CN107370123B - 电弧故障检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种电弧故障检测装置，串接在上级电路和负载之间，包括：电压采样模块，采样电路中的工频电压。电流采样模块，包括电流互感器和采样电路，电流互感器上具有第一绕组和第二绕组，第一绕组采集电流，第二绕组施加测试波形。信号处理模块，对电压采样模块采集的电压信号和电流采样模块采集的电流信号进行处理。控制模块，接收经过信号处理模块处理的电压和电流信号，判断是否存在电弧故障，如果存在电弧故障，发出脱扣指令。波形发生模块，受控制模块的控制，波形发生模块产生测试波形，测试波形由第二绕组施加。电源模块，为上述各个模块提供电源。脱扣模块，执行脱扣动作。上述各模块容纳于一外壳内。

Description

电弧故障检测装置

技术领域

本发明涉及低压电器领域，更具体地说，涉及电弧故障检测技术。

背景技术

随着电气化进程的提高，电气线路成为建筑物中不可或缺的部分。同时，电气故障带来的事故和损失也在增加。电气故障中由于各种类型的电弧故障引发的火灾事故占据了电气故障事故的主要比重。电气火灾事故对人们的生命和财产造成越来越大的威胁。

由于电弧故障不一定表现为电流异常，因此传统的电气保护设备，例如过电流保护电器和剩余电流保护电器对电弧故障不能很好地检测和防护，因此对于电弧故障引起的事故并不能起到有效的防护作用。于是，电弧故障检测装置作为检测电弧故障的保护电气，对于防范电弧故障引发的各种事故具有不可替代的作用。

在实际用电环境中，开关频繁操作、插头插拔的瞬间、线路中各种复杂负载的存在，甚至接触不良或松动等等均可能导致故障电弧的发生。在实际操作中，利用弧光检测或温度等等外在物理现象检测电弧是不具备可操作性的。产生弧光或温度上升是较严重电弧的附加现象，一方面出现弧光或温度上升时，电弧已经产生一段时间，事故可能已经发生，无法起到防范的作用。另一方面，相对较弱的电弧未必产生弧光或出现显著的温度上升，从而无法被检测到，但这些相对较弱的电弧同样会引发电弧故障事故。

可行的电弧故障检测方法是通过电流和/或电压的检测实现。但电弧故障信号较为复杂，其表现形式与一些复杂负载环境下的工作电流类似，所以容易造成误判或者漏判。如何能够准确有效地识别出电弧故障，并且不局限于特定的电弧故障类型，是业内所希望的。

发明内容

本发明旨在提出一种电弧故障检测装置，电弧故障检测装置串接在上级电路和负载之间，电弧故障检测装置包括：电压采样模块、电流采样模块、信号处理模块、控制模块、波形发生模块、电源模块和脱扣模块。电压采样模块采样电路中的工频电压。电流采样模块包括电流互感器和采样电路，电流互感器上具有第一绕组和第二绕组，第一绕组采集电流，第二绕组施加测试波形。信号处理模块对电压采样模块采集的电压信号和电流采样模块采集的电流信号进行处理。控制模块接收经过信号处理模块处理的电压和电流信号，判断是否存在电弧故障，如果存在电弧故障，发出脱扣指令。波形发生模块受控制模块的控制，波形发生模块产生测试波形，测试波形由第二绕组施加。电源模块为上述各个模块提供电源。脱扣模块执行脱扣动作。电压采样模块、电流采样模块、信号处理模块、控制模块、波形发生模块、电源模块和脱扣模块容纳于一外壳内。

在一个实施例中，电压采样模块通过电阻分压的方式实现，电压采样模块采样电弧故障检测装置前端的电压。

在一个实施例中，电压采样模块采样的电弧故障检测装置前端的电压波形异常且电压有效值小于正常值，判断电弧故障出现在电弧故障检测装置前端，电压采样模块采样的电弧故障检测装置前端的电压波形和电压有效值正常，判断电弧故障出现在电弧故障检测装置后端。

在一个实施例中，电流采样模块包括：

工频电流互感器和低频采样电路，采样工频电流信号；

高频电流互感器和高频采样电路，采样高频电流信号。

在一个实施例中，工频电流互感器的骨架为硅钢片，高频电流互感器的骨架为铁镍钼粉芯。

在一个实施例中，工频电流互感器和高频电流互感器上各自具有第一绕组和第二绕组，第一绕组的缠绕密度高于第二绕组。第一绕组连接到电流采样模块，第二绕组连接到波形发生模块。

