功率输入。R33、R34和运算放大器U31组成电压过零比较器。电阻R33一端接R31和R32的结点处，一端接运算放大器U31的正输入端3脚。补偿电阻R34一端接运算放大器U31的负输入端2脚，一端接地。当R31和R32结点处的电压大于零时，运算放大器U31的输出脚1端输出为正(高电平)，当R31和R32结点处的电压小于零时，运算放大器U31的输出脚1端输出为负(低电平)。R35一端接运算放大器U31的输出端1脚，一端接二极管D31的负端。二极管D31一端接电阻R35，一端接地。当运算放大器U31的输出端1脚输出为负时，二极管D31导通把R35和二极管D31处的电压钳位至零。

微控制器U5的A/D端1脚接电阻R25、电容C22和运算放大器U22的正端3脚，输入负载电流时域信号；A/D端2脚接电阻R29和运算放大器U23的输出端1脚，输入通过带通滤波器后的负载谐波电流时域信号。微控制器U5的外部中断端口3脚接二极管D31和电阻R35，读入电压过零比较器4输出的电压过零点脉冲信号。微控制器U5通过软件程序控制两路模拟电路信号的采样，通过一种或多种方法对信号进行处理，提取故障电流特征，并完成故障电弧的判断。

脱扣触发电路6包括电阻R41、继电器KR41、KR42和三极管Q41。微控制器U5的输出端7脚接电阻R41。电阻R41的另一端接三极管Q1的基极，三极管Q1的集电极接继电器KR41的一端，继电器KR41的另一端接电源VCC。三极管Q1的发射极接地。继电器KR41的常开触点与继电器KR42串联。电网的火线和零线分别接至继电器KR41的常开触点与继电器KR42的两端。当微控制器U5判断当前存在故障电弧时，输出开关量信号控制三极管Q1导通，从而控制继电器KR41的常开触点吸合，继电器KR42的常闭触点断开，实现线路的电弧检测和保护功能。

图5(a)列出了典型家用负荷串联故障电弧电流波形，图5(b)列出了奇次谐波分量的时频分析结果，图5(c)列出了偶次谐波分量的时频分析结果，图6列出了典型家用负荷串联电弧故障检测结果。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明涉及精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种串联电弧故障保护的方法，其特征在于：该方法包括：

1)从市电电压幅值从负至正的过零点开始连续采集原始负载电流xi’(n)和通过带通滤波器后的负载谐波电流时域信号xi”(n)，n＝0，1，...，N-1，其中，N为采集点数，N＝T/TS，T为市电周期，TS为采样周期，通过短时傅里叶变换获取各个频率频谱的基波分量Yi’(k)，Yi”(k)，k＝0，1，...，N-1；

2)设置：第一阈值为基波分量阈值，

第二阈值为偶次谐波分量阈值，

第三阈值为奇次谐波分量阈值，

第四阈值为偶次谐波增量阈值，

第五阈值为奇次谐波增量阈值，

第六阈值为电弧事件次数阈值；

3)由当前第i周期的基波分量Yi’(1)计算基波分量标志Base_scale(i)，并判断所述基波分量标志Base_scale(i)的值是否小于等于所述第一阈值；

4)计算当前周期xi”(n)的频谱分量中各个偶次谐波的总和Even_order(i)和偶次谐波分量标志Even_scale(i)，并判断所述偶次谐波分量标志Even_scale(i)的值是否大于等于所述第二阈值；

5)计算当前周期xi”(n)的频谱分量中从第5次开始的奇次谐波的总和Odd_order(i)和奇次谐波分量标志Odd_scale(i)，并判断所述奇次谐波分量标志Odd_scale(i)的值是否大于等于所述第三阈值；

6)计算当前第i周期Even_order(i)与前一个周期Even_order(i-1)的差值即偶次谐波增量Even_variance(i)，并判断所述偶次谐波增量Even_variance(i)是否大于等于所述第四阈值；

7)计算当前第i周期Odd_order(i)与前一个周期Odd_order(i-1)的差值即奇次谐波增量Odd_variance(i)，并判断所述奇次谐波增量Odd_variance(i)是否大于等于所述第五阈值；

8)若当前第i周期满足以下条件：

I.基波分量标志Base_scale(i)＜＝第一阈值；

II.偶次谐波分量标志Even_scale(i)＞＝第二阈值；

III.奇次谐波分量标志Odd_scale(i)＞＝第三阈值；

IV.偶次谐波增量Even_variance(i)＞＝第四阈值；

V.奇次谐波增量Odd_variance(i)＞＝第五阈值，则判断第i周期为故障电弧周期；

9)若在连续的K个周期中，发生了M个电弧周期，电弧事件次数M＞＝第六阈值，则判断此时发生了电弧故障，电弧故障发生信号被输出，以切断用户电路。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：其中：

I.所述短时傅里叶变换获取的各个频率频谱的基波分量：

Y_i′(k)＝STFT(x′_i(n))

Y_i″(k)＝STFT(x″_i(n))

其中：k＝0，1，...，N-1，当STFT窗口长度T＝20ms时，频率分辨率f1＝1/T＝50Hz，短时傅里叶变换获取的各个频率频谱的基波分量为：Yi’(k)，Yi”(k)分别为直流分量，50Hz基波分量，以及2th、3th、......、(N-1)/2th各次频谱分量；

II.所述基波分量标志Base_scale(i)为当前第i周期的基波分量除以前q个周期基波分量的平均值：

${\mathrm{Base}}_{\mathrm{scale}}\left(i\right)=\frac{\mathrm{Base}\left(i\right)}{\left({\mathrm{\Σ}}_{m=i-q}^{i-1}\mathrm{Base}\left(m\right)\right)/q}$

