CN104635133A - 一种新型故障电弧检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型故障电弧检测方法及装置，所述检测方法包括：首先利用电流相位和谐波特性将负载快速分类，然后并行计算过零点附近波形的“平肩”比、频域导纳以及瞬时频率三个电弧特征量，并比较不同类别负载三个联合特征量与对应阈值，最后根据滑窗累计检测故障电弧个数，并根据国标报警条件实时发出声光报警、外部通信和脱扣信号。该装置的优势还包括将漏电/过流检测、过压/欠压检测以及电能质量分析和故障电弧检测功能高度集成，提供多功能特性，使应用更广泛。本装置采用多特征变量联合判决的故障电弧检测方法，提高了检测概率，降低了误检率。

Description

一种新型故障电弧检测方法及装置

技术领域

本发明涉及电气负载及其消防保护领域，特别是涉及一种新型故障电弧检测方法及装置。

背景技术

随着经济发展和生活质量的不断提高，地下建筑、高层建筑、大空间建筑和其它复杂建筑大量涌现，其内部配电线路越来越复杂，这都为电气消防带来新的难题。工业与民用建筑电气线路和设备(插座、家用电器)存在不良的电气连接或内部线路出现绝缘老化，都可能发生故障电弧。根据实验测量，仅0.5A电流产生的电弧温度即可达到2000℃～3000℃，峰值6000℃，足以引燃任何可燃物，而当电压低至20V时，电弧也可稳定存在，难以熄灭。

常见的故障电弧原因如下：

(1)新建或改建房屋时，铁钉刺破线缆或线缆挤压导致绝缘层破损；

(2)供电线路中线与线接头容易虚接、松动或氧化；

(3)没有正确安装插头；

(4)电线绝缘老化导致绝缘层击穿；

故障电弧是引发我国建筑电气火灾的主要原因(40％)，发生故障电弧时，负载电流通常很小，小于低压配电电流保护整定值，线路发生故障电弧只依靠电流强度不能识别。减小潜在损失的有效方法是在配电线路中的主要供电分支节点，安装故障电弧探测器。

发生故障电弧时，共性特征有：电流高频分量增加，过零点处出现“平肩”现象，且具有很强的间歇性；根据不同的负载类型还有对应的个性化波形特征。根据发生故障电弧时电流与电压波形特征，目前大多数故障电弧检测的方法有：小波变换法、FFT+神经网络法、谐波含量法以及高频电流频谱分析法，以上方法各有局限。

(1)小波方法，检测故障电弧的有效性一般，但算法复杂度高，对CPU要求高，不能适应太多的负载场景；

(2)FFT+神经网络法，人工神经网络需要用大量的实测数据，不断重复训练模型，才能达到较为准确的检测，模型阶数低，效果差，阶数高计算复杂且不易收敛，产品成本高。

(3)谐波含量法，对个别负载的故障电弧检测有效性较好，易受负载类型影响，故障电弧检测概率低，通用性差。

(4)高阶电流频谱分析法，频谱需要达50kHz～100kHz，这对信号调理电路的高保真、动态范围、采样率以及后续算法分析提出了更高的要求，芯片与电路成本高，产品商用门槛高。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的局限性，提出一种新型故障电弧检测方法，通过负载分类，减小了负载多样性对检测有效性的影响，并利用时域与频域联合算法，提取多个特征量进行联合判决，提高了检测准确率，同时降低了成本，安全可靠。

为了达到上述目的，本发明提出一种新型故障电弧检测装置，包括：

电压电流连续同步采集模块，用于同步高精度连续采集电压与电流数据，并将数据送至信号分析与处理模块；

信号分析与处理模块，该模块包括6个检测单元：故障电弧检测单元、电能质量分析单元、过流检测单元、漏电检测单元、过压检测单元以及欠压检测单元，其中以故障电弧检测单元为核心部分。故障电弧检测单元：判断负载类型后，计算每半周期电流的“平肩”比，分解每周期的频域导纳，以及计算每个周期的瞬时频率，根据与预设对应阈值比较的结果判断该半周期是否发生故障电弧，通过电弧发生次数识别电弧并发出声光报警和脱扣信号；漏电检测单元与过流检测单元：通过计算电流的有效值进行漏电与过流检测，当电路中发生过流或漏电现象时，发出脱扣信号；过压检测单元与欠压检测单元：通过比较电路电压与额定电压的值，当电路中发生过压或欠压现象时，发出脱扣信号；电能质量分析单元：计算电能质量变量，包括：电度、电压与电流谐波含量、有功与无功功率。

