CN104614608B - 一种低压并联电弧故障检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种低压并联电弧故障检测装置及方法，其中故障检查装置包括电流互感器、微分电路、微处理器，以及与微处理器连接的电源模块、过零比较电路、偏置电路、整流电路、声光报警、RS485通讯电路，测试按键以及消音按键。故障检测方法通过监测电流大小以及表征电流畸变的信号有效检测并联电弧故障。本发明可以提供现有保护装置所不具备的检测功能，同时能够有效避免非线性负载的干扰。

Description

一种低压并联电弧故障检测装置及方法

技术领域

本发明涉及的是一种电弧故障检测装置及方法。

背景技术

随着社会经济的飞速发展以及电气化程度不断提高，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。电弧故障是近些年被意识到的一种导致电气火灾的原因，并联电弧故障是电弧故障中的主要形式之一。发生并联电弧时，具有很高的温度，能够迅速引燃周围的可燃物。并联电弧电流小于短路电流，因此，传统的过电流检测装置并不能有效预防电弧故障导致的电气火灾。由于国内对电弧故障的相关研究还处于起步阶段，所以研制一种装置能够有效预防电弧故障引发火灾尤为重要。

并联电弧电流的特征是具有较大的电流幅值以及电流在过零点发生的畸变。在对并联电弧进行检测时，需要考虑到一些具有较大启动电流的负载可能引起的误动作。这些负载除了具有较大的启动电流，并且其电流波形为非正弦波形，例如电容启动的电动机等。因此，要求探测器能够有效区分并联电弧故障和较大启动电流的负载。

现有技术中，通过对电流波形信号进行采集，利用小波变换分解信号的离散小波系数。计算小波系数的和，并与阈值进行比较，如果大于阈值，则判定为并联电弧。由于国内的配电系统电源质量较国外的差，电源中谐波含量大，因此，阈值难于选取，并且计算过程较为复杂，成本高。

发明内容

本发明利用电流大小和电流畸变特征进行检测，能够准确的对并联电弧半波个数进行计数，同时能够有效的避免非线性负载的干扰。

本发明提出一种监视低压并联电弧故障的方法，其包括以下步骤：

第一步，以配电系统交流电过零点作为一个电流正弦波的半波的起始参考点，当一个半波的电流及电流微分值被采集完成，确定电流最大幅值，并与预定的阈值进行比较，若不大于阈值，则等待下一个半波采集完成；

第二步，当电流最大幅值大于预定的阈值时，通过采集的电流大小确定该电流幅值下正弦波形的微分值以及“平肩”宽度的特征阈值，并作为电弧识别的阈值；其中电流微分值特征阈值的确定是在电流大小确定时，假设电流波形为正弦波，则计算出该电流幅值下的正弦波在过零点处对应的最大微分值，以该值作为微分值的特征阈值；“平肩”宽度的特征阈值是在电流大小确定时，在电流过零点处以一定幅值的长度作为“平肩”宽度的特征阈值；

第三步，只要正弦波半波内出现微分值大小或者“平肩”宽度分别超过第二步中得到的该特征阈值，则判断为一个并联电弧，并进行计数累加，当电弧计数累加值超过预定值时，判断为电弧故障；

第四步，当电弧计数累加值超过预定值时，对满足判定为电弧故障的前几个周期的电流幅值大小变化特征进行识别，如果符合负载启动波形，即使判定为电弧故障，也不进行报警，反之，则进行声光报警，通过RS485通讯上传至监控后台。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

图1并联电弧故障检测装置的硬件框图。

图2为并联电弧故障时，电流互感器的输出波形。

图3为电流互感器的输出波形经过微分电路后输出的波形。

图4为电动机启动波形。

图5为实施例电弧故障检测微处理器主程序示意图。

图6为电弧的识别程序流程图。

具体实施方式

为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图详细描述本发明提供的实施例。

低压并联电弧故障发生时，其电弧电流特征为电流幅值较大，但是小于短路的电流，并且波形为非完整的正弦波，如图2所示。因此，通过电流大小以及电流波形畸变特征能够有效、准确的识别并联电弧。其中电流畸变的特征如：由于电弧的两电极间需要一定的电势击穿电极间的间隙，因此，在过零点时，电极间的电势随着电压增加而增加，在能够击穿电极间的间隙时，电流急剧上升。本实例中通过采集电流波形微分输出以及计算电流过零点的“平肩”宽度（所述“平肩”为电弧出现时，电流的过零阶段会持续一定时间，此时的电流大小为零或近似为零）检测电流波形的畸变，达到检测并联电弧故障的目的。同时，为了避免某些非线性负载在启动瞬间具有类似并联电弧电流波形特征，在初步判别为电弧故障时，对前几个周期的电流幅值变化特征进行识别，如果幅值变化特征满足非线性负载启动电流波形，那么判别为非并联电弧故障，不进行报警。