在一个实施例中，波形发生模块响应于测试按键而触发，波形发生模块产生模拟故障电弧的波形作为测试波形，模拟电弧故障的波形具有随机性，并且满足故障电弧的幅度。

在一个实施例中，电源模块为开关电源，为上述的各个模块提供直流电源。

在一个实施例中，脱扣模块包括磁通脱扣器、可控硅及相关电路，脱扣模块执行脱扣动作以分断电路，脱扣模块连接到电路的开关，脱扣模块脱扣时断开开关以分断电路。

根据本发明的一实施例，还提出一种电弧故障检测装置，该电弧故障检测装置串接在上级电路和负载之间。该电弧故障检测装置包括：电压采样模块、电流采样模块、信号处理模块、控制模块、电源模块和脱扣模块。电压采样模块采样电路中的工频电压。电流采样模块包括电流互感器和采样电路，电流互感器上具有第一绕组和第二绕组，第一绕组采集电流，第二绕组施加测试波形。信号处理模块对电压采样模块采集的电压信号和电流采样模块采集的电流信号进行处理。控制模块，接收经过信号处理模块处理的电压和电流信号，判断是否存在电弧故障，如果存在电弧故障，发出脱扣指令，控制模块还产生测试波形，测试波形由第二绕组施加。电源模块，为上述各个模块提供电源。脱扣模块执行脱扣动作。电压采样模块、电流采样模块、信号处理模块、控制模块电源模块和脱扣模块容纳于一外壳内。

本发明的电弧故障检测装置通过电弧故障检测装置前端的电压检测，能够识别电弧故障相对于电弧故障检测装置的位置，从而降低误动作的可能性。

附图说明

本发明上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变的更加明显，在附图中相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：

图1揭示了根据本发明的一实施例的电弧故障检测装置的结构框图。

图2揭示了根据本发明的一实施例的电弧故障检测装置区分电弧发生位置的示意图。

图3揭示了根据本发明的一实施例的电弧故障检测装置中互感器线圈绕组的示意图。

图4揭示了根据本发明的一实施例的电弧故障检测装置中使用的电弧故障检测方法的流程图。

图5揭示了根据本发明的一实施例的电弧故障检测装置中使用的电弧故障检测方法的实现过程。

图6揭示了根据本发明的一实施例的电弧故障检测装置中使用的电弧故障检测方法中并联电弧故障判断方法的流程图。

图7揭示了根据本发明的一实施例的电弧故障检测装置中使用的电弧故障检测方法中并联电弧故障的判断过程。

图8揭示了根据本发明的一实施例的电弧故障检测装置中使用的电弧故障检测方法中串联电弧故障的判断方法的流程图。

图9揭示了根据本发明的一实施例的电弧故障检测装置中使用的电弧故障检测方法中串联电弧故障的判断过程。

图10揭示了根据本发明的另一实施例的电弧故障检测装置的结构框图。

具体实施方式

图1揭示了根据本发明的一实施例的电弧故障检测装置的结构框图。如图1所示，该电弧故障检测装置包括：电压采样模块412、电流采样模块413、信号处理模块416、电源模块415、脱扣模块419、控制模块417、波形发生模块414及外壳(外壳在图7中未示出)。

电压采样模块412通过电阻分压方式实现，电压采样模块412连接到线路中“L”相，电压采样模块412用以得到线路中的工频电压信号。利用该工频电压信号可分辨电弧发生位置与电弧故障检测装置之间的位置关系，可避免电弧发生在电弧故障检测装置前端时出现电弧故障检测装置误动作的现象(下面会结合图2详细描述)。

电流采样模块413具有两个互感器：工频电流互感器409和高频电流互感器410。工频电流互感器409和高频电流互感器410均围绕在线路中的“L”相上，由“L”相中的电流变化产生感应电流。工频电流互感器409的骨架为硅钢片，经过低频采样电路(低频采样电路包含在电流采样模块413中)后得到线路中的工频电流信号。高频电流互感器410的骨架为铁镍钼粉芯，经过高频采样电路(高频采样电路包含在电流采样模块413中)后得到线路中的高频电流信号。如图所示，工频电流互感器409和高频电流互感器410上均缠绕有两组绕组。工频电流互感器409上具有缠绕较密的绕组1-2和缠绕较疏的绕组3-4、高频电流互感器410上具有缠绕较密的绕组5-6和缠绕较疏的绕组7-8。缠绕较密的绕组1-2和5-6用于采集线路中的工作电流，缠绕较疏的绕组3-4和7-8用于施加测试波形，以产生参考电流和电压来测试电弧故障检测装置的可靠性(下面会结合图3详细描述)。

信号处理模块416将电压采样模块采集的电压信号和电流采样模块采集的电流信号进行处理，例如进行滤波、限幅等处理后送入控制模块417。

控制模块417分析从信号处理模块416接收的经过处理的电压及电流信号，执行下面结合图4～图9会详细描述的电弧故障检测方法来判断是否存在电弧故障，如果存在电弧故障，则发出脱扣指令指示脱扣模块419进行脱扣。

波形发生模块414受到控制模块417的控制，波形发生模块414产生测试波形。波形发生模块414用于下述执行图4中的步骤103，测试步骤。响应于按键触发，波形发生模块414产生预先存储的模拟故障电弧的波形。模拟电弧故障的波形由单片机的I/O接口通过输出电平的变化产生测试波形。该模拟电弧故障的波形需要具备故障电弧的特征，即需要具有随机性，并且满足故障电弧的幅度。在图示的实施例中，控制模块417连接到测试按键418，按下测试按键418，则通过控制模块417使得波形发生模块414产生测试波形。

