CN103592550A - 一种电弧故障检测方法及保护装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电弧故障检测方法及保护装置，电弧故障检测保护装置包括顺次连接的电流互感器、I/V变换电路、整流电路、积分电路及微处理器。本发明通过电流互感器检测被保护线路的电流信号，通过互感器二次侧的I/V变换电路将电流信号转变为电压信号，电压信号通过电压跟随器送入整流电路进行整流，并把整流后得到的波形信号提供给积分电路，积分电路向微处理器提供在预定时间周期上的电压电平累积量，微处理器通过定时A/D转换捕获周期积分值，并进行存储，通过电弧故障检测算法检测被保护线路的电流波形变化，进行电弧故障判定，可有效区分是发生电弧故障还是负载正常启动、功率调节等引起的干扰，减少装置的误脱动作，可靠性更高。

Description

一种电弧故障检测方法及保护装置

技术领域

本发明涉及低压配电系统电弧故障检测领域，具体涉及一种不易受正常工作电流波形变化干扰的电弧故障检测方法及保护装置。

背景技术

随着社会经济的飞速发展以及人民生活水平的不断提高，电气化程度越来越高，用电量也在不断的增加。电气火灾事件的发生越来越频繁，给人身及财产造成巨大的损失。据有关资料统计，因电气原因引发的火灾在各类火灾中高居榜首，约占30%。电气火灾发生率及所造成的财产损失居各类火灾原因之首，特别是在这些火灾中，重特大电气火灾时有发生。电弧故障是由于接触不良、连线松动、绝缘老化、断裂等引起。故障电弧的特点是线路中电流可能减小，但温度高，并使故障迅速扩大，直至点燃附近的可燃物而引发火灾。所以预防这种由电弧故障引发的火灾尤为重要。

传统的过电流保护断路器和剩余电流保护断路器已广泛采用，但它在一些场合起不到故障电弧保护的作用。目前国内对家用电路电弧故障领域还处于研究开发阶段，虽然有少数公司已研发出针对家用电路的电弧故障断路器，但其在市面上的流通还未真正开始，其可靠性还尚未得到很好的验证。

尽管目前已经有相关产品在国外得到了广泛应用，能够检测和区分电弧和正常负载干扰，但是还会出现误脱扣现象。如调光器、电钻、吸尘器等在正常工作时一般在每个半周期产生相同数量的电弧事件，然而，常规电弧故障检测装置经常不能可靠地区分这种正常电弧和电弧故障，从而容易发生误脱扣。而且这些常规设备往往难以区分某些负载的启动、功率调节、停机以及电弧故障。因此，电弧故障检测装置和方法需要进一步的改进，避免出现误判。

发明内容

本发明的主要目的是克服现有技术的缺点，提供一种可有效区分是发生电弧故障还是负载正常启动、功率调节等引起的干扰的电弧故障检测方法及保护装置，能以更高的可靠性来监测故障电弧，减少装置的误脱动作。

本发明采用如下技术方案：

一种电弧故障检测保护装置，包括有用于检测被保护线路的AC电流波形信号的电流互感器、用于将电流互感器输出的电流信号转变为AC电压波形信号的I/V变换电路、用于将AC电压波形信号进行整流的整流电路、用于对整流电路输出的电压波形信号在预定时间周期上进行积分以获得周期积分值的积分电路及通过捕获积分电路输出的周期积分值并使用电弧故障检测算法检测被保护线路的电流波形变化来进行电弧故障判定的微处理器，所述电流互感器的一次侧串联在被保护线路上，二次侧连接I/V变换电路，所述I/V变换电路、整流电路、积分电路与微处理器顺次连接。