声光报警模块，与信号分析与处理模块输出端连接，根据信号分析与处理模块信号决定是否执行声光报警；

脱扣控制模块，与信号分析与处理模块输出端连接，其输出端与脱扣开关相连接。根据信号分析与处理模块信号决定是否执行断开负载电路；

通信模块，与信号分析与处理模块输出端连接，用于通过RS485接口与外界通信；

液晶显示模块，与信号分析与处理模块输出端连接，用于显示多种电能质量变量和故障电弧发生次数。

根据发明的另一方面，提出一种新型故障电弧检测方法，包括如下实现步骤：

步骤1.所述装置上电后，判断电压幅值从负至正过零点标志位是否为零，若为零，将从该点以后的数据存储为实时采集数据，否则继续等待，直至标志位为零；

步骤2.对采集的电压电流数据同时进行以下处理：

步骤201.计算进线和出线的电流有效值分别为I1、I2，两者差值的模为ΔI；

步骤202.计算电路中的电压U；

步骤203.通过频域快速分析法，计算电路中电能质量变量，包括：电度，电压与电流谐波含量以及有功与无功功率；

步骤204.故障电弧特征量计算：

S1：连续采集前L个周期的电压与电流数据，L为预设值，可根据需要调整；计算电流相对于电压的相位是否超前或滞后，相位差的大小和电流奇次谐波含量，进行负载分类；

S2：计算每半个周期峰值附近若干个点与零点附近若干个点的比值，即电流“平肩”比D1，设置阈值D1_th为第一阈值；对电压与电流数据进行FFT，计算频域导纳D2，设置阈值D2_th为第二阈值；计算电流的瞬时频率D3，设置阈值D3_th为第三阈值；

步骤205.若满足(D2＞D2_th∩D3＞D3_th)∪D1＞D1_th,即某半周期频域导纳D2与瞬时频率D3均大于阈值，或“平肩”比D1大于阈值，则判定某半周期发生故障电弧，设置故障电弧次数为M，计数器M加1；

步骤3.信号输出：

S1：若1秒内M≥14，则判定该电路发生故障电弧，立即发出声光报警与断开开关信号，M清零；

S2：若S1＞S1_th(过流电流阈值)，则电路中发生过流现象；若ΔS＞S2_th(漏电电流阈值)，则电路中发生漏电现象，当U＞U1_th(过压电压阈值)或U＜U2_th(欠压电压阈值)，且持续大于一分钟电压变动过压现象，则电路中产生过压现象，以上四种情况均发出断开开关信号；

步骤4.声光报警模块与脱扣控制模块，根据信号分析与处理模块信号决定是否执行声光报警以及断开电路。

与现有技术相比，本发明的优势在于：利用负载分类的方法，提高了多种负载故障电弧检测有效性；并利用时域和频域算法，提取多特征量联合判定是否发生故障电弧，降低了故障电弧误检测概率，提高了检测概率；同时能够通过液晶显示是否发生故障电弧以及发生故障电弧的次数，简洁直观；通过RS485接口与外界通信，进行远程监控；所述装置不仅能进行故障电弧监测，还能进行漏电检测、过流检测、欠压检测、过压检测以及电能质量分析，提供多种功能特性，使应用更为广泛。