电源模块415为开关电源，为上述的各个模块提供直流电源。

脱扣模块419用于执行脱扣动作。脱扣模块419包括磁通脱扣器、可控硅及其他相关电路，用于执行脱扣动作以分断电路。脱扣模块419连接到电路的开关420，脱扣模块419脱扣时断开开关420以分断电路。

该电弧故障检测装置用于检测并保护线路411，线路411包括“L”相和“N”相。

关于控制模块417和波形发生模块414的工作原理会在下面结合图4～图9进行描述。

图2揭示了根据本发明的一实施例的电弧故障检测装置区分电弧发生位置的示意图。如图2所示，上级电路502、电弧故障检测装置504和负载506形成如图2所示的连接模式。电弧故障可能发生在上级电路502与电弧故障检测装置504之间，即电弧故障检测装置504的前端，在图2中标识为A处。电弧故障也有可能发生在电弧故障检测装置504和负载506之间，即电弧故障检测装置504的后端，在图2中标识为B处。对于A处发生的电弧故障，由于处于电弧故障检测装置的前端，多数是由于上级电路故障引发，并非负载故障，所以电弧故障检测装置不需要动作。对于B处发生的电弧故障，位于电弧故障检测装置的后端，多数是由于负载故障引发，需要电弧故障检测装置动作。无论是A处还是B处产生的电弧故障，在电流的表现上均会出现异常，因此在很多情况下，仅通过检测电流会引起电弧故障检测装置的误动作，对于A处发生的电弧故障也会动作分断电路。

但从电压的角度，A处和B处的电弧故障具有不同的电压特性：若电弧故障位于A处，在电弧故障检测装置的前端，则电弧故障检测装置与电弧串联于线路中，两者产生一个分压关系，电弧故障检测装置两端的电压波形将不会是完整的正弦波，而是一种带平肩的或者更加畸形的波形，电压有效值也会比正常情况小。出现此种电压特征，则说明电弧故障出现于A处，电弧故障检测装置不需要动作。若电弧故障位于B处，在电弧故障检测装置的后端，则负载与电弧串联于线路中，负载上的电压波形会发生变化，但是电弧故障检测装置两端的电压波形是负载与电弧的电压之和，不会产生变化。如果出现此种电压特征，说明电弧故障出现在B处，需要电弧故障检测装置动作。利用上述的特点，通过检测电弧故障检测装置前端的电压信号可知道电弧发生位置与电弧故障检测装置之间的位置关系，从而避免电弧在A处出现时引起电弧故障检测装置的误动作。本发明的电压采样模块412采样的电压是电弧故障检测装置前端的电压，利用电弧故障检测装置前端的电压可以实现对于电弧故障发生位置的识别。

图3揭示了根据本发明的一实施例的电弧故障检测装置中互感器线圈绕组的示意图。如上面所介绍的，本发明的电弧互感器上具有两组绕组，由此可以实现通过测试波形对电弧故障检测装置的测试。如图3所示，工频电流互感器409上具有缠绕较密的绕组1-2和缠绕较疏的绕组3-4、高频电流互感器410上具有缠绕较密的绕组5-6和缠绕较疏的绕组7-8。参考图1所示，缠绕较密的绕组1-2和5-6用于采集线路中的工作电流并连接到电流采样模块413。缠绕较疏的绕组3-4和7-8连接到波形发生模块414。波形发生模块414产生的测试波形通过绕组3-4和7-8施加于互感器409和410上，以产生参考电流和电压。当测试波形通过绕组3-4和7-8施加于互感器409和410上时，会产生相应的感应电流，感应电流被绕组1-2和5-6采集并提供给电流采样模块413。同时，在测试波形的作用下，电压采样模块412也能采集到绕组1-2和5-6两端的电压信号，该电压信号即为电弧故障检测装置前端的电压信号。信号处理模块416综合处理电压采集模块412和电流采样模块413采集的信号，并提供给控制模块417。通过测试波形可以测试包括互感器、电压采样模块、电流采样模块、控制模块、脱扣模块的可靠性。

一个示例的测试过程如下：测试按键418被按下后，电弧故障检测装置进入自测模式；在自测模式下，波形发生模块414发出预先设定的一种或多种测试波形，测试波形将流经工频电流互感器409的绕组3-4和高频电流互感器410的绕组7-8并产生相应的电流。工频电流互感器409的绕组1-2与高频电流互感器410的绕组5-6将感应到的电流波形送至电流采样模块413。信号处理模块416对电压采样模块412与电流采样模块413采集的电压和电流信号处理后送至控制模块417，控制模块417依据前述的电弧故障检测方法进行识别，判断线路411中是否存在电弧故障。在线路411中出现电弧故障时，控制模块417向脱扣模块419发出脱扣命令，断开开关420，切断线路411。

下面结合图4～图9介绍本发明采用的电弧故障检测方法，该方法由控制模块417执行。电弧故障所引发的故障电弧的特征不仅存在于线路电流中，在线路电压中也有一些表现。综合电流和电压信号，能够获得故障电弧的波形特征。并且真实的故障电弧具有随机性，其特征点会随机出现在波形的任意位置。而复杂负载环境下的干扰波形或者疑似波形具有周期性，即疑似波形的特征点在相邻周期中是基本一致的，特征点的位置相固定且周期性地出现。通过是否具有随机性，能够识别真实故障电弧和疑似故障电弧。

