CN105223427B - 故障电弧的检测方法和检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种故障电弧的检测方法和检测装置。所述方法包括：(a)依据由一电路的电流值I、和电压V值与电极之间的距离g确定的所述电路故障电弧的电阻模型计算该电路故障电弧的电阻特征值R_model；(b)获取所述电路的瞬时阻抗值Z；和(c)当所述电路的瞬时阻抗值与所述故障电弧的电阻特征值R_model的相似度小于预定的范围时，确定所述电路出现故障电弧。上述检测装置能够通过仅仅检测瞬时阻抗值即可检测故障电弧，不再需要光传感器和射频传感器等。同时，能够大大地降低故障电弧检测的设备成本、安装成本和维护成本。

Description

故障电弧的检测方法和检测装置

技术领域

本发明涉及电路领域，具体涉及一种故障电弧的检测方法和装置。

背景技术

用电引起的电气火灾逐年上升，已成为引发火灾的最主要原因。现有的过电流保护电器和剩余电流保护电器不能降低由于电弧故障引起的电气火灾危险，这类电气火灾事故约占整个电气火灾的30％左右。电弧故障检测装置是一种新颖的电弧故障保护电器，它能检测电气线路中的电弧故障，并在引发电气火灾以前切断电路，有效地防止终端电路的电弧故障引起的电气火灾。电弧故障断路器弥补了其他保护装置的不足，极大地提高了电气火灾的防护水平。

一些现有的电弧故障检测装置和方法是利用光传感器检测弧光的强度等物理特征作为故障电弧的识别特征。这种检测装置和方法存在如下缺陷。

首先，光传感器对干扰光(例如太阳光或者电路中设备发出的闪烁光)比较敏感。因此容易出现检测错误。其次，光传感器需要安装和维护，光信号需要转换成电信号，同时还需要传输电信号，这导致电弧故障检测装置比较复杂，成本也比较高。

发明内容

本发明实施例提供了一种故障电路的检测方法，该方法能够更准确、更简单地检测故障电弧。

本发明的一个实施例提供一种故障电弧的检测方法，该方法包括：(a)依据由一电路的电流值I、和电压V值与电极之间的距离g确定的所述电路故障电弧的电阻模型计算该电路故障电弧的电阻特征值R_model；(b)获取所述电路的瞬时阻抗值Z；和(c)当所述电路的瞬时阻抗值与所述故障电弧的电阻特征值R_model的相似度小于预定的范围时，确定所述电路出现故障电弧。

这里需要说明两点。第一，步骤(a)中所述的“一电路”中的“一”并不限定电路的个数，也就是说该方法可以用于检测多个电路(比如一个电力系统的多个支路)的故障电路。第二，可以先执行步骤(a)，再执行步骤(b)，也可以先执行步骤(b)，再执行步骤(a)。这都在权利要求的保护范围之内。第三，这里的“电极”是指电路中产生电弧的电极，其可以为电路的电源的电极(例如三相四线电力系统的相线和零线)，也可以指断路器的阴极和阳极(即断路器的两个触点)，这取决于待检测的电弧的位置。第四，本发明所述电路的电源可以为直流电源和交流电源(2相和3相交流电均可)。

优选，所述步骤(b)进一步包括：(b1)采样所述电路的瞬时电流值和电压值；(b2)基于采样获得的瞬时电流值和电压值计算所述电路的瞬时阻抗值Z。

优选，所述方法还包括：(d)在确定电路中出现故障电弧时，使该电路中的灭弧器和断路器动作。

优选，所述电路为三相四线制电力系统中的电路，步骤(a)中所述电路故障电弧的电阻模型为

其中，I_arc为电路中故障电弧的电流值，V_LL为所述电力系统的相电压。

优选，步骤(c)进一步为：当所述电路在指定时间内的瞬时阻抗值Z与所述故障电弧的电阻特征值R_model的相似度满足下述关系式时，确定电路出现故障电弧，所述关系式为(R_model-Z)/Z≤预定值。

