CN103915818A - 串联故障电弧检测方法及其专用装置 - Google Patents

Abstract

本发明串联故障电弧检测方法及其专用装置，涉及电故障的探测装置，采用小波阈值去噪置零策略，并做归一化处理，用归一化处理后的信号在每个电源周期的幅值作为电弧的特征量，以此判断有无电弧现象出现，同时提供实施该方法的专用装置，包括串联故障电弧模拟试验单元和串联故障电弧检测及保护单元。本发明克服了现有技术由于计算量比较大，需要对大量数据进行训练，实时性差，不适合应用于在线检测和基于均方根随机性的均方根变化率判断故障电弧的发生可能存在漏检的诸多缺陷。

Description

串联故障电弧检测方法及其专用装置

技术领域

本发明的技术方案涉及电故障的探测装置，具体地说是串联故障电弧检测方法及其专用装置。

背景技术

故障电弧的特征在物理现象上表现为持续强烈的弧光、弧声、放热等现象，在线路电流上表现为电流波形的畸变，相应的会出现零休区间、电流上升率增大、高频谐波增多等。电弧燃烧时会产生局部高温，故障电弧是引起电气火灾的主要原因之一，严重威胁人类的生命财产安全。

在家庭供配电线路中，开关操作频繁、设备线路状况复杂，容易发生触头松动、绝缘老化、击穿、接地故障等问题，增加了故障电弧发生的概率。同时，由于用电设备分散，利用电弧物理现象来检测电弧并不现实，适合利用线路电流的变化来检测电弧。

故障电弧分为串联故障电弧和并联故障电弧，串联故障电弧受负载类型和大小的影响较大，不同负载下电流变化表现出不同的特征。随着现代电气技术的发展，各种开关电源等非线性负载的增多，正常工作时电流也会出现电弧的某个或者某些特征，干扰了电弧特征的检测。然而电器正常工作电流波形变化具有稳定的周期，而电弧电流波形变化没有稳定的周期，可以通过这一普遍特征检测电弧。

当前通过电流波形变化检测电弧的方法可以分为基于局部特征分析和基于整体识别两大类。局部特征分析方法多进行交流电弧的平肩和电流变化率的检测，针对性强但通用性差，多用于负载固定的专用AFCI设计中；基于整体识别的方法检测准确率高，多采用神经网络算法、模糊自适应法等相对比较复杂的算法，但是由于计算量比较大，需要对大量数据进行训练，实时性差，不适合应用于在线检测。

CN103116093A公开了串联故障电弧预警系统及其检测方法，是一种基于差值-均方根的检测方法，通过相邻周期对应点差值的均方根和均方根变化率判断电弧的发生。均方根基于电弧电流的稳定周期性的丧失，然而实际中，尤其是在A负载下噪音水平大于或相当于B负载下电弧特征信号时相邻周期对应点差值的均方根受噪音的影响很大；虽然，均方根变化率在一定程度上弥补了均方根判断的缺陷，但是均方根已经在一定程度上中和了电弧电流的随机性，因此由基于均方根随机性的均方根变化率判断故障电弧的发生可能存在漏检。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供串联故障电弧检测方法及其专用装置，采用小波阈值去噪置零策略，并做归一化处理，用归一化处理后的信号在每个电源周期的幅值作为电弧的特征量，以此判断有无电弧现象出现，同时提供实施该方法的专用装置，克服了现有技术由于计算量比较大，需要对大量数据进行训练，实时性差，不适合应用于在线检测和基于均方根随机性的均方根变化率判断故障电弧的发生可能存在漏检的诸多缺陷。

本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：串联故障电弧检测方法，步骤如下：

第一步，采集电流瞬时值

在一个电源周期内以20kHz的采样频率采集400个电流瞬时值，作为下一个电源周期的参考数据；

第二步，得到相邻电源周期的电流波形差信号

以同样的采样频率采集相邻电源周期的同样个数的电流瞬时值，再与第一步中所得的上一电源周期的电流瞬时值数据对应点相减，得到相邻电源周期的电流波形差信号；

第三步，进行小波阈值去噪置零和归一化处理

对由第二步得到的相邻电源周期电流波形差信号进行如下的小波阈值去噪置零和归一化处理：

（1）通过小波变换，计算相邻电源周期电流采集值差值I3的默认阈值THR；

（2）对THR做u倍数的扩大，即THR1=u*THR，得到小波去噪的阈值THR1；

（3）求I3的400个点的每个点的绝对值，判断是否大于阈值THR1：是，保留I3相应点和THR1的差，否，将I3相应的点置0，最后得到修改后的I3，记为I4；

（4）计算用于求取I3的后一电源周期电流采集值I2的400个点的绝对值平均值AVERAGE，即先对I2求绝对值，然后求和，然后除以400，得到AVERAGE；

（5）获得归一化处理的基底BASE=AVERAGE+h，h为根据经验获得的经验修正值；

（6）对I4进行归一化处理，得到I5，即I5=I4/BASE，

（7）将I5赋给I3，即I3=I5，完成归一化处理；

第四步，判断有无电弧现象

计算由第三步得到的归一化处理后的波形差信号在每个电源周期的幅值，与电弧特征阈值Y比较，若大于Y，则判断有电弧现象，此周期即为电弧周期；反之，判断无电弧现象，此周期即为无电弧周期，其中电弧特征阈值Y取0.3；