参考图4所示，揭示了本发明的电弧故障检测装置中使用的电弧故障检测方法，该方法由控制模块417执行，包括如下的步骤：

102.数据采样步骤，按照预定的采样频率和采样周期进行数据采样。在一个实施例中，采用AD采样，采样频率为5KHz，采样周期为20ms。

104.采样数据预处理步骤，对采样的数据进行预处理并进行保存。在一个实施例中，经过预处理的采样数据被放入数组中。

106.采样数据处理步骤。对经过预处理的采样数据进行处理，依据处理的结果预判断故障类型并启动相应的故障判断子程序，或者指令脱扣。在一个实施例中，采样数据处理步骤包括如下几个过程：

故障类型判断过程，依据电流大小和采样数据中的特征来预判断故障类型。串联电弧故障的判断标准为：电流大于预定值但采样数据的特征存在异常。并联电弧故障的判断标准为：电流大于预定值且采样数据的特征没有异常。在一个实施例中，电流设定值为额定电流的2.5倍。采样数据是采用最新所采样的一个采样周期中的采样数据。在一个实施例中，采样周期是20ms，最新采样的一个采样周期中的数据即是当前时刻之前20ms的采样数据的特征。

启动相应的故障判断子程序。如果预判断为串联电弧故障，则启动串联电弧故障判断子程序。如果与判断为并联电弧故障，则启动并联电弧故障判断子程序。串联电弧故障判断子程序与并联电弧故障判断子程序中各自包括进行脱扣动作的判断结果。

电压检测过程。计算并检测工频电压的大小。将计算获得的工频电压预电压阈值相比较。如果工频电压高于电压阈值，则进行脱扣动作。如果工频电压不高于(低于或者等于)电压阈值，则不进行脱扣动作。

108.执行动作步骤。依据步骤106采样数据处理的处理结果，执行脱扣动作或者不执行脱扣动作，如果执行脱扣动作，则整个电弧故障检测方法结束。如果不执行脱扣动作，则回到步骤102，继续进行数据采样，重复上述的过程。

继续参考图4所示，除了上述步骤102～108的主要过程之外，该方法还包括测试步骤103。测试步骤103是独立于主要过程之外的步骤，在一个实施例中，测试步骤103在数据采样的间隙执行。测试步骤103会触发波形发生模块414产生测试波形。

103.测试步骤。测试步骤通过按键触发，由单片机的I/O接口通过输出电平的变化产生测试波形。测试波形是模拟故障电弧的波形。测试波形需要具备故障电弧的特征，即需要具有随机性，并且满足故障电弧的幅度。在一个实施例中，测试步骤采用在采样间隙询问CPU的工作方式。按键信号产生后，单片机输出测试波形，输出的测试波形为一系列采样周期的时间长度，例如0.5S。针对测试波形同样执行上述的步骤104～108，即采样数据预处理步骤、采样数据处理步骤和执行动作步骤。如果能够正常判断出存在电弧故障(测试波形是符合故障电弧特征的)，即能够在一定时间(0.5S)内判断出存在电弧故障，则表明各个判断依据和判断标准正常，能够检测电弧故障。如果不能检测出电弧故障，例如始终没有脱扣报警、无响应或者超过一定时间(0.5S)后再做出响应的，说明判断依据和或判断标准存在异常或者存在缺陷，不能正常使用。

图5揭示了根据本发明的一实施例的电弧故障检测装置中使用的电弧故障检测方法的实现过程。图5是图4所示的方法的进一步细化的实现过程。如图5所示，电弧故障的检测过程如下：

(11)过程开始：等待电压过零点。

(12)在电压过零点后，判断是否按下测试按键，如果按下测试按键，则进入(13)，如果没有按下测试按键，则进入(14)。

(13)发送测试波形，测试波形发送完成后返回(12)。

(14)判断定时器是否中断。如果定时器中断，则进入(15)，如果定时器没有中断，则进入(17)。定时器中断方式为连续的定时器中断。

(15)进行AD采样，AD采样的频率为5KHz，采样一个周期的数据。在一个实施例中，一个采样周期为20ms。采样的结果放入数组中，然后进入(16)。

(16)对采样数据进行预处理，将经过预处理的采样数据放入寄存器，然后返回(12)。

(17)判断AD采样是否结束。如果AD采样没有结束，则返回(12)，如果AD采样结束，则进入(18)。

(18)采样数据处理。对寄存器中经过预处理的采样数据进行处理。在(18)采样数据处理中，进行电弧故障种类判断以及电压大小的计算。其中电弧故障种类判断和电压大小的计算是同步进行，电弧故障种类判断和电压大小的计算的结果都会触发脱扣动作。步骤(19)和(110)是对电压大小的计算，步骤(111)～(115)是对电弧故障种类的判断。