上述方法能够通过仅仅检测瞬时阻抗值即可检测故障电弧，不再需要其它物理信号，包括弧光信号和射频信号等。同时，也不再需要将物理信号转换成电信号进行传输。这使得操作简单，同时能够大大地降低用于故障电弧检测的设备成本、安装成本和维护成本。

本发明的另外一个实施例还公开了一种故障电弧的检测装置，该装置包括：故障电弧的电阻特征值计算模块，依据由一电路的电流值I、和电压V与电极之间的距离g确定的所述电路的故障电弧的电阻模型计算该电路故障电弧的电阻特征值R_model，瞬时阻抗值获取模块12，用于获取所述电路的瞬时阻抗值Z；故障电弧确定模块，用于当所述电路的瞬时阻抗值与所述故障电弧的电阻特征值R_model的相似度小于预定的范围时，确定出现故障电弧。

优选，所述瞬时阻抗值获取模块进一步包括：采样模块，用于采样所述电路的瞬时电流值和电压值；瞬时阻抗计算模块，用于基于采样获得的瞬时电流值和电压值计算所述电路的瞬时阻抗值Z。

优选，所述检测装置还包括控制模块，用于在确定电路中出现故障电弧时，使该电路中的灭弧器和断路器动作。

优选，所述电路为三相四线制电力系统中的电路，所述故障电弧的电阻特征值计算模块11中电路故障电弧的电阻模型为

其中，I_arc为电路中故障电弧的电流值，V_LL为所述电力系统的相电压。

优选，故障电弧确定模块13进一步用于：当所述电路在指定时间内的瞬时阻抗值Z与所述故障电弧的电阻特征值R_model的相似度满足下述关系式时，确定电路出现故障电弧，(R_model-Z)/Z≤预定值。

上述检测装置能够通过仅仅检测瞬时阻抗值即可检测故障电弧，不再需要光传感器和射频传感器等。同时，也不再需要模数转换器等将采集的物理信号转换成电信号的设备，和传输电信号的设备。这能够大大地降低故障电弧检测的设备成本、安装成本和维护成本。

本发明的另外一个实施例还公开了一种机器可读的存储介质，其特征在于，存储用于使所述机器执行上面所述的检测方法的指令。

本发明的再一个实施例还公开了一种计算机程序，其特征在于，当所述计算机程序运行于一机器中时使所述机器执行上面所述的检测方法。

附图说明

图1是应用本发明故障电弧检测方法的一种电力系统的结构示意图；

图2是电弧电阻的一种等效电路图；

图3使本发明实施例中一种故障电弧检测方法的流程图；

图4为本发明一个实施例中故障电弧检测装置的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，以下举例对本发明实施例进行进一步的详细说明。

图1是应用本发明故障电弧检测方法的一种电力系统的示意图。该电力系统由三相四线制的电网供电。电流从上方流入该电力系统，从下方流出该电力系统。为下文描述方便，这里将该电力系统上游的支路称为电路A，下游的两个支路分别称为电路B和电路C。这里所谓的“上游”和“下游”是相对于电流的方向而言的。电路A、电路B、电路C上均设置有用于断开或者闭合该电路的断路器1，检测该电路瞬时电流的电流传感器2，和检测该电路瞬时电压的电压传感器3。断路器1可为空气断路器(ACB)、塑壳断路器等低压断路器(MCCB)和微型断路器(MCB)等。电流传感器2可以为空芯电流互感器，铁芯电流互感器或者霍尔电流传感器，其可以安装在各个断路器1上。电压传感器3可以为电磁式电压互感器、电容式电压互感器、霍尔电压传感器等。当然，上述电力系统中也可以不设置电流传感器2和电压传感器3，其可以直接接收由其它检测部件检测的电路的瞬时电流值和瞬时电压值。该电力系统还设有灭弧器4，其为能够在发生故障电弧时快速灭弧的任何装置，例如可以为能够产生金属短路的灭弧器。当灭弧器4接收到某个电路发送的灭弧指令时会动作。