第五步，判定故障类型,微处理器向报警指示装置发出相应的报警指令以及向开关装置发送相应的电路动作指令

连续对G1个电源周期进行检测，检测结果中出现电弧周期的次数为M,若M>G2，则判定出现了故障电弧，由微处理器向报警指示装置发出故障电弧报警指令，并向开关装置发送跳闸指令，切断电路；若G3<M<G2，则判定有疑似故障电弧,由微处理器向报警指示装置发出疑似故障电弧报警指令；若M<G3，则判定为正常，由微处理器向报警指示装置发送正常指令，上述G1、G2、G3为预设值，G1为故障电弧一个诊断周期内的电源周期数，G2为故障电弧判定标准阈值，G3为疑似故障电弧判定标准阈值，其中G1取25，G2取8，G3取5。

串联故障电弧检测方法的专用装置，包括串联故障电弧模拟试验单元和串联故障电弧检测及保护单元，其中串联故障电弧模拟试验单元包括交流调压电源、电弧发生模块和负载接口；串联故障电弧检测及保护单元包括电流检测装置、开关装置、报警指示装置和微处理器；上述部件的连接方式是：调压交流电源、电弧发生模块、负载接口、电流检测装置和开关装置依次串联组成回路，电流检测装置、开关装置和报警指示装置分别与微处理器连接，电流检测装置将提取的电流值送入微处理器，微处理器向报警指示装置发出相应的报警指令，并向开关装置发出相应的电路动作指令。

上述串联故障电弧检测方法的专用装置，所述电弧发生模块的构成包括水平底座、电机固定底座、直线步进电机、绝缘滑动支座、钨铜合金锥状电极、圆柱石墨电极、绝缘固定支座和水平撑杆；上述部件的安装方式是：水平底座安放在一个水平台上，电机固定底座固定在水平底座上，直线步进电机固定在电机底座上，直线步进电机的行程输出端与绝缘滑动支座连接并固定，钨铜合金锥状电极固定在绝缘滑动支座上，圆柱石墨电极固定在绝缘固定支座上，绝缘固定支座与水平底座相连并固定，水平撑杆一端与绝缘固定支座相连，另一端与电机固定底座连接，并穿过绝缘滑动支座使其能在水平撑杆上沿直线自由滑动。

上述串联故障电弧检测方法的专用装置，所述电流检测装置由霍尔电流传感器或取样电阻以及相应的电流信号调理电路组成。

上述串联故障电弧检测方法的专用装置，所述开关装置是由交流固态继电器以及相应的驱动电路组成。

上述串联故障电弧检测方法的专用装置，所述微处理器为自带A/D采集器的微处理器。

上述串联故障电弧检测方法的专用装置，所述报警指示装置是灯光报警指示电路或声音报警指示电路。

上述串联故障电弧检测方法的专用装置，所述微处理器的工作流程是：

开始→初始化参考参数：包括采样频率fs，电源周期T0，预设值G1、G2和G3，电弧特征阈值Y，计数器C1、C2，电弧现象标志ARC_FLAG，故障类型标志ARCING_FAULT_FLAG→启动A/D采集：以采样频率fs采集一个电源周期T0内400个电流瞬时值，记为I1，存储在缓存器→以相同采样频率采集相邻下一电源周期T0的电流瞬时值，记为I2→计数器C1加1→调用电弧检测子程序→判断ARC_FLAG的值计数器C2加1→判断C1是否达到G1？；判断C1是否达到G1？返回以相同采样频率采集相邻下一电源周期T0的电流瞬时值，记为I2；调用故障诊断子程序→判断ARCING_FAULT_FLAG的值→等于1，向报警指示装置发送故障电弧报警指令，向开关装置发出跳闸指令；→等于2，向报警指示装置发送疑似故障电弧指令→计数器C1和C2置零→返回以相同采样频率采集相邻下一电源周期T0的电流瞬时值；→等于3，向报警指示装置发送正常指令→计数器C1和C2置零→返回以相同采样频率采集相邻下一电源周期T0的电流瞬时值。