进一步地，所述微处理器信号输出端连接脱扣电路，脱扣电路连接机电接口，所述机电接口耦合于被保护线路的功率输入与功率输出之间。

进一步地，所述I/V变换电路与整流电路之间连接有用于提高带载能力的电压跟随器。

进一步地，所述I/V变换电路为匹配电阻。

进一步地，所述整流电路采用精密整流电路。

进一步地，所述积分电路采用工频周期积分电路。

进一步地，所述电弧故障检测保护装置还包括有连接于微处理器的电源电路。

一种基于所述电弧故障检测保护装置的电弧故障检测方法，通过检测被保护线路的电流波形变化确定是否产生电弧故障，包括以下步骤：

①通过电流互感器对被保护线路的电流进行采样，获得AC电流波形信号；再通过连接于电流互感器二次侧的匹配电阻将该AC电流波形信号转变为AC电压波形信号；匹配电阻输出的AC电压波形信号通过电压跟随器输入精密整流电路进行整流；整流后得到的电压波形信号通过工频周期积分电路获得在预定时间周期上的电压电平累积量；

②微处理器通过定时A/D转换获取设定长度采样时间窗内的连续多个预定时间周期的积分值并存储于定义的积分值数组内，计算该积分值数组内的相邻两个预定时间周期的积分值差值，并设定相应的阈值将所得到差值量化为-1,0,1，得到相应的一组具有时间序列的量化数组，并统计该量化数组中不为0的量化值个数Na，得出电流波形变化情况；当一量化数组中不为0的量化值个数累计超过设定阈值K1时，进一步统计量化数组中连续为-1或者连续为1的单调区间个数以及每个单调区间的时间长度，并统计量化数组中由-1变到1或由1变到-1的次数Nb，即得出采样时间窗内电流周期积分值的单调性方向变化次数；微处理器通过多特征综合判定是否发生电弧故障，当采样时间窗内电流周期积分值单调性方向变化次数Nb大于所设定的阈值K2，并且Na/Nb大于所设定的阈值K3时，判定为发生电弧故障；

③当微处理器判定发生电弧故障时，微处理器触发脱扣电路，使机电接口脱扣，以及时断开电路。

进一步地，所述预定时间周期为一个工频周期，采样时间窗为50个工频周期。

进一步地，所述微处理器由一组积分值得到相邻工频周期积分值差值量化数组的算法为：定义两个变量m与n，m存储当前A/D采集的周期积分值，n存储前一个A/D采集的工频周期积分值，当差值大于等于设定值t1，将差值量化为1，表示递增；当差值绝对值小于t2，将差值量化为0，表示不变；当差值小于等于-t1时，量化为-1，表示递减；定义一个长度为50的数组T[50]用于存储相邻工频周期积分差值量化值，定时器中断每隔20毫秒将数组的第0-48个元素每位向高位移动一位，并将当前积分值差值的量化值存储在数组的最低位T[0]。

由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明的有益效果是：微处理器通过捕获积分电路输出的周期积分值，可由电弧故障检测算法得出被保护线路的电流波形变化及固定时间窗内电流周期积分值单调性方向变化次数，微处理器综合多特征来进行电弧故障实时监测，可有效区分是发生电弧故障还是负载正常启动、功率调节等引起的干扰，能以更高的可靠性来监测故障电弧，由此减少装置的误脱动作。

附图说明

图1为本发明具体实施方式的电弧故障检测保护装置的硬件电路系统示意图；

图2为本发明具体实施方式的电弧故障检测主程序流程图；

图3为本发明具体实施方式的微处理器定时中断程序流程图；

图4为本发明具体实施方式的电弧故障检测算法的流程图。

图中：1.电流互感器，2.匹配电阻，3.电压跟随器，4.精密整流电路，5.工频周期积分电路，6.微处理器，7.电源电路，8.脱扣电路，9.机电接口。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。