(19)计算电压的大小。在一个实施例中，计算工频电压的大小。然后进入(110)。

(110)判断(19)中计算得到的电压是否大于电压阈值，如果超过电压阈值，则进入到脱扣动作(116)，如果没有超过电压阈值，则返回(12)。

步骤(111)～步骤(115)是对电弧故障种类的判断。在一个实施例中，电弧故障种类分为串联电弧故障和并联电弧故障。串联电弧故障和并联电弧故障各自具有自己的子判断过程：串联电弧故障判断子过程(114)和并联电弧故障判断子过程(115)。步骤(111)～(113)是根据采样数据进行预判断，以决定进一步启动串联电弧故障判断子程序(114)还是并联电弧故障判断子程序(115)。预判断的基本依据是：电流大小以及采样数据中的特征。在一个实施例中，电流设定值为额定电流的2.5倍。采样数据是采用最新所采样的一个采样周期中的采样数据。在本实施例中，采样周期是20ms，最新采样的一个采样周期中的数据即是当前时刻之前20ms的采样数据的特征。

串联电弧故障的判断标准为：电流大于预定值但采样数据的特征存在异常。

并联电弧故障的判断标准为：电流大于预定值且采样数据的特征没有异常。

电流小于(或等于)预定值则认为工作环境正常。

具体而言，步骤(111)～(115)的执行过程如下：步骤(111)判断电流是否大于预定值。如果电流不大于预定值(即判断结果为N)，此时的判断为工作环境正常。虽然在图2中在电流不大于预定值时的箭头方向是指向串联电弧故障判断子程序，但实际上串联电弧故障判断子程序并不会在这种情况下启动，也不会触发脱扣，而是回到采样步骤继续采样。如果电流大于预定值(即判断将结果为Y)，则进入步骤(112)，获取并判断最新所采样的一个采样周期中的采样数据。之后进入步骤(113)判断采样数据是否有异常存在。如果存在异常(图示的步骤113是判断是否“无异常”，因此存在异常的判断结果为N)，则预判断为串联电弧故障，启动串联电弧故障判断子程序(114)。如果不存在异常(图示的步骤113的判断结果为Y)，则预判断为并联电弧故障，启动并联电弧故障判断子程序(115)。串联电弧故障判断子程序(114)和并联电弧故障判断子程序(115)的具体过程下面会详细描述，串联电弧故障判断子程序(114)和并联电弧故障判断子程序(115)的运行结果中，如果需要进行脱扣的，则进入到脱扣动作(116)，如果是其它结果的，则根据联电弧故障判断子程序(114)和并联电弧故障判断子程序(115)的其它结果执行(下面会详细描述)。

(116)脱扣动作。步骤(116)依据步骤(19)、(114)或(115)的结果判断是否要执行脱扣动作，如果执行了脱扣动作，则进入(117)结束。如果没有执行脱扣动作，则返回(12)。

图6揭示了根据本发明的一实施例的电弧故障检测装置中使用的电弧故障检测方法中并联电弧故障判断方法的流程图。如前面所描述的，并联电弧故障的判断标准为：电流大于预定值且采样数据的特征没有异常。在检测到电流突然增加到超过设定值，例如超过额定电压2.5倍的电流时，预判断为疑似并联电弧故障。此时启动并联电弧故障判断子程序，并联电弧故障判断子程序包括以下几个步骤：

202.开始计时，启动倒计时。在一个实施例中，并联电弧故障判断子程序的执行时间为一个采样周期的时间长度，在一个实施例中，为0.5S，步骤202开始0.5S倒计时。

204.采样数据特征统计。在一个实施例中，并联电弧故障判断子程序统计的采样数据特征包括：电弧脉冲的数量、电弧突变的数量和电弧半波的数量。步骤204的执行时间长度为步骤202倒计时的时长，在倒计时到达后进入步骤206。

206.依据统计结果判断。电弧脉冲的数量、电弧突变的数量和电弧半波的数量具有各自的阈值，将步骤204中统计得到的数据与各自的阈值比较，做出判断结果。在一个实施例中，判断结果如下：

若电弧脉冲的数量没有达到阈值、或者电弧突变的数量没有达到阈值、或者电弧脉冲的数量和电弧突变的数量都没有达到阈值，则判断为没有并联电弧故障，并联电弧故障判断子程序结束。在一个实施例中，电弧脉冲的数量依据极大值极小值转变过程而统计，每次出现极大值极小值转变过程，则电弧脉冲数量加1。电弧突变的数量依据与相邻两周期无线性关系的奇异点来检测，每次出现与相邻两周期无线性关系的奇异点，则电弧突变数量加1。

若电弧脉冲的数量和电弧突变的数量都达到阈值，则电弧半波的数量加1。在一个倒计时0.5S的周期内，如果电弧半波的数量达到阈值，则判断为存在并联电弧故障，发出脱扣指示并报警。否则判断为不存在并联电弧故障，并联电弧故障判断子程序结束。

需要说明的是，并联电弧故障判断子程序是在出现大电流(超过额定电压2.5倍的电流)后启动，在做出不存在并联电弧故障的判断之后，在该次大电流过程中都认为是正常工作负载电流，不再启动激活并联电弧故障判断子程序。也就是说，在电流重新变小恢复到2.5倍额定电流的设定值下方之前，都不会再次启动并联电弧故障判断子程序。在电流重新恢复到设定值下方之后，上述条件解除，如果再次出现满足并联电弧故障判断子程序的触发条件的，再次启动并联电弧故障判断子程序。