上述调用故障诊断子程序来判断故障类型，即判断ARCING_FAULT_FLAG的值等于1时，是故障电弧；判断ARCING_FAULT_FLAG的值等于2时，是疑似故障电弧；判断ARCING_FAULT_FLAG的值等于3时，是正常。

上述串联故障电弧检测方法的专用装置，所述微处理器中存储的工作流程中的电弧检测子程序的流程如下：

入口→将I2减去I1的对应点，记为I3→将I2转存到I1，即I1=I2→对I3进行小波阈值去噪置零，记为I4→I4进行归一化处理，得到Sc→计算Sc的幅值，记为Sc_max→判断Sc_max是否大于Y？有电弧现象，向微处理器主流程返回ARC_FLAG=1→出口；无电弧现象，向微处理器主流程返回ARC_FLAG=0→出口。

上述串联故障电弧检测方法的专用装置，所述微处理器中存储的工作流程中的调用故障诊断子程序的流程如下：

入口→判断C2是否达到G2有故障电弧，返回ARCING_FAULT_FLAG=1→故障电弧诊断子程序出口；判断C2是否达到有疑似故障电弧，返回ARCING_FAULT_FLAG=2→故障电弧诊断子程序出口正常，返回ARCING_FAULT_FLAG=3→故障电弧诊断子程序出口。

上述串联故障电弧检测方法的专用装置，所述微处理器的工作流程及其子程序的流程中所涉及的字符的含义分别是：电源周期T0，采样频率fs，一个电源周期电流采集值I1，I1相邻下一电源周期电流采集值I2，相邻电源周期电流采集值差值I3，采样周期计数器C1，电弧周期计数器C2，电弧特征信号Sc_max，电弧特征阈值Y，一个诊断周期内电源周期数G1，故障电弧判定标准阈值G2，疑似故障电弧判定标准阈值G3，电弧现象标志ARC_FLAG，故障类型标志ARCING_FAULT_FLAG。

上述串联故障电弧检测方法的专用装置，所涉及的元器件和零部件均是由公知途径获得的。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明的突出的实质性特点在于：本发明的理论依据是，立足于正常工作电流具有稳定的周期，电弧的电流在周期性的基础上叠加了随机性，表现为稳定周期性的丧失。基于如此的电弧的随机不稳定性，加之发生电弧后虽没有稳定的周期，仍然可以按照原来的周期进行分析计算的原理，通过相邻周期波形相减，正常电流相邻周期波形差值很小，电弧电流相邻周期波形差值增大，出现峰值，正常电流相邻周期波形差信号与电弧电流相邻周期波形差信号在幅值上就能够区分，从而检测出串联故障电弧。本发明又根据电弧电流的变化特征建立了如下的电弧电流变化的随机模型：

电器正常工作下，线路电流都是具有稳定周期T的；而发生电弧后，线路电流波形较正常情况发生变化，在周期性的基础上叠加了很强的随机性

以上事实可以用以下公式表示：

${I_1}_k=I_1(t+\mathrm{kT})+{e_1}_k\left(t\right)---\left(1\right)$

${I_2}_k\left(t\right)=I_2(t+\mathrm{kT})*A_k\left(t\right)+{e_2}_k\left(t\right)---\left(2\right)$

其中I₁（t),I₂（t)是k=0时的稳定周期分量；T是交流电的周期；是电器正常工作和发生电弧的第k周期的电流瞬时值（发生电弧时，仍采用电器正常工作时的周期），k取整数；是正常和电弧时第k周期的噪声信号，A_k代表电弧第k周期的随机特征，是一个变化的量，受温度、湿度、电极材料、放电介质种类等多种因素影响。这样，如果进行相邻周期相减，正常信号变为：

${{\mathrm{\&Delta;I}}_1}_k\left(t\right){e_1}_{k+1}\left(t\right)-{e_1}_k\left(t\right)---\left(3\right)$

电弧电流信号变为：

${{\mathrm{\&Delta;I}}_2}_k\left(t\right)=I_2\left(t\right)*(A_{k+1}\left(t\right)-A_k\left(t\right))+{e_2}_{k+1}\left(t\right){e_2}_k\left(t\right)---\left(4\right)$

可见，相邻周期相减后，正常电流只剩下了噪声信号，而电弧电流除了噪声信号外还有另外一项，此项信号受正常稳定周期分量I₂（t)和电弧随机特征分量A_k+1(t)-A_k(t)的双重影响，通过消除噪声可以提取出故障电弧的特征信息，进一步采用小波阈值消噪置零策略，通过求取相邻周期波形差后一周期电流的绝对值平均值并加上一定的基底做归一化处理，用归一化处理后的信号在每个周期的幅值作为电弧的特征量。