参照图1，一种电弧故障检测保护装置，包括有用于检测被保护线路的AC电流波形信号的电流互感器1、用于将电流互感器1输出的电流信号转变为AC电压波形信号的匹配电阻2、用于提高带载能力的电压跟随器3、用于将电压跟随器3输出的AC电压波形信号进行整流的精密整流电路4、用于对精密整流电路4输出的电压波形信号在工频周期上进行积分以获得工频周期积分值的工频周期积分电路5、通过捕获工频周期积分电路5输出的周期积分值并使用电弧故障检测算法检测被保护线路的电流波形变化来进行电弧故障判定的微处理器6及连接于微处理器6的电源电路7，所述电流互感器1的一次侧串联在被保护线路上，二次侧连接匹配电阻2，所述匹配电阻2、电压跟随器3、精密整流电路4、工频周期积分电路5与微处理器6顺次连接。所述微处理器6信号输出端连接脱扣电路8，脱扣电路8连接机电接口9，所述机电接口9耦合于被保护线路的功率输入与功率输出之间。

参照图1、图2、图3和图4，一种基于所述电弧故障检测保护装置的电弧故障检测方法，通过检测被保护线路的电流波形变化确定是否产生电弧故障，包括以下步骤：

①通过电流互感器1对被保护线路的电流进行采样，获得AC电流波形信号；再通过连接于电流互感器1二次侧的匹配电阻2将该AC电流波形信号转变为AC电压波形信号；匹配电阻2输出的AC电压波形信号通过电压跟随器3输入精密整流电路4进行整流；整流后得到的电压波形信号通过工频周期积分电路5获得一个工频周期的电压电平累积量。

②微处理器6运行电弧故障检测算法进行故障判定：

1）微处理器6通过定时A/D转换获取50个工频周期的积分值并存储于定义的积分值数组内，计算该积分值数组内的相邻两个工频周期的积分值差值，并设定相应的阈值将所得到差值量化为-1,0,1，得到相应的一组具有时间序列的量化数组，并统计该量化数组中不为0的量化值个数Na，得出电流波形变化情况，具体算法为：

定义两个变量m与n，m存储当前A/D采集的周期积分值，n存储前一个A/D采集的工频周期积分值，对相邻的电流周期积分值之间的差值关系设定不同阈值界限t1、t2、-t1、-t2进行量化，当m-n的差值大于等于设定值t1，将差值量化为1，表示递增；当差值绝对值小于t2，将差值量化为0，表示不变；当差值小于等于-t1时，量化为-1，表示递减。定义一个长度为50的数组T[50]用于存储相邻工频周期积分差值量化值，定时器中断每隔20毫秒将数组的第0-48个元素每位向高位移动一位，并将当前积分值差值的量化值存储在数组的最低位T[0]中。计算数组T[50]中不为0的量化值个数Na。

2）当量化数组T[50]中不为0的量化值个数Na超过设定阈值8时，进一步通过周期积分值的单调性判断是发生电弧故障还是负载正常启动、功率调节等引起的干扰，具体算法为：

进一步统计量化数组T[50]中连续为-1或者连续为1的单调区间个数以及每个单调区间的时间长度，并统计量化数组中由-1变到1或由1变到-1的次数，即50工频周期内电流周期积分值的单调性方向变化次数Nb。

3）微处理器6通过多特征综合判定是否发生电弧故障，当采样时间窗内电流周期积分值单调性方向变化次数Nb大于所设定的阈值K2，并且Na/Nb大于所设定的阈值K3时，判定为发生电弧故障。

③当微处理器6判定发生电弧故障时，微处理器6触发脱扣电路8，使机电接口9脱扣，以及时断开电路。

参照图1、图2、图3和图4，本发明的微处理器6进行电弧故障检测的算法程序包括主程序、定时器中断程序和电弧故障检测算法程序三大部分，其程序运行流程如下：

①主程序中对定时器进行初始化，配置为20ms定时中断，程序处于while循环等待中断状态；

②定时器通过A/D转换采集工频周期积分电路中的积分值，并复位积分器，将积分值进行存储；

③运行电弧故障检测算法，进行故障判定。

上述仅为本发明的一个具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (10)