图2是电弧电阻的一种等效电路图；如图2所示，该等效的电路包括交变电压源V_PH、系统线路电阻R与电感jX，和电弧产生的的电阻Rarc。电弧上产生的电压为Varc，电流为Iarc。对于三相四线制电力系统中的电路而言，其中V_LL为电网的线电压。当出现故障电弧靠近监测点时，该电路瞬时阻抗值Z能够反应故障电弧产生的电阻Rarc。本发明就是利用该特点，通过比较由电阻模型计算出的一电路的故障电弧的瞬时电阻特征值和瞬时阻抗值Z来确定是否出现故障电弧。

图3是本发明实施例中一种故障电弧的检测方法的流程图。该故障电弧的检测方法包括如下步骤：(a)依据由一电路的电流值I和电压值V与电极之间的距离g确定的所述电路故障电弧的电阻模型计算该电路故障电弧的电阻特征值R_model；(b)获取所述电路的瞬时阻抗值Z；和(c)当所述电路的瞬时阻抗值与所述故障电弧的电阻特征值R_model的相似度小于预定的范围时，确定所述电路出现故障电弧。

具体而言，在步骤(a)中，依据电路故障电弧的电阻模型计算故障电弧的瞬时电阻特征值R_model。故障电弧的电阻模型是由三个参数：电路的电流值I、电路的电压值V和电极之间的距离g决定的。模型中这三个参数具体的数学关系可以借助经验数据或者仿真数据得出。

同时，现在已建立有多种计算电路故障电弧的瞬时电阻特征值R_model的模型。对三相四线电力系统中的电路而言，由Ravel F等在2008年公开的期刊《2008年第55届IEEE石油化工行业会议》(英文名为2008 55th IEEE Petroleum and Chemical IndustryTechnical Conference)上发表的名称为《电弧模型和电弧闪光入射能量比较研究》(英文名称为Comparative study of arc modeling and arc flash incident energyexposures)的论文中给出了一种模型公式(1)：

在该模型中，I_arc为故障电弧电流的有效值(参见图2所示)。现有多种方式计算I_arc。例如，可以采用本申请人在先申请的中国专利CN102798753A(公开日为2012年11月28日)中公开的确定电流峰值I_peak的模型，因为这里全文引用的方式包含上述专利申请说明书中的全部内容。概括而言，该模型是利用瞬时电流值，基于针对电路的欧姆定律等式，预测电路的电流峰值I_peak，经过推导，可以得出如下模型公式(2)：

公式(2)中包括三个未知量的组合P、Q、γ，利用在至少三个时间采样点获得的瞬时电流i(t)和相应的i(t)积分值I(t)＝∫i(t)dt就可以计算出P、Q、γ的值。进而可以算出与上述时间采样点对应的电流峰值I_peak。另外，还可以采用利用非线性微分的动态模型，灰色预测模型中的Verhulst算法等预测电路的电流峰值I_peak。得到I_peak后即可得出I_arc。

模型公式(2)中的另外两个参数V_LL为电路所在电力系统的相电压，g为电极之间的距离。对于一个既定的电力系统而言，V_LL是已知值。这里的“电极”是指产生电弧的电极，其可以为电路的电源的电极，例如三相四线电网的两个相线。电极之间的距离即是指相线之间的距离。电极也可以指断路器的阴极和阳极，这取决于待检测的电弧的位置。

在步骤(b)中，利用电流传感器2和电压传感器3连续地检测电路上的瞬时电流值和瞬时电压值，并基于获得的瞬时电流值和瞬时电压值计算该电路的瞬时阻抗值Z，计算出的瞬时阻抗值Z反应该电路的阻抗负载。当出现故障电弧时，电弧产生不断变化的的电阻Rarc，此时计算出的瞬时阻抗值Z能够反应故障电弧的电阻。