附图说明

图1是本发明实施例中检测装置示意图；

图2是本发明实施例中检测系统流程图；

图3是本发明实施例中数据采集原理框图；

图4是本发明实施例中故障电弧检测流程图；

图5是本发明实施例中负载分类流程图；

图6是本发明实施例中阻性负载发生故障电弧电流波形图；

图7是本发明实施例中感性负载发生故障电弧电流波形图；

图8是本发明实施例中阻性负载各周期“平肩”比图；

图9是本发明实施例中感性负载各周期“平肩”比图；

图10是本发明实施例中阻性负载各周期频域导纳图；

图11是本发明实施例中感性负载各周期频域导纳图；

图12是本发明实施例中阻性负载瞬时频率图；

图13是本发明实施例中负载分类图；

图14是本发明实施例中各种负载特征量阈值图；

图15是本发明实施例中实验负载故障电弧检测概率图；

具体实施方式

下面结合实施例参照附图进行详细说明。

本发明的装置图如图1所示，一种新型故障电弧检测装置，该装置包括：电流连续采集模块1101，以固定采样率同步采集高精度电压电流数据，其中电压/电流同步数据采样的时钟高精度控制和增益AGC控制，如图3所示；信号分析与处理模块1102，该模块包括6个单元：过流检测单元S1与漏电检测单元S2，通过计算电流有效值并与阈值比较，判断电路中是否发生过流或漏电现象，当电路中发生过流或漏电现象时，发出脱扣信号；电能质量分析单元S3，利用快速频域分析法计算电路中电度，电压与电流谐波含量，有功与无功功率，并在液晶界面显示；过压检测单元S4与欠压检测单元S5，比较电路中电压与额定电压的大小，判断电路中是否发生欠压或过压现象，当电路中发生过压或欠压现象时，发出脱扣信号；故障电弧检测模块S6，首先进行负载分类，然后对采集的电压电流数据同时计算以下特征量：“平肩”比D1，频域导纳D2以及瞬时频率D3,并与对应的阈值进行比较，通过多个特征量联合判决，识别故障电弧，当电路中发生故障电弧时，发出声光报警和脱扣信号；通信模块1103，通过RS485接口与外界通信。液晶显示信号1104，可显示电能质量变量和故障电弧发生的次数；声光报警模块1105与脱扣控制模块1107，根据信号分析与处理模块发出的信号决定是否执行声光报警以及断开电路。所述装置的检测流程如图2所示。

本发明还公开了一种新型故障电弧检测方法，其流程如图4所示，包括如下步骤：

步骤1.所述装置上电后，判断电压幅值从负至正过零点标志位是否为零，若为零，将从该点以后的数据存储为实时采集数据，否则继续等待，直至标志位为零；

步骤2.对采集的电压电流数据同时进行以下处理：

步骤201.计算进线和出线的电流有效值分别为I1、I2，两者差值的模为ΔI；

步骤202.计算电路中的电压U；

步骤203.通过频域快速分析法，计算电路中电能质量变量，包括：电度，电压与电流谐波含量以及有功与无功功率；

步骤204.故障电弧特征量计算：

S1：连续采集前L个周期的电压与电流数据，L为预设值，可根据需要调整；计算电流相对于电压的相位是否超前或滞后，相位差的大小和电流奇次谐波含量，进行负载分类；

S2：计算每半个周期峰值附近若干个点与零点附近若干个点的比值，即电流“平肩”比D1，设置阈值D1_th为第一阈值；对电压与电流数据进行FFT，计算频域导纳D2，设置阈值D2_th为第二阈值；计算电流的瞬时频率D3，设置阈值D3_th为第三阈值；

步骤205.若满足(D2＞D2_th∩D3＞D3_th)∪D1＞D1_th,即某半周期频域导纳D2与瞬时频率D3均大于阈值，或“平肩”比D1大于阈值，则判定某半周期发生故障电弧，设置故障电弧次数为M，计数器M加1；

步骤3.信号输出：

S1：若1秒内M≥14，则判定该电路发生故障电弧，立即发出声光报警与断开开关信号，M清零；

S2：若S1＞S1_th(过流电流阈值)，则电路中发生过流现象；若ΔS＞S2_th(漏电电流阈值)，则电路中发生漏电现象，当U＞U1_th(过压电压阈值)或U＜U2_th(欠压电压阈值)，且持续大于一分钟电压变动，则电路中产生过压或欠压现象，以上四种情况均发出断开开关信号；

步骤4.声光报警模块与脱扣控制模块，根据信号分析与处理模块信号决定是否执行声光报警以及断开电路。

较优的，步骤204中负载分类流程如图5所示，具体步骤为：

S11.分别对电压与电流进行FFT，并得到电压与电流的相对谐波分量

分别为AU_k与AI_k，相位分别为与其中k＝0,1,2,3....N/2,N为每周期的采样点；

S12.比较与判断电流相对于电压的相位超前或者滞后，并计算相位差

S13.计算电流的前20次奇次谐波的相对谐波分量和Q:

较优的，步骤204中计算“平肩”比具体步骤：

S21.判断电流的零点：

S211.对某一周期电流进行FFT，得到基波复数A₂+B₂i,虚部与实部的

比值C₂＝B²/A₂；

S212.将区间均分为N个点，N为每周期的采样点数，每个点对应一个tan值；

S213.将C₂与tan值对比，得到相移点数P；

S214.根据A₂与B₂的正负，选取包含零点的半周期，其中该零点之前包含N/2个点，之后包含N/2-1个点或者该零点之前包含N/2-1个点，之后包含N/2个点；

S215.以上选取的半周期作为该周期的前半个周期，选取该周期后半周期与下半个周期组成一个周期，按照步骤S211～S214选择该周期的后半个周期。

S22.将每半个周期分为K等分，每等分N/2K个点，求个等分绝对值的和为SUM_k,(k＝1,2,3...K)；

S23.求峰值处X等分与零点处X等分的比值，即“平肩”比D1，X可根据实际情况调整，本发明中X＝2，“平肩”比

较优的，步骤204中频域导纳具体计算步骤：

S31.选择同步的电压与电流数据，对每周期的电压与电流进行FFT，得到电压与电流的幅值与相位分别为AU_k、AI_k、其中k＝1,2...,N/2；

S32.频域导纳即电流与电压相同次谐波的幅值相除，相位相减，各次谐波的导纳

S33.前20次奇次谐波和与偶次谐波和的比值即为每周期的频域导纳

$D2=\frac{\underset{k=1}{\overset{20}{\mathrm{\Σ}}}{G}_{2k}}{\underset{k=1}{\overset{20}{\mathrm{\Σ}}}{G}_{2k-1}}.$

较优的，步骤204中瞬时频率具体计算步骤：

S41.对电流每个周期进行FFT与负频率插“0”IFFT，利用希尔伯特-黄变换，将实信号变为复解析信号A[k]+B[k]i；

S42.每个周期的相位

S43.瞬时频率： $D3\left[k\right]=\frac{1}{1+{\left(C\right[k\left]\right)}^2}*\left(C\right[k+1]-C[k\left]\right),\left(C\right[k]=B[k]/A[k\left]\right).$

实施例

在实际验证过程中，实验典型负载包括：阻性负载和感性负载，分别以热水壶和吹风机为例，本发明采用以25.6kHz采样率采集电压与电流数据，阻性负载和感性负载发生故障电弧电流波形如图6-7所示，图中标记出发生故障电弧时电流波形的特征。图8-9为阻性负载与感性负载每周期“平肩”比图，其中包括正常周期和发生故障电弧周期，图10-11为阻性负载和感性负载每周期频域导纳图。图8-11,明显观察到负载发生故障电弧周期比正常工作周期“平肩”比和频域阻导纳均较大，因此，可作为判断故障电弧的可靠依据。图12为阻性负载某正常工作周期与发生故障电弧周期的瞬时频率图，图中可看出当负载发生故障电弧时，一个周期内瞬时频率在电流过零点处的小于阈值点的个数大于负载正常工作时的个数，因此通过判断一个周期瞬时频率值小于阈值的个数判断该周期是否发生故障电弧。

通过对多种负载(热水壶、吹风机、电磁炉等)电流相对于电压的相位差和电流奇次谐波相对含量的计算，将负载分为12类，如图13所示。各类负载的“平肩”比，频域导纳以及瞬时频率的阈值如图14所示。各种实验负载故障电弧检测概率与误检概率如图15所示。

各种负载故障电弧平均检测率达到98.8％，误检测率为0.29％。检测精度较高。

通过以上实施例中的技术方案对本发明进行清楚、完整的描述，显然所描述的实施例为本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (8)

1.一种新型故障电弧检测装置，其特征在于，包括：

电压电流连续采集模块，同步高精度采集电压电流数据；

信号分析与处理模块，完成将负载分类，提取过零点，并计算过零点附近波形的“平肩”比、频域导纳以及瞬时频率三个特征量，与对应的阈值进行对比，联合判断负载电路中是否发生故障电弧，并发出相应信号；

液晶显示模块，用于显示故障电弧发生的次数与电能质量变量；

通信模块，通过RS-485接口与外界通信；

声光报警模块，根据信号分析与处理模块的信号，决定是否执行声光报警；

脱扣控制模块，根据信号分析与处理模块的信号，决定是否执行断开负载电路。

2.根据权利要求1所述的新型故障电弧检测装置，其特征在于：所述检测装置还能够实现以下功能：电能质量分析、漏电检测、过流检测、过压检测以及欠压检测。

3.根据权利要求2所述的串联故障电弧检测装置，其特征在于：所述电能质量变量包括电度、电压与电流谐波含量以及有功与无功功率。

4.一种新型故障电弧检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1.所述装置上电后，判断电压幅值从负至正过零点标志位是否为零，若为零，将从该点以后的数据存储为实时采集数据，否则继续等待，直至标志位为零；