式中，Base(i)为当前第i周期的基波分量Yi’(1)的赋值，q为正整数；

III.所述偶次谐波分量标志Even_scale(i)为当前周期xi”(n)的频谱分量中各个偶次谐波总和除以前q个周期偶次谐波总和的平均值：

${\mathrm{Even}}_{\mathrm{scale}}\left(i\right)=\frac{{\mathrm{Even}}_{\mathrm{order}}\left(i\right)}{\left({\mathrm{\Σ}}_{m=i-q}^{i-1}{\mathrm{Even}}_{\mathrm{order}}\left(m\right)\right)/q}$

式中，

k＝2，4，…N/2，为前q个周期偶次谐波的总和，q为正整数；

IV.所述奇次谐波分量标志Odd_scale(i)为当前周期xi”(n)的频谱分量中从第5次开始的奇次谐波总和除以前q个周期基波分量的平均值：

${\mathrm{Odd}}_{\mathrm{scale}}\left(i\right)=\frac{{\mathrm{Odd}}_{\mathrm{order}}\left(i\right)}{\left({\mathrm{\Σ}}_{m=i-q}^{i-1}{\mathrm{Odd}}_{\mathrm{order}}\left(m\right)\right)/q}$

式中，

k＝5，7，…，N/2，为当前周期xi”(n)的频谱分量中从第5次开始的奇次谐波的总和，q为正整数。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：其中所述步骤1)中从市电电压幅值从负至正的过零点开始连续采集原始负载电流xi’(n)和通过带通滤波器后的负载谐波电流时域信号xi”(n)，执行如下步骤：

1-1)判断市电电压幅值从负至正过零点标志位Flag_zero是否为1，如果Flag_zero为1，执行步骤1-2)，否则，中断返回；

1-2)启动A/D采样，采集两路负载电流信号，每个周期均采集N点，N＝T/T_S，T为市电周期，T_S为采集周期，则第i个周期两路电压采样值为xi’(n)，xi”(n)，n＝0，1，...，N-1；

1-3)当两路信号采集的个数达到N时，执行步骤1-4)，否则，中断返回；

1-4)对n和Flag_zero清零，准备下一周期采样。

4.一种串联电弧故障断路器，包括电源电路(1)，其特征在于：还包括安装在用户电路中的电流互感器(CT)、电压过零比较电路(4)和脱扣触发电路(6)，以及电流感测电路(2)、放大滤波电路(3)和微处理器(5)，所述电流互感器(CT)、电流感测电路(2)、放大滤波电路(3)与所述微处理器(5)依次相连，所述电压过零比较电路(4)和脱扣触发电路(6)分别与所述微处理器(5)相连，所述电流互感器(CT)采集用户电路中的电流信号，经过所述电流感测电路(2)将电流信号转化为电压信号，再经过所述放大滤波电路(3)输入所述微处理器(5)，所述电压过零比较电路(4)将电压过零脉冲信号输入所述微处理器(5)，所述微处理器(5)设有：

第一模块，用于将从市电过零点连续采集的原始负载电流和通过带通滤波器后的负载谐波电流时域信号，通过短时傅里叶变换计算各个频率频谱的基波分量Y_i’(k)，Y_i”(k)；

第二模块：用于由当前第i周期的基波分量Y_i’(1)计算基波分量标志Base_scale(i)，并判断所述基波分量标志Base_scale(i)的值是否小于等于第一阈值；

第三模块：用于计算当前第i周期的基波分量Y_i”(k)中各个偶次谐波的总和以及偶次谐波分量标志Even_scale(i)，并判断所述偶次谐波分量标志Even_scale(i)的值是否大于等于第二阈值；

第四模块：用于计算当前第i周期的基波分量Y_i”(k)中各个奇次谐波的总和以及奇次谐波分量标志Odd_scale(i)，并判断奇次谐波分量标志Odd_scale(i)的值是否大于等于第三阈值；

第五模块：用于计算当前第i周期Even_order(i)与前一个周期Even_order(i-1)的差值即偶次谐波增量Even_variance(i)，并判断所述偶次谐波增量Even_variance(i)是否大于等于第四阈值；

第六模块：用于计算当前第i周期Odd_order与前一个周期Odd_order(i-1)的差值即奇次谐波增量Odd_variance(i)，并判断所述奇次谐波增量Odd_variance(i)是否大于等于第五阈值；

所述微处理器(5)根据所述第一模块至第六模块的判断结果输出电弧故障发生信号，经所述触发脱扣触发电路(6)切断用户电路。

5.根据权利要求4所述的故障电弧保护装置，其特征在于，所述电流感测电路(2)包括RC滤波器，所述电流互感器(CT)安装在市电输入的零线或火线上，将电流信号转为电压信号并接至所述RC滤波器，所述RC滤波器的输出端与所述放大滤波电路(3)相连。

6.根据权利要求4或5所述的故障电弧保护装置，其特征在于，所述放大滤波电路(3)包括依次相连的输入放大器(U21)、低通滤波器、电压跟随器(U22)、高通滤波电路和信号放大器(U23)，所述低通滤波器的输出端和所述信号放大器(U23)的输出端分别与所述微处理器(5)相连。

7.根据权利要求6所述的故障电弧保护装置，其特征在于，所述电压过零比较电路(4)包括依次相连的分压电路、比较电路(U31)和整形电路，所述市电输入的零线和火线接至分压电路的输入端，所述整形电路的输出端接至所述微处理器(5)的输入端。

8.根据权利要求7所述的故障电弧保护装置，其特征在于，所述脱扣触发电路(6)由继电器电路构成。

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