最后，在步骤(c)中，当所述电路的瞬时阻抗值与所述故障电弧的电阻特征值R_model的相似度小于预定的范围时，确定所述电路出现故障电弧。相似度的预定范围可以根据经验设定，也可以通过仿真的方式确定。例如，针对图1示出的电路A，设定条件(R_model-Z)/Z≤20％，当瞬时阻抗值Z与故障电弧的电阻特征值R_model满足该条件时，确定电路中出现故障电弧。为确保检测故障电弧的可靠性，还可以进一步设定，电路在一段时间内(例如1号秒内)，如果瞬时阻抗值Z与故障电弧的电阻特征值R_model的相似度始终满足条件(R_model-Z)/Z≤20％时，确定电路出现故障电弧。

本发明的故障电弧检测方法还可以包括：(d)在确定电路中出现故障电弧时，使该电路中的灭弧器4和断路器1动作，从而实现保护电路和预防发生火灾的目的。

上述步骤(a)、(b)、(c)、(d)中的模型公式和判断条件可以嵌在断路器1的脱口器ETU(Electronic Trip Unit)中，利用脱扣器的处理器执行本方法。即，断路器1接收电流传感器2和电压传感器3采集的瞬时电流值和电压值，并基于瞬时电流值和电压值计算电路的瞬时阻抗值Z。并依据存储于其中的故障电弧的电阻模型计算电路故障电弧的电阻特征值R_model。依据存储于其中的相似度条件判断是否出现故障电弧。当确定出现故障电弧时，向断路器1和灭弧器4发送动作信号。当然，也可以设置一个单独的处理器来执行该算法。

可以看出，上述实施例提供的故障电弧检测方法能够通过仅仅检测瞬时阻抗值即可检测故障电弧，不再需要光传感器和射频传感器等。同时，也不再需要模数转换器等将采集的物理信号转换成电信号的设备，和传输电信号的设备。这能够大大地降低故障电弧检测的设备成本、安装成本和维护成本。

图4为本发明实施例中故障电弧检测装置的结构示意图。如图4所示，该检测装置包括：故障电弧的电阻特征值计算模块11，依据由一电路的电流值I和电压值V与电极之间的距离g确定的所述电路的故障电弧的电阻模型计算该电路故障电弧的瞬时电阻特征值R_model，瞬时阻抗值获取模块12，用于获取所述电路的瞬时阻抗值Z；故障电弧确定模块(13)，用于当所述电路的瞬时阻抗值与所述故障电弧的电阻特征值R_model的相似度小于预定的范围时，确定所述电路出现故障电弧。

优选，瞬时阻抗值获取模块12进一步包括：采样模块(121)，用于采样所述电路的瞬时电流值和电压值；和瞬时阻抗计算模块(122)，用于基于采样获得的瞬时电流值和电压值计算所述电路的瞬时阻抗值Z。

优选，检测装置还包括控制模块(14)，用于在确定电路中出现故障电弧时，使该电路中的灭弧器和断路器动作。

优选，所述电路为三相四线制电力系统中的电路，所述故障电弧的电阻特征值计算模块(11)中电路故障电弧的电阻模型为

其中，I_arc为电路中故障电弧电流的有效值，V_LL为所述电力系统的相电压。

优选，故障电弧确定模块13还用于：当所述电路在指定时间内的瞬时阻抗值Z与所述故障电弧的电阻特征值R_model的相似度满足下述关系式时，确定所述电路出现故障电弧，所述关系式为(R_model-Z)/Z≤预定值。

本领域的技术人员知晓，上述检测装置的各个模块不仅可以用软件实现，还可以用现场可编程门阵列(FPGA)、ASIC芯片、复杂可编程逻辑芯片CPLD(Complex ProgrammableLogic Device)等硬件电路实现。