步骤2.对采集的电压电流数据同时进行以下处理：

步骤201.计算进线和出线的电流有效值分别为I1、I2，两者差值的模为ΔI；

步骤202.计算电路中的电压U；

步骤203.通过频域快速分析法，计算电路中电能质量变量，包括：电度、电压与电流谐波含量以及有功与无功功率；

步骤204.故障电弧特征量计算：

S1：连续采集前L个周期的电压与电流数据，L为预设值，可根据需要调整；计算电流相对于电压的相位是否超前或滞后，相位差的大小和电流奇次谐波含量，进行负载分类；

S2：计算每半个周期峰值附近若干个点与零点附近若干个点的比值，即电流“平肩”比D1，设置阈值D1_th为第一阈值；对电压与电流数据进行FFT，计算频域导纳D2，设置阈值D2_th为第二阈值；计算电流的瞬时频率D3，设置阈值D3_th为第三阈值；

步骤205.若满足(D2＞D2_th∩D3＞D3_th)∪D1＞D1_th,即某半周期频域导纳D2与瞬时频率D3均大于阈值，或“平肩”比D1大于阈值，则判定某半周期发生故障电弧，设置故障电弧次数为M，计数器M加1；

步骤3.信号输出：

S1：若1秒内M≥14，则判定该电路发生故障电弧，立即发出声光报警与断开开关信号，M清零；

S2：若S1＞S1_th(过流电流阈值)，则电路中发生过流现象；若ΔS＞S2_th(漏电电流阈值)，则电路中发生漏电现象，当U＞U1_th(过压电压阈值)或U＜U2_th(欠压电压阈值)，且持续大于一分钟电压变动，则电路中产生过压或欠压现象，以上四种情况均发出断开开关信号；

步骤4.声光报警模块与脱扣控制模块，根据信号分析与处理模块信号，决定是否执行声光报警以及断开负载电路。

5.根据权利要求4所述的新型故障电弧检测方法，其特征在于，步骤204所述的对负载进行分类包括：

步骤S11.分别对电压与电流进行FFT，并得到电压与电流的相对谐波分量分别为AU_k与AI_k，相位分别为与其中k＝0,1,2,3....N/2,N为每周期的采样点；

步骤S12.比较与判断电流相对于电压的相位超前或者滞后，并计算相位差

步骤S13.计算电流的前20次奇次谐波的相对谐波分量和Q: $Q=\underset{m=1}{\overset{20}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{AI}}_{2*m-1}.$

6.根据权利要求4所述的新型故障电弧检测方法，其特征在于，步骤204所述的“平肩”比计算：

步骤S21.判断电流的零点：

步骤S211.对某一周期电流进行FFT，得到基波复数A₂+B₂i,虚部与实

部的比值C₂＝B₂/A₂；

步骤S212.将区间分为N个点，N为每周期的采样点数，每个点对应一个tan值；

步骤S213.将C₂与tan值对比，得到相移点数P；

步骤S214.根据A₂与B₂的正负，选取包含零点的半周期，其中该零点之前包含N/2个点，之后包含N/2-1个点或者该零点之前包含N/2-1个点，之后包含N/2个点；

步骤S215.以上选取的半周期作为该周期的前半个周期，选取该周期后半周期与下半个周期组成一个周期，按照步骤S211～S214选择该周期的后半个周期；

步骤S22.将每半个周期分为K等分，每等分N/2K个点，求每个等分绝对值的和为SUM_k,(k＝1,2,3...K)；

步骤S23.求峰值出X等分与零点处X等分的比值，即“平肩”比D1，X可根据实际情况调整，本发明中X＝2，“平肩”比

7.根据权利要求4所述的新型故障电弧检测方法，其特征在于，步骤204所述的频域导纳计算：

步骤S31.选择同步的电压与电流数据，对每周期的电压与电流进行FFT，得到电压与电流的幅值与相位分别为AU_k、AI_k、其中k＝1,2...,N/2；

步骤S32.频域导纳即电流与电压相同次谐波的幅值相除，相位相减，各次谐波的导纳

步骤S33.前20次奇次谐波和与偶次谐波和的比值即为每周期的频域导纳 $D2=\frac{\underset{k=1}{\overset{20}{\mathrm{\Σ}}}{G}_{2k}}{\underset{k=1}{\overset{20}{\mathrm{\Σ}}}{G}_{2k-1}}$

8.根据权利要求4所述的新型故障电弧检测方法，其特征在于，步骤204所述的瞬时频率计算：

步骤S41.对电流每个周期进行FFT与负频率插“0”IFFT，；利用希尔伯特-黄变换，将实信号变为复解析信号A[k]+B[k]i；

步骤S42.每个周期的相位

步骤S43.瞬时频率： $D3\left[k\right]=\frac{1}{1+{\left(C\right[k\left]\right)}^2}*\left(C\right[k+1]-C[k\left]\right),\left(C\right[k]=B[k]/A[k\left]\right).$