1.一种电弧故障检测保护装置，其特征在于：包括有用于检测被保护线路的AC电流波形信号的电流互感器、用于将电流互感器输出的电流信号转变为AC电压波形信号的I/V变换电路、用于将AC电压波形信号进行整流的整流电路、用于对整流电路输出的电压波形信号在预定时间周期上进行积分以获得周期积分值的积分电路及通过捕获积分电路输出的周期积分值并使用电弧故障检测算法检测被保护线路的电流波形变化来进行电弧故障判定的微处理器，所述电流互感器的一次侧串联在被保护线路上，二次侧连接I/V变换电路，所述I/V变换电路、整流电路、积分电路与微处理器顺次连接。

2.如权利要求1所述的一种电弧故障检测保护装置，其特征在于：所述微处理器信号输出端连接脱扣电路，脱扣电路连接机电接口，所述机电接口耦合于被保护线路的功率输入与功率输出之间。

3.如权利要求1所述的一种电弧故障检测保护装置，其特征在于：所述I/V变换电路与整流电路之间连接有用于提高带载能力的电压跟随器。

4.如权利要求3所述的一种电弧故障检测保护装置，其特征在于：所述I/V变换电路为匹配电阻。

5.如权利要求3所述的一种电弧故障检测保护装置，其特征在于：所述整流电路采用精密整流电路。

6.如权利要求1所述的一种电弧故障检测保护装置，其特征在于：所述积分电路采用工频周期积分电路。

7.如权利要求1所述的一种电弧故障检测保护装置，其特征在于：还包括有连接于微处理器的电源电路。

8.一种基于权利要求1至权利要求7所述的电弧故障检测保护装置的电弧故障检测方法，其特征在于：通过检测被保护线路的电流波形变化确定是否产生电弧故障，包括以下步骤：

①通过电流互感器对被保护线路的电流进行采样，获得AC电流波形信号；再通过连接于电流互感器二次侧的I/V变换电路将该AC电流波形信号转变为AC电压波形信号；I/V变换电路输出的AC电压波形信号通过电压跟随器输入整流电路进行整流；整流后得到的电压波形信号通过积分电路获得在预定时间周期上的电压电平累积量；

②微处理器通过定时A/D转换获取设定长度采样时间窗内的连续多个预定时间周期的积分值并存储于定义的积分值数组内，计算该积分值数组内的相邻两个预定时间周期的积分值差值，并设定相应的阈值将所得到差值量化为-1,0,1，得到相应的一组具有时间序列的量化数组，并统计该量化数组中不为0的量化值个数Na，得出电流波形变化情况；当一量化数组中不为0的量化值个数累计超过设定阈值K1时，进一步统计量化数组中连续为-1或者连续为1的单调区间个数以及每个单调区间的时间长度，并统计量化数组中由-1变到1或由1变到-1的次数Nb，即得出采样时间窗内电流周期积分值的单调性方向变化次数；微处理器通过多特征综合判定是否发生电弧故障，当采样时间窗内电流周期积分值单调性方向变化次数Nb大于所设定的阈值K2，并且Na/Nb大于所设定的阈值K3时，判定为发生电弧故障；

③当微处理器判定发生电弧故障时，微处理器触发脱扣电路，使机电接口脱扣，以及时断开电路。

9.如权利要求8所述的一种电弧故障检测方法，其特征在于：所述预定时间周期为一个工频周期，采样时间窗为50个工频周期。

10.如权利要求8所述的一种电弧故障检测方法，其特征在于：所述微处理器由一组积分值得到相邻工频周期积分值差值量化数组的算法为：定义两个变量m与n，m存储当前A/D采集的周期积分值，n存储前一个A/D采集的工频周期积分值，当差值大于等于设定值t1，将差值量化为1，表示递增；当差值绝对值小于t2，将差值量化为0，表示不变；当差值小于等于-t1时，量化为-1，表示递减；定义一个长度为50的数组T[50]用于存储相邻工频周期积分差值量化值，定时器中断每隔20毫秒将数组的第0-48个元素每位向高位移动一位，并将当前积分值差值的量化值存储在数组的最低位T[0]。

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