图7揭示了根据本发明的一实施例的电弧故障检测装置中使用的电弧故障检测方法中并联电弧故障的判断过程。图7是图6所示的并联电弧故障的判断过程的进一步细化的实现过程。如图7所示，并联电弧故障的判断过程如下：

(21)过程开始。

(22)计时程序开始，0.5S倒计时程序激活。在计时过程中，并行地执行下述(23)和(24)的两种检测。

(23)检测电弧脉冲，通过判断是否存在极大极小值的转变过程来检测电弧脉冲。若存在极大值极小值转变过程，则电弧脉冲计数器加1，即统计电弧脉冲个数加1，完成计数增加后进入(25)。如果不存在极大极小值转变过程，则不进行计数增加，直接进入(25)。

(24)检测电弧突变，通过判断是否存在与相邻两周期无线性关系的奇异点来检测电弧突变。若存在与相邻两周期无线性关系的奇异点则电弧突变计数器加1，即统计电弧突变个数加1，完成计数后进入(25)。如果不存在与相邻两周期无线性关系的奇异点，则不进行计数增加，直接进入(25)。

(25)判断半波周期是否结束，若结束则进入(26)，若没有结束则返回(22)。

(26)判断0.5S倒计时是否尚未到达，如果已经到达(即判断结果为N)，则进入(210)，如果尚未到达0.5S倒计时(即判断结果为Y)，则进入(27)。

(27)判断上述(23)中的电弧脉冲计数器的计数和上述(24)中的电弧突变计数器的计数是否达到阈值。若电弧脉冲计数器的计数和电弧突变计数器的计数都达到阈值，则电弧半波计数器加1，即电弧半波个数加1，然后进入(28)。若没有达到阈值(电弧脉冲计数器的计数和电弧突变计数器的计数中有一个没有达到阈值就认为未达到阈值)则直接进入(210)。

(28)统计电弧半波个数。通过判断电弧半波计数器的计数是否达到阈值来统计电弧半波个数。根据之前的逻辑判断过程，此处统计的电弧半波的数量是0.5S内的电弧半波数量，因此此处(28)也可理解为统计0.5S内电弧半波的个数。如果电弧半波的个数达到阈值，则进入到(29)，如果电弧半波的个数没有达到阈值，则进入到(210)。

(29)脱扣报警，发出脱扣命令并报警。

(210)结束。

图8揭示了根据本发明的一实施例的电弧故障检测装置中使用的电弧故障检测方法中串联电弧故障的判断方法的流程图。如前面所描述的，串联电弧故障的判断标准为：电流大于预定值但采样数据的特征存在异常。电流的设定值为额定电压2.5倍。采样数据的特征包括下述中的一个或多个：电弧脉冲个数、数值突变个数、奇异点个数、规定数值点、零值点个数、时域数据、频域数据、电弧突变个数。上述的各个特征具有各自的阈值，将采样数据的特征与相应的阈值比较，以判断是否存在串联电弧故障，如果存在串联电弧故障则发出脱扣指令，如果不存在串联电弧故障，则根据采样数据对阈值进行调整，以适应当前的负载情况与用电环境。串联电弧故障判断子程序包括以下几个步骤：

302.获取采样数据的特征。在一个实施例中，获取的采样数据特征包括电弧脉冲个数、数值突变个数、奇异点个数、规定数值点、零值点个数、时域数据、频域数据、电弧突变个数中的一个或数个。其中电弧脉冲通过判断是否存在极大极小值的转变过程来检测。数值突变是通过判断是否存在零值与非零值转变过程来检测。奇异点是通过比较该点数值与相邻两点的值来检测。规定数值点包括记录第一个与第二个达到规定阈值的数值的位置与大小。电弧突变是通过判断是否存在与相邻两个周期无线性关系的奇异点来检测。

304.将采样数据的特征与阈值比较。待比较的系列阈值包括电弧脉冲计数器阈值、数值突变计数器阈值、奇异点计数器阈值、规定数值点阈值、零值点阈值、时域数据阈值、电弧突变计数器阈值、电流大小阈值中的一个或数个。系列阈值与采样数据的特征一一对应。在特征与系列阈值相符时，判断为存在电弧周期并对电弧周期计数。

306.依据比较结果判断。判断的结果包括：如果电弧周期的计数达到电弧周期阈值，则判断为存在串联电弧故障则发出脱扣指令，否则判断为不存在串联电弧故障则根据采样数据的特征调节阈值以适应当前的负载环境和工作环境。

图9揭示了根据本发明的一实施例的电弧故障检测装置中使用的电弧故障检测方法中串联电弧故障的判断过程。图9是图8所示的串联电弧故障的判断过程的进一步细化的实现过程。如图9所示，串联电弧故障的判断过程如下：