与现有技术相比，本发明的显著进步是：在本发明方法中电弧检测无需判断负载类型，多负载环境下的阈值统一，能在25个电源周期如此极短的时间内发现电弧故障并自动切断电源，能够检测出间歇性电弧的发生，给出疑似电弧警报。本发明同时提供实施该方法的专用装置，克服了现有技术由于计算量比较大，需要对大量数据进行训练，实时性差，不适合应用于在线检测和基于均方根随机性的均方根变化率判断电弧的发生可能存在漏检的诸多缺陷。本发明的显著进步在下面的实施例中得以进一步的证明。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明串联故障电弧检测方法步骤的示意框图。

图2是本发明串联故障电弧检测方法的专用装置构成的示意框图。

图3是本发明串联故障电弧检测方法的专用装置中的电弧发生模块结构示意框图。

图4是本发明串联故障电弧检测方法的专用装置中的微处理器的工作流程图。

图5是本发明串联故障电弧检测方法的专用装置中的微处理器的工作流程中的电弧检测子程序流程图。

图6是本发明串联故障电弧检测方法的专用装置中的微处理器的工作流程中的调用故障诊断子程序流程图。

图7a是电阻负载下采样的电弧发生前后电流时域波形图。

图7b是微波炉负载下采样的电弧发生前后电流时域波形图。

图7c是空调负载下采样的电弧发生前后电流时域波形图。

图7d是电脑负载下采样的电弧发生前后电流时域波形图。

图8是电阻负载下采样的电弧发生前后电流时域波形和相邻电源周期相减消噪后的电流波形对比图。

图9是电阻负载下采样的电流信号与电弧检测结果对比图。

图10是微波炉负载下采样的电流信号与电弧检测结果对比图。

图11是电脑负载下采样的电流信号与电弧检测结果对比图。

图12是空调负载下采样的电流信号与电弧检测结果对比图。

图13是微波炉+电脑负载下采样的电流信号与电弧检测结果对比图。

图14是电磁炉+电吹风负载下时采样的电流信号与电弧检测结果对比图。

图15是电吹风负载下本发明串联故障电弧检测方法的专用装置对故障电弧的检测保护波形图。

图16是电脑负载下本发明串联故障电弧检测方法与差值-均方根方法检测效果对比示意图。

图中，11.交流调压电源，12.电弧发生模块，13.负载接口，14.电流检测装置，15.开关装置，16.微处理器，17.报警指示装置，21.水平底座，22.电机固定底座，23.直线步进电机，24.绝缘滑动支座，25.钨铜合金锥状电极，26.圆柱石墨电极，27.绝缘固定支座，28.水平撑杆。

具体实施方式

图1所示实施例表明，本发明串联故障电弧检测方法的步骤包括：采集电流瞬时值；得到相邻电源周期的电流波形差信号；进行小波阈值去噪置零和归一化处理；判断有无电弧现象；判定故障类型,微处理器向报警指示装置发出相应的报警指令以及向开关装置发送相应的电路动作指令。

图2所示实施例表明，本发明串联故障电弧检测方法的专用装置，包括串联故障电弧模拟试验单元和串联故障电弧检测及保护单元。图2的虚线框显示，其中串联故障电弧模拟试验单元包括交流调压电源11、电弧发生模块12和负载接口13，串联故障电弧检测及保护单元包括电流检测装置14、开关装置15、报警指示装置17和微处理器16；上述部件的连接方式是：调压交流电源11、电弧发生模块12、负载接口13、电流检测装置14和开关装置15依次串联组成回路，电流检测装置14、开关装置15和报警指示装置17分别与微处理器16连接，电流检测装置14将提取的电流值送入微处理器16，微处理器16向报警指示装置17发出相应的报警指令，并向开关装置15发出相应的电路动作指令。

图3所示实施例表明，本发明串联故障电弧检测方法的专用装置中的电弧发生模块的构成包括水平底座21、电机固定底座22、直线步进电机23、绝缘滑动支座24、钨铜合金锥状电极25、圆柱石墨电极26、绝缘固定支座27和水平撑杆28；上述部件的安装方式是：水平底座21安放在一个水平台上，电机固定底座22固定在水平底座21上，直线步进电机23固定在电机底座上，直线步进电机23的行程输出端与绝缘滑动支座24连接并固定，钨铜合金锥状电极25固定在绝缘滑动支座24上，圆柱石墨电极26固定在绝缘固定支座24上，绝缘固定支座24与水平底座21相连并固定，水平撑杆28一端与绝缘固定支座24相连，另一端与电机固定底座22连接，并穿过绝缘滑动支座24使其能在水平撑杆28上沿直线自由滑动。