下面的表1列出了对本发明的验证结果。表1中示出了11个测试样例，这些样例是根据国际标准IEC/TR 61641封闭式低压开关设备和控制设备--内部故障引起电弧情况下的测试指南获得的。表中第一列为测试样例的文件名，第二列为三相线的相名，第三列为依据本发明的故障电弧的检测方法和装置检测出各相线故障电弧的时间，第四列为依据本发明的故障电弧的检测方法和装置检测出故障电弧的最小时间。这些测试样例验证了本发明能够准确及时地检测出全部的故障电弧(第三列中空白栏表示未能依据该相线检测出故障电弧)。

表1

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。在具体的实施过程中可对根据本发明的优选实施例进行适当的改进，以适应具体情况的具体需要。因此可以理解，本文所述的本发明的具体实施方式只是起示范作用，并不用以限制本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种故障电弧的检测方法，包括：

(a)依据由一电路的电流值I和电压值V与电极之间的距离g确定的所述电路故障电弧的电阻模型计算该电路故障电弧的电阻特征值R_model；

(b)获取所述电路的瞬时阻抗值Z；和

(c)当所述电路的瞬时阻抗值与所述故障电弧的电阻特征值R_model的相似度小于预定的范围时，确定所述电路出现故障电弧，

其中，所述电路为三相四线制电力系统中的电路，步骤(a)中所述电路故障电弧的电阻模型为

其中，I_arc为电路中故障电弧的电流值，V_LL为所述电力系统的相电压。

2.根据权利要求1所述的检测方法，其中所述步骤(b)进一步包括：

(b1)采样所述电路的瞬时电流值和电压值；

(b2)基于采样获得的瞬时电流值和电压值计算所述电路的瞬时阻抗值Z。

3.根据权利要求1所述的检测方法，所述方法还包括：(d)在确定电路中出现故障电弧时，使该电路中的灭弧器和断路器动作。

4.根据权利要求1所述的检测方法，其中步骤(c)进一步为：当所述电路的瞬时阻抗值Z与所述故障电弧的电阻特征值R_model的相似度满足下述关系式时，确定电路出现故障电弧，所述关系式为(R_model-Z)/Z≤预定值。

5.一种故障电弧的检测装置，包括：

故障电弧的电阻特征值计算模块(11)，依据由一电路的电流值I和电压值V与电极之间的距离g确定的所述电路的故障电弧的电阻模型计算该电路故障电弧的瞬时电阻特征值R_model，

瞬时阻抗值获取模块(12)，用于获取所述电路的瞬时阻抗值Z；

故障电弧确定模块(13)，用于当所述电路的瞬时阻抗值与所述故障电弧的电阻特征值R_model的相似度小于预定的范围时，确定所述电路出现故障电弧，

其中，所述电路为三相四线制电力系统中的电路，所述故障电弧的电阻特征值计算模块(11)中电路故障电弧的电阻模型为

其中，I_arc为电路中故障电弧的有效值，V_LL为所述电力系统的相电压。

6.如权利要求5所述的故障电弧的检测装置，其中所述瞬时阻抗值获取模块(12)进一步包括：

采样模块(121)，用于采样所述电路的瞬时电流值和电压值；和

瞬时阻抗计算模块(122)，用于基于采样获得的瞬时电流值和电压值计算所述电路的瞬时阻抗值Z。

7.根据权利要求5所述的检测装置，所述检测装置还包括控制模块(14)，用于在确定电路中出现故障电弧时，使该电路中的灭弧器和断路器动作。

8.根据权利要求5所述的检测装置，其中故障电弧确定模块(13)进一步用于：当所述电路在指定时间内的瞬时阻抗值Z与所述故障电弧的电阻特征值R_model的相似度满足下述关系式时，确定所述电路出现故障电弧，所述关系式为(R_model-Z)/Z≤预定值。

9.一种机器可读的存储介质，其特征在于，存储用于使一机器执行根据权利要求1-4中任一所述的方法的指令。