(31)过程开始。

(32)检测电弧脉冲，通过判断是否存在极大极小值的转变过程来检测电弧脉冲。若存在极大值极小值转变过程，则电弧脉冲计数器加1，即统计电弧脉冲个数加1，完成计数增加后进入(33)。如果不存在极大极小值转变过程，则不进行计数增加，直接进入(33)。

(33)检测数值突变，通过判断是否存在零值与非零值转变过程来检测数值突变。若存在零值与非零值转变过程则数值突变计数器加1，即统计数值突变个数加1，完成计数后进入(34)。如果不存在零值与非零值转变过程，则不进行计数增加，直接进入(34)。

(34)奇异点检测，通过比较该点数值与相邻两点的值来检测奇异点。若该点数值远大于相邻两点的值，则判断存在奇异点，奇异点计数器加1，即统计奇异点个数加1，完成技术后进入(35)。如果该点数值与相邻两点的值接近，则判断不存在奇异点，不进行计数增加，直接进入(35)。

(35)规定数值点检测。记录第一个与第二个达到规定阈值的数值的位置与大小，然后进入(36)。

(36)统计零值点的个数，然后进入(37)。

(37)频域数据求和累加，然后进入(38)。

(38)时域数据求和累加，然后进入(39)。

(39)电弧突变检测，通过判断是否存在与相邻两个周期无线性关系的奇异点来判断是否存在电弧突变。判断的方式可以采用线性偏离指标来进行判断，例如将相邻两个周期的点连线，观察是否存在远离连线的奇异点。如果存在与相邻两周期无线性关系的奇异点，则电弧突变计数器加1，即统计电弧突变个数加1，然后进入(310)。如果不存在与相邻两个周期无线性关系的奇异点，直接进入(310)。

(310)判断是否一个判断周期结束。在一个实施例中，一个判断周期与一个采样周期一致，同样为20ms。如果周期结束，则进入(311)，如果周期未结束，则进入(318)。

(311)确定电流大小。在一个实施例中，是根据时域数据求和累加的结果确认电流大小。

(312)判断各个计数器值是否满足第一系列阈值，若各个计数器的值都满足第一系列阈值，则第一电弧周期计数器加1，然后进入(313)。如果并不是各个计数器同时满足第一系列阈值，则进入(314)。在一个实施例中，第一系列阈值包括电弧脉冲计数器阈值、数值突变计数器阈值、奇异点计数器阈值、规定数值点阈值、零值点阈值、时域数据阈值、电弧突变计数器阈值、电流大小阈值。

(313)判断第一电弧周期的个数。将第一电弧周期计数器中统计的第一电弧周期的个数与第一电弧周期阈值相比较。如果统计的第一电弧周期的个数达到第一电弧周期阈值，即满足第一电弧周期阈值则进入(316)，否则进入(317)。

(314)判断各个计数器值是否满足第二系列阈值，若各个计数器的值都满足第二系列阈值，则第二电弧周期计数器加1，然后进入(315)。如果并不是各个计数器同时满足第二系列阈值，则第二电弧周期计数器不增加，直接进入(317)。在一个实施例中，第二系列阈值包括电弧脉冲计数器阈值、数值突变计数器阈值、奇异点计数器阈值、规定数值点阈值、零值点阈值、时域数据阈值、电弧突变计数器阈值、电流大小阈值。

(315)判断第二电弧周期的个数。将第二电弧周期计数器中统计的第二电弧周期的个数与第二电弧周期阈值相比较。如果统计的第二电弧周期的个数达到第二电弧周期阈值，即满足第二电弧周期阈值则进入(316)，否则进入(317)。

(316)判断电压数据是否异常。计算工频电压并将计算得到的工频电压与电压阈值相比较，如果电压数据不存在异常则进行脱扣报警，发出脱扣命令并报警。如果电源数据存在异常则进入(317)。

(317)阈值调整。根据前述相关步骤的反馈，对阈值进行实时调整。在一个实施中，调整的阈值包括下述阈值中的一个或多个：第一系列阈值、第二系列阈值、第一电弧周期阈值、第二电弧周期阈值。阈值调整完毕后进入(318)。

(318)结束。

图10揭示了根据本发明的另一实施例的电弧故障检测装置的结构框图。如图10所示，该电弧故障检测装置串接在上级电路和负载之间，该电弧故障检测装置包括：电压采样模块412、电流采样模块413、信号处理模块416、电源模块415、脱扣模块419、控制模块417及外壳(外壳在图7中未示出)。与图1所示的实施例相比较，电压采样模块412、电流采样模块413、信号处理模块416、电源模块415、脱扣模块419的作用相同。电压采样模块采样电路中的工频电压。电流采样模块包括电流互感器和采样电路，电流互感器上具有第一绕组和第二绕组，第一绕组采集电流，第二绕组施加测试波形。信号处理模块对电压采样模块采集的电压信号和电流采样模块采集的电流信号进行处理。电源模块为各个模块提供电源。脱扣模块执行脱扣动作。区别在于图10所示的实施例中控制模块417与图1所示的实施例不同。图10所示的实施例中的控制模块417接收经过信号处理模块处理的电压和电流信号，判断是否存在电弧故障，如果存在电弧故障，发出脱扣指令，控制模块还产生测试波形，测试波形由第二绕组施加。控制模块417将波形发生模块的功能包含在内，或者也可以理解为，波形发生模块414是置于控制模块417之内。在图10所示的实施例中，波形发生模块414以虚线的方式被示为设置在控制模块417之内。在图10所示的实施例中，波形发生模块414以硬件的方式集成在控制模块417内，也可以由控制模块417以运行软件的方式实现，其实现的功能与图1所示的实施例中的波形发生模块一致。电压采样模块、电流采样模块、信号处理模块、控制模块、电源模块和脱扣模块容纳于一外壳内。图10所示的实施例的其它部分与图1所示的实施例相同，此处不再赘述。