图4所示实施例表明，本发明串联故障电弧检测方法的专用装置中的微处理器的工作流程是：

开始→初始化参考参数：包括采样频率fs，电源周期T0，预设值G1、G2和G3，电弧特征阈值Y，计数器C1、C2，电弧现象标志ARC_FLAG，故障类型标志ARCING_FAULT_FLAG→启动A/D采集：以采样频率fs采集一个电源周期T0内400个电流瞬时值，记为I1，存储在缓存器→以相同采样频率采集相邻下一电源周期T0的电流瞬时值，记为I2→计数器C1加1→调用电弧检测子程序→判断ARC_FLAG的值计数器C2加1→判断C1是否达到G1？；判断C1是否达到G1？返回以相同采样频率采集相邻下一电源周期T0的电流瞬时值，记为I2；调用故障诊断子程序→判断ARCING_FAULT_FLAG的值→等于1，向报警指示装置发送故障电弧报警指令，向开关装置发出跳闸指令；→等于2，向报警指示装置发送疑似故障电弧指令→计数器C1和C2置零→返回以相同采样频率采集相邻下一电源周期T0的电流瞬时值；→等于3，向报警指示装置发送正常指令→计数器C1和C2置零→返回以相同采样频率采集相邻下一电源周期T0的电流瞬时值；上述调用故障诊断子程序来判断故障类型，即判断ARCING_FAULT_FLAG的值等于1时，是故障电弧；判断ARCING_FAULT_FLAG的值等于2时，是疑似故障电弧；判断ARCING_FAULT_FLAG的值等于3时，是正常。

图5所示实施例表明，本发明串联故障电弧检测方法的专用装置中的微处理器的工作流程中的电弧检测子程序的流程如下：

入口→将I2减去I1的对应点，记为I3→将I2转存到I1，即I1=I2→对I3进行小波阈值去噪置零，记为I4→I4进行归一化处理，得到Sc→计算Sc的幅值，记为Sc_max→判断Scmax是否大于Y？有电弧现象，向微处理器主流程返回ARC_FLAG=1→出口；无电弧现象，向微处理器主流程返回ARC_FLAG=0→出口。

图6所示实施例表明，本发明串联故障电弧检测方法的专用装置中的微处理器的工作流程中的调用故障诊断子程序流程如下：

入口→判断C2是否达到G2有故障电弧，返回ARCING_FAULT_FLAG=1→故障电弧诊断子程序出口；判断C2是否达到有疑似故障电弧，返回ARCING_FAULT_FLAG=2→故障电弧诊断子程序出口正常，返回ARCING_FAULT_FLAG=3→故障电弧诊断子程序出口。

实施例1

本实施例所用的串联故障电弧检测方法的专用装置如图2、图3、图4、图5和图6所示实施例，其中交流调压电源11为TDGC2-2KVA，电流检测装置14由型号CHB-25NP的霍尔电流传感器、型号BOURNS3296的阻值为200欧取样电阻以及相应的已有的电流信号调理电路组成，开关装置15由ELE-D4820固态继电器及相应的驱动电路组成，微处理器16为TI公司生产的型号为TMS320F28335的自带A/D采集器的DSP微处理器，报警指示装置是灯光报警指示电路，将负载电阻连接到本串联故障电弧检测方法的专用装置的负载接口13，进行串联故障电弧检测，该装置的操作步骤是：接通主电路，再接通微处理器工作电路，通过按钮开关给微处理器触发指令，由微处理器控制电弧发生模块电极分离以产生电弧。如果电极分离过程未出现电弧，重新操作。

本实施例的串联故障电弧检测方法步骤如下：

第一步，采集电流瞬时值

在一个电源周期内以20kHz的采样频率采集400个电流瞬时值，作为下一个电源周期的参考数据；

第二步，得到相邻电源周期的电流波形差信号

以同样的采样频率采集相邻电源周期的同样个数的电流瞬时值，再与第一步中所得的上一电源周期的电流瞬时值数据对应点相减，得到相邻电源周期的电流波形差信号；

第三步，进行小波阈值去噪置零和归一化处理

对由第二步得到的相邻电源周期电流波形差信号进行如下的小波阈值去噪置零和归一化处理：

（1）通过小波变换，计算相邻电源周期电流采集值差值I3的默认阈值THR；

（2）对THR做u倍数的扩大，即THR1=u*THR，得到小波去噪的阈值THR1,本实例中，u=1.5；

（3）求I3的400个点的每个点的绝对值，判断是否大于阈值THR1：是，保留I3相应点和THR1的差，否，将I3相应的点置0，最后得到修改后的I3，记为I4；

（4）计算用于求取I3的后一电源周期电流采集值I2的400个点的绝对值平均值AVERAGE，即先对I2求绝对值，然后求和，然后除以400，得到AVERAGE；

（5）获得归一化处理的基底BASE=AVERAGE+h，h为根据经验获得的经验修正值，本实例中h取0.1；

（6）对I4进行归一化处理，得到I5，即I5=I4/BASE，

（7）将I5赋给I3，即I3=I5，完成归一化处理；

第四步，判断有无电弧现象

计算由第三步得到的归一化处理后的波形差信号在每个电源周期的幅值，与电弧特征阈值Y比较，若大于Y，则判断有电弧现象，此周期即为电弧周期；反之，判断无电弧现象，此周期即为无电弧周期，其中电弧特征阈值Y取0.3；