图1所示为低压并联电弧故障检测装置的硬件框图，该检测装置进线接线端接于配电系统中的零线和火线，该检测装置的出线端为负载电源。检测装置内部硬件包括电源模块、过零检测电路、电流互感器、偏置电路、微分电路、整流电路、微处理器、声光报警、测试按键和消音按键及RS485通讯电路等。检测装置内部的电源模块用于提供检测装置正常工作所需的直流稳压电源。电弧的发生与负载的交流电正负周期性变化有关，利用过零比较电路检测配电系统交流电的过零点，为电弧检测中交流电的半波起始提供依据。电流互感器穿过配电终端的火线，用于感应线路中的电流波形，如图2所示为所感应到的并联电弧电流波形。电流波形分别经过两不同的信号处理电路，一方面，对电流波形进行偏置后，由微处理器采集电流波形，并计算“平肩”宽度。另一方面，对电流信号进行微分处理，并进行整流处理，所输出的整流信号能够表征电流波形畸变程度大小，如图3为微分后得到的波形。“平肩”的宽度以及微分后的波形能够表征电流波形的突变，能够用于识别并联电弧。微处理器分别采集电流波形信号以及整流电路输出信号并进行计算分析、识别是否为电弧，同时对固定的移动时间窗内的电弧个数进行累计。如果累计值超过设定阈值，判断为电弧故障，进行声光报警，并通过RS485通讯上传至监控后台。

如图4为大功率电动机（大于2KW）的启动波形，其启动瞬间的电流幅值为正常工作时的7倍左右，并且波形具有一定的畸变。因此，为了避免负载启动的较大幅值的干扰，对电流幅值的变化特征进行识别。如果符合启动的电流幅值变化特征，即使识别为电弧，也不进行报警。

图5所示为主程序的流程图，第一步，以配电系统交流电过零点作为一个电流正弦波的半波的起始参考点，当一个半波数据（包括电流互感器采集的电流及电流微分值）被采集完成，确定电流最大幅值，并与预定的阈值进行比较，若不大于阈值，则等待下一个半波采集完成，第二步，当电流最大幅值大于预定的阈值时，通过采集的电流大小确定该电流幅值下正弦波形的微分值以及“平肩”宽度的特征阈值，并作为电弧识别的阈值，进一步对电流畸变进行检测，其中微分值特征阈值的确定是在电流大小确定时，假设电流波形为正弦波，则计算出该电流幅值下的正弦波对应的最大微分值（在过零点处），以该值作为微分值的特征阈值。同样，“平肩”宽度的特征阈值是在电流大小确定时，在过零点处以一定幅值（根据实验经验值）的长度作为“平肩”宽度的特征阈值。电流畸变的检测包括正弦波形半波的微分值大小及其所在半波的位置以及电流“平肩”的宽度，第三步，只要正弦波半波内的微分值大小或者“平肩”宽度分别超过第二步中得到的该特征阈值，则判断为一个并联电弧，并进行计数累加。当电弧计数累加值超过预定值时，判断为电弧故障。第四步，为了避免具有较大的启动电流的负载干扰，当电弧计数累加值超过预定值时，对满足判定为电弧故障的前几个周期（如UL1699标准里面规定为8个半波，GB14287.4-2014为13个半波）的电流幅值大小变化特征进行识别，如果符合负载启动波形，即使判定为电弧故障，也不进行报警，反之，则进行声光报警，通过RS485通讯上传至监控后台。

本发明通过对电流大小以及表征电流畸变的信号（“平肩”宽度、微分值等）能够有效的检测并联电弧故障，可以提供现有保护装置（漏电、过流保护装置）所不具备的检测功能。同时能够有效避免非线性负载的干扰。

以上实施例是本发明较优选具体实施方式的一种，本领域技术人员在本技术方案范围内进行的通常变化和替换应包含在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种监视低压并联电弧故障的方法，其包括以下步骤：

第一步，以配电系统交流电过零点作为一个电流正弦波的半波的起始参考点，当一个半波的电流及电流微分值被采集完成，确定电流最大幅值，并与预定的阈值进行比较，若不大于阈值，则等待下一个半波采集完成；

第二步，当电流最大幅值大于预定的阈值时，通过采集的电流大小确定该电流幅值下正弦波形的微分值以及“平肩”宽度的特征阈值，并作为电弧识别的阈值；其中电流微分值特征阈值的确定是在电流大小确定时，假设电流波形为正弦波，则计算出该电流幅值下的正弦波在过零点处对应的最大微分值，以该值作为微分值的特征阈值；“平肩”宽度的特征阈值是在电流大小确定时，在电流过零点处以一定幅值的长度作为“平肩”宽度的特征阈值；

第三步，只要正弦波半波内出现微分值大小或者“平肩”宽度分别超过第二步中得到的该特征阈值，则判断为一个并联电弧，并进行计数累加，当电弧计数累加值超过预定值时，判断为电弧故障；

第四步，当电弧计数累加值超过预定值时，对满足判定为电弧故障的前几个周期的电流幅值大小变化特征进行识别，如果符合负载启动波形，即使判定为电弧故障，也不进行报警，反之，则进行声光报警，通过RS485通讯上传至监控后台。