本发明的电弧故障检测装置通过电弧故障检测装置前端的电压检测，能够识别电弧故障相对于电弧故障检测装置的位置，从而降低误动作的可能性。

上述实施例是提供给熟悉本领域内的人员来实现或使用本发明的，熟悉本领域的人员可在不脱离本发明的发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，因而本发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。

Claims (9)

1.一种电弧故障检测装置，其特征在于，所述电弧故障检测装置串接在上级电路和负载之间，所述电弧故障检测装置包括：

电压采样模块，电压采样模块采样电路中的工频电压，所述电压采样模块采样电弧故障检测装置前端的电压；

电流采样模块，电流采样模块包括电流互感器和采样电路，电流互感器上具有第一绕组和第二绕组，第一绕组采集电流，第二绕组施加测试波形；

信号处理模块，对电压采样模块采集的电压信号和电流采样模块采集的电流信号进行处理；

控制模块，接收经过信号处理模块处理的电压和电流信号，判断是否存在电弧故障，如果存在电弧故障，发出脱扣指令；

波形发生模块，受控制模块的控制，波形发生模块产生测试波形，测试波形由第二绕组施加；

电源模块，为上述各个模块提供电源；

脱扣模块，执行脱扣动作；

所述电压采样模块、电流采样模块、信号处理模块、控制模块、波形发生模块、电源模块和脱扣模块容纳于一外壳内；

所述电压采样模块采样的电弧故障检测装置前端的电压波形异常且电压有效值小于正常值，判断电弧故障出现在电弧故障检测装置前端，所述电压采样模块采样的电弧故障检测装置前端的电压波形和电压有效值正常，判断电弧故障出现在电弧故障检测装置后端。

2.如权利要求1所述的电弧故障检测装置，其特征在于，所述电压采样模块通过电阻分压的方式实现。

3.如权利要求1所述的电弧故障检测装置，其特征在于，所述电流采样模块包括：

工频电流互感器和低频采样电路，采样工频电流信号；

高频电流互感器和高频采样电路，采样高频电流信号。

4.如权利要求3所述的电弧故障检测装置，其特征在于，

所述工频电流互感器的骨架为硅钢片，所述高频电流互感器的骨架为铁镍钼粉芯。

5.如权利要求3所述的电弧故障检测装置，其特征在于，

所述工频电流互感器和高频电流互感器上各自具有第一绕组和第二绕组，第一绕组的缠绕密度高于第二绕组；

第一绕组连接到电流采样模块，第二绕组连接到波形发生模块。

6.如权利要求5所述的电弧故障检测装置，其特征在于，

波形发生模块响应于测试按键而触发，波形发生模块产生模拟故障电弧的波形作为测试波形，模拟电弧故障的波形具有随机性，并且满足故障电弧的幅度。

7.如权利要求1所述的电弧故障检测装置，其特征在于，

电源模块为开关电源，为上述的各个模块提供直流电源。

8.如权利要求1所述的电弧故障检测装置，其特征在于，

脱扣模块包括磁通脱扣器和可控硅，脱扣模块执行脱扣动作以分断电路，脱扣模块连接到电路的开关，脱扣模块脱扣时断开开关以分断电路。

9.一种电弧故障检测装置，其特征在于，所述电弧故障检测装置串接在上级电路和负载之间，所述电弧故障检测装置包括：

电压采样模块，电压采样模块采样电路中的工频电压，所述电压采样模块采样电弧故障检测装置前端的电压；

电流采样模块，电流采样模块包括电流互感器和采样电路，电流互感器上具有第一绕组和第二绕组，第一绕组采集电流，第二绕组施加测试波形；

信号处理模块，对电压采样模块采集的电压信号和电流采样模块采集的电流信号进行处理；

控制模块，接收经过信号处理模块处理的电压和电流信号，判断是否存在电弧故障，如果存在电弧故障，发出脱扣指令，控制模块还产生测试波形，测试波形由第二绕组施加；

电源模块，为上述各个模块提供电源；

脱扣模块，执行脱扣动作；

所述电压采样模块、电流采样模块、信号处理模块、控制模块、电源模块和脱扣模块容纳于一外壳内；

所述电压采样模块采样的电弧故障检测装置前端的电压波形异常且电压有效值小于正常值，判断电弧故障出现在电弧故障检测装置前端，所述电压采样模块采样的电弧故障检测装置前端的电压波形和电压有效值正常，判断电弧故障出现在电弧故障检测装置后端。