第五步，判定故障类型,微处理器向报警指示装置发出相应的报警指令以及向开关装置发送相应的电路动作指令

连续对G1个电源周期进行检测，检测结果中出现电弧周期的次数为M,若M>G2，则判定出现了故障电弧，由微处理器向报警指示装置发出故障电弧报警指令，并向开关装置发送跳闸指令，切断电路；若G3<M<G2，则判定有疑似故障电弧,由微处理器向报警指示装置发出疑似故障电弧报警指令；若M<G3，则判定为正常，由微处理器向报警指示装置发送正常指令，上述G1、G2、G3为预设值，G1为故障电弧一个诊断周期内的电源周期数，G2为故障电弧判定标准阈值，G3为疑似故障电弧判定标准阈值，其中G1取25，G2取8，G3取5。

负载电阻串联故障电弧检测结果是：试验中有连续的弧光出现，紧随其后报警指示装置发出了故障电弧报警，同时固态继电器动作，切断了电路。

图7a是电阻负载下采样的电弧发生前后电流时域波形图，该图说明发生电弧后，电流波形有明显的零休区间，并且电流幅值下降。

图8是电阻负载下采样的电弧发生前后电流时域波形和相邻电源周期相减消噪后的电流波形对比图，该图说明通过相邻电源周期相减消噪，电弧发生前相邻电源周期波形差值很小，电弧发生后相邻电源周期波形差值增大，出现峰值，电弧发生前后相邻电源周期电流波形差信号在幅值上就能够区分。

图9是电阻负载下采样的电流信号与电弧检测结果对比图，该图说明所述方法在电弧负载下能够有效识别电弧现象的发生。

实施例2

本实施例所用的串联故障电弧检测方法的专用装置除报警指示装置是声音报警指示电路之外，其他同实施例1。

将负载微波炉连接到本串联故障电弧检测方法的专用装置的负载接口13，进行串联故障电弧检测，该装置的操作步骤同实施例1。

本实施例的串联故障电弧检测方法步骤同实施例1。

负载微波炉串联故障电弧检测结果是：实验中有间歇弧光出现，随后报警指示装置发出了疑似故障电弧报警。

图7b是微波炉负载下采样的电弧发生前后电流时域波形图，该图说明微波炉正常工作电流波形和电弧电流波形非常相似，检测难度很大。

图10是微波炉负载下采样的电流信号与电弧检测结果对比图，该图说明所述方法在微波炉负载下能够有效识别电弧现象的发生。

实施例3

本实施例所用的串联故障电弧检测方法的专用装置同实施例1。

将负载空调连接到本串联故障电弧检测方法的专用装置的负载接口13，进行串联故障电弧检测，该装置的操作步骤同实施例1。

本实施例的串联故障电弧检测方法步骤同实施例1。

负载空调串联故障电弧检测结果是：实验中有连续的弧光出现，其后，报警指示装置进行了故障电弧报警，固态继电器动作切断了电路。

图7c是空调负载下采样的电弧发生前后电流时域波形图，该图说明：发生电弧后，电流波形的幅值先是增大，后来减小，波形变化随机性较强。

图12是空调负载下采样的电流信号与电弧检测结果对比图，该图说明在空调负载下，所述方法能够有效识别电弧现象的发生。

实施例4

本实施例所用的串联故障电弧检测方法的专用装置同实施例2。

将负载电脑连接到本串联故障电弧检测方法的专用装置的负载接口13，进行串联故障电弧检测，该装置的操作步骤同实施例1。

本实施例的串联故障电弧检测方法步骤同实施例1。

负载电脑串联故障电弧检测结果是：装置成功进行了故障电弧报警，并且固态继电器切断了电路。

图7d是电脑负载下采样的电弧发生前后电流时域波形图，该图说明，发生电弧前，电脑正常工作电流也有明显的零休区间，跟电阻负载下发生电弧时的电流有较大的相似；发生电弧后，先有一段高频扰动区间，导致电流波形发生了畸变，随后电流波形出现了脉冲峰值。同时此脉冲峰值在每个电源周期的发生位置随机性较强，但是幅值差别不大，差值均方根方法可能存在一定程度的漏检。

图11是电脑负载下采样的电流信号与电弧检测结果对比图，该图说明，所述方法在电脑负载下能够有效识别电弧现象的发生。

图16是电脑负载下本发明串联故障电弧检测方法与差值-均方根方法检测效果对比示意图，由图可知，在(0.3s-0.5s)时间段共10个电弧周期内，差值均方根变化率仅仅检测到3个电弧周期，出现了漏检，而本文方法检测到9个，在一定程度上克服了差值-均方根方法的漏检。

实施例5

本实施例所用的串联故障电弧检测方法的专用装置同实施例1。

将负载微波炉+电脑连接到本串联故障电弧检测方法的专用装置的负载接口13，进行串联故障电弧检测，该装置的操作步骤同实施例1。

上述的“+”号代表两个负载并联，下同。

本实施例的串联故障电弧检测方法步骤同实施例1。

负载微波炉+电脑串联故障电弧检测结果是：装置成功进行了故障电弧报警，固态继电器切断了电路。

图13是微波炉+电脑负载下采样的电流信号与电弧检测结果对比图，该图说明微波炉+电脑负载下，所述方法能够有效识别电弧现象的发生。

实施例6

本实施例所用的串联故障电弧检测方法的专用装置同实施例2。

将负载电吹风连接到本串联故障电弧检测方法的专用装置的负载接口13，进行串联故障电弧检测，该装置的操作步骤同实施例1。

本实施例的串联故障电弧检测方法步骤同实施例1。

负载电吹风串联故障电弧检测结果是：实验中，装置先发出了零星的弧光，而后出现了连续的弧光。报警指示装置先发出了疑似故障电弧报警，而后又发出了故障电弧报警，同时固态继电器动作切断了电路

图15是电吹风负载下本发明串联故障电弧检测方法的专用装置对故障电弧的检测保护波形图，该图说明所述装置能够有效识别电弧现象、疑似故障电弧和故障电弧的发生。实施例7

本实施例所用的串联故障电弧检测方法的专用装置同实施例1。

将负载电磁炉+电吹风连接到本串联故障电弧检测方法的专用装置的负载接口13，进行串联故障电弧检测，该装置的操作步骤同实施例1。

本实施例的串联故障电弧检测方法步骤同实施例1。

负载电磁炉+电吹风串联故障电弧检测结果是：实验中出现了连续的弧光，紧随其后报警指示装置发出了故障电弧报警，同时固态继电器动作切断了电路。

图14是电磁炉+电吹风负载下采样的电流信号与电弧检测结果对比图，该图说明电磁炉+电吹风负载下，所述装置有能够有效识别电弧现象及故障电弧的发生，并且能够在判断发生故障电弧时，及时切断电路对电路进行保护。

Claims (7)

1.串联故障电弧检测方法，其特征是步骤如下：

第一步，采集电流瞬时值

在一个电源周期内以20kHz的采样频率采集400个电流瞬时值，作为下一个电源周期的参考数据；

第二步，得到相邻电源周期的电流波形差信号

以同样的采样频率采集相邻电源周期的同样个数的电流瞬时值，再与第一步中所得的上一电源周期的电流瞬时值数据对应点相减，得到相邻电源周期的电流波形差信号；

第三步，进行小波阈值去噪置零和归一化处理

对由第二步得到的相邻电源周期电流波形差信号进行如下的小波阈值去噪置零和归一化处理：

（1）通过小波变换，计算相邻电源周期电流采集值差值I3的默认阈值THR；

（2）对THR做u倍数的扩大，即THR1=u*THR，得到小波去噪的阈值THR1；

（3）求I3的400个点的每个点的绝对值，判断是否大于阈值THR1：是，保留I3相应点和THR1的差，否，将I3相应的点置0，最后得到修改后的I3，记为I4；

（4）计算用于求取I3的后一电源周期电流采集值I2的400个点的绝对值平均值AVERAGE，即先对I2求绝对值，然后求和，然后除以400，得到AVERAGE；

（5）获得归一化处理的基底BASE=AVERAGE+h，h为根据经验获得的经验修正值；

（6）对I4进行归一化处理，得到I5，即I5=I4/BASE，

（7）将I5赋给I3，即I3=I5，完成归一化处理；

第四步，判断有无电弧现象

计算由第三步得到的归一化处理后的波形差信号在每个电源周期的幅值，与电弧特征阈值Y比较，若大于Y，则判断有电弧现象，此周期即为电弧周期；反之，判断无电弧现象，此周期即为无电弧周期，其中电弧特征阈值Y取0.3；

第五步，判定故障类型,微处理器向报警指示装置发出相应的报警指令以及向开关装置发送相应的电路动作指令

连续对G1个电源周期进行检测，检测结果中出现电弧周期的次数为M,若M>G2，则判定出现了故障电弧，由微处理器向报警指示装置发出故障电弧报警指令，并向开关装置发送跳闸指令，切断电路；若G3<M<G2，则判定有疑似故障电弧,由微处理器向报警指示装置发出疑似故障电弧报警指令；若M<G3，则判定为正常，由微处理器向报警指示装置发送正常指令，上述G1、G2、G3为预设值，G1为故障电弧一个诊断周期内的电源周期数，G2为故障电弧判定标准阈值，G3为疑似故障电弧判定标准阈值，其中G1取25，G2取8，G3取5。

2.串联故障电弧检测方法的专用装置，其特征是：包括串联故障电弧模拟试验单元和串联故障电弧检测及保护单元，其中串联故障电弧模拟试验单元包括交流调压电源、电弧发生模块和负载接口；串联故障电弧检测及保护单元包括电流检测装置、开关装置、报警指示装置和微处理器；上述部件的连接方式是：调压交流电源、电弧发生模块、负载接口、电流检测装置和开关装置依次串联组成回路，电流检测装置、开关装置和报警指示装置分别与微处理器连接，电流检测装置将提取的电流值送入微处理器，微处理器向报警指示装置发出相应的报警指令，并向开关装置发出相应的电路动作指令。

3.根据权利要求2所述串联故障电弧检测方法的专用装置，其特征是：所述电弧发生模块的构成包括水平底座、电机固定底座、直线步进电机、绝缘滑动支座、钨铜合金锥状电极、圆柱石墨电极、绝缘固定支座和水平撑杆；上述部件的安装方式是：水平底座安放在一个水平台上，电机固定底座固定在水平底座上，直线步进电机固定在电机底座上，直线步进电机的行程输出端与绝缘滑动支座连接并固定，钨铜合金锥状电极固定在绝缘滑动支座上，圆柱石墨电极固定在绝缘固定支座上，绝缘固定支座与水平底座相连并固定，水平撑杆一端与绝缘固定支座相连，另一端与电机固定底座连接，并穿过绝缘滑动支座使其能在水平撑杆上沿直线自由滑动。

4.根据权利要求2所述串联故障电弧检测方法的专用装置，其特征是：所述电流检测装置由霍尔电流传感器或取样电阻以及相应的电流信号调理电路组成；所述开关装置是由交流固态继电器以及相应的驱动电路组成；所述微处理器为自带A/D采集器的微处理器；所述报警指示装置是灯光报警指示电路或声音报警指示电路。

5.根据权利要求2所述串联故障电弧检测方法的专用装置，其特征是：所述微处理器的工作流程是：

开始→初始化参考参数：包括采样频率fs，电源周期T0，预设值G1、G2和G3，电弧特征阈值Y，计数器C1、C2，电弧现象标志ARC_FLAG，故障类型标志ARCING_FAULT_FLAG→启动A/D采集：以采样频率fs采集一个电源周期T0内400个电流瞬时值，记为I1，存储在缓存器→以相同采样频率采集相邻下一电源周期T0的电流瞬时值，记为I2→计数器C1加1→调用电弧检测子程序→判断ARC_FLAG的值计数器C2加1→判断C1是否达到G1？；判断C1是否达到G1？返回以相同采样频率采集相邻下一电源周期T0的电流瞬时值，记为I2；调用故障诊断子程序→判断ARCING_FAULT_FLAG的值→等于1，向报警指示装置发送故障电弧报警指令，向开关装置发出跳闸指令；→等于2，向报警指示装置发送疑似故障电弧指令→计数器C1和C2置零→返回以相同采样频率采集相邻下一电源周期T0的电流瞬时值；→等于3，向报警指示装置发送正常指令→计数器C1和C2置零→返回以相同采样频率采集相邻下一电源周期T0的电流瞬时值。

6.根据权利要求2所述串联故障电弧检测方法的专用装置，其特征是：所述微处理器中存储的工作流程中的电弧检测子程序的流程如下：

入口→将I2减去I1的对应点，记为I3→将I2转存到I1，即I1=I2→对I3进行小波阈值去噪置零，记为I4→I4进行归一化处理，得到Sc→计算Sc的幅值，记为Sc_max→判断Sc_max是否大于Y？有电弧现象，向微处理器主流程返回ARC_FLAG=1→出口；无电弧现象，向微处理器主流程返回ARC_FLAG=0→出口。

7.根据权利要求2所述串联故障电弧检测方法的专用装置，其特征是：所述微处理器中存储的工作流程中的调用故障诊断子程序的流程如下：

入口→判断C2是否达到G2有故障电弧，返回ARCING_FAULT_FLAG=1→故障电弧诊断子程序出口；判断C2是否达到有疑似故障电弧，返回ARCING_FAULT_FLAG=2→故障电弧诊断子程序出口；正常，返回ARCING_FAULT_FLAG=3→故障电弧诊断子程序出口。