CN107561435B - 一种基于伏安特性的断路器燃弧时刻判别方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于伏安特性的断路器燃弧时刻判别方法及系统，根据故障录波数据，得出断路器从故障开始到故障切除期间断路器两端的故障电压和流经断路器的故障电流；计算所得的故障电流的均方根RMS，通过比较均方根RMS与设定的阈值TRMS的大小，判断断路器从故障开始到故障切除期间是否存在“零休现象”，确定燃弧时刻所存在的半周波；基于电弧伏安特性对燃弧时刻所存在的半周波进行处理，确定燃弧时刻。本发明采用均方根方法判断断路器从故障开始到故障切除期间是否存在“零休现象”，确定燃弧时刻所在的半周波，基于电弧伏安特性计算半周波的每一个采样点的负阻特性值，根据负阻特性值的正负确定燃弧时刻。

Description

一种基于伏安特性的断路器燃弧时刻判别方法及系统

技术领域

本发明属于电力自动化技术领域，具体涉及一种基于伏安特性的断路器燃弧时刻判别方法及系统。

背景技术

电弧是一种气体放电的形式。经过大量的实验证明，当大气中开断或闭合电压超过10V、电流超过0.5A的电路时，就会在触头的间隙之中产生一团温度极高、亮度极强并且可以导电的气体，这就被称为电弧。

在电力系统的输配电系统中应用的大量断路器来说，电弧的存在可能会延迟电路的开断、烧伤触头，当燃弧时间过长时更甚至于导致断路器的着火与爆炸。电弧的温度极高，有时尽管只存在了短暂的时间，也将会导致断路器触头表面材料熔化、飞溅，破坏触头的工作性能。因此，知道断路器的燃弧时间对于评判断路器熄弧能力，更甚至于评判断路器性能有着不可忽视的作用。

燃弧时间是标志断路器熄弧能力的重要参数，对燃弧时间进行准确测量的关键是确定电弧的燃弧时刻。目前国内外对断路器开断时间测量的研究工作大都以测量断路器开断燃弧时间的形式出现，现有对燃弧时间进行测量方法有：(1)根据关于分合闸时间及同期的测量电路原理，搭建电路进行测量，该方法只适合于临时性监测；(2)利用空间磁场信号在线测定开断电流的燃弧时刻，该方法需要附加测量装置，成本高，操作复杂，而且测量过程易受电磁干扰，因此在实际应用中实际推广价值并不高。

综上所述，现有技术中对于如何实时准确测量断路器燃弧时刻的问题，尚缺乏有效的解决方案。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于伏安特性的断路器燃弧时刻判别方法及系统，采用均方根方法判断断路器从故障开始到故障切除期间是否存在“零休现象”，确定燃弧时刻所在的半周波，基于电弧伏安特性计算半周波的每一个采样点的负阻特性值，根据负阻特性值的正负确定燃弧时刻。

本发明所采用的技术方案是：

一种基于伏安特性的断路器燃弧时刻的判别方法，包括以下步骤：

步骤一：通过故障录波器采集故障录波数据，根据所获得的故障录波数据，得出断路器从故障开始到故障切除期间断路器两端的故障电压和流经断路器的故障电流；

步骤二：计算步骤一中所得的故障电流的均方根RMS，通过比较均方根RMS与设定的阈值TRMS的大小，判断断路器从故障开始到故障切除期间是否存在“零休现象”，确定燃弧时刻所存在的半周波；

步骤三：基于电弧伏安特性对所述步骤二中确定的燃弧时刻所存在的半周波进行处理，确定燃弧时刻。

进一步的，所述步骤二中，判断断路器从故障开始到故障切除期间是否存在“零休现象”具体方法为：

设步骤一中所得的故障电流中有N个采样点，以连续的5个采样点为一个组，计算每一组采样点的均方根RMS，若均方根RMS不大于设定的阈值TRMS，即RMS≤TRMS时，则故障电流中出现了“零休现象”，燃弧时刻出现在“零休现象”的前半个周波中；若任意一组采样点的均方根RMS均大于设定的阈值TRMS，即RMS＞TRMS时，则燃弧时刻出现在故障电流的最后一个半周波中。

进一步的，所述均方根RMS的计算公式为：

其中，x_k为故障电流不同采样点所对应的电流值；1≤k≤N-4。

进一步的，所述交流电弧的伏安特性为：当在燃弧时刻形成电弧时，随着电弧电流的增大，电弧电压会减小；反之，随着电弧电流的减小，电弧电压会增大，电弧呈现负微分电阻特性。

进一步的，所述步骤三中确定燃弧时刻的具体方法为：

对步骤二所获得的燃弧时刻所在半周波的每一采样点的电压值和电流值进行微分运算，求得电弧的微分电阻值tanα，当在半周波的某一采样点出现tanα＜0的情况时，确定该采样点对应的时间为燃弧时刻。

进一步的，电弧的微分电阻值tanα的计算公式为：

其中，u_h为电弧电压；i_h为电弧电流。

一种基于伏安特性的断路器燃弧时刻判别系统，包括故障录波器、数据处理模块、均方根计算模块、零休现象判断模块和半周波处理模块；

所述故障录波器，用于采集故障录波数据；

所述数据处理模块，用于接收所述故障滤波数据，得出断路器从故障开始到故障切除期间断路器两端的故障电压和流经断路器的故障电流；

所述均方根计算模块，用于计算所述故障电流的均方根RMS；

所述零休现象判断模块，用于比较所述均方根RMS与设定的阈值TRMS的大小，判断断路器从故障开始到故障切除期间是否存在“零休现象”，确定燃弧时刻所存在的半周波；

所述半周波处理模块，用于基于电弧伏安特性对所述燃弧时刻所存在的半周波进行处理，确定燃弧时刻。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明采用均方根方法判断断路器从故障开始到故障切除期间是否存在“零休现象”，确定燃弧时刻所在的半周波，基于电弧伏安特性计算半周波的每一个采样点的负阻特性值，根据负阻特性值的正负确定燃弧时刻；本发明无需附加测量装置，成本低，操作简单，在实际应用中有很高推广价值。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本发明实施例公开的基于伏安特性的断路器燃弧时刻判别方法流程图；

图2是电弧出现“零休现象”的电流图；

图3是交流电弧伏安特性图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在无法实时监测断路器燃弧时刻不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种基于伏安特性的断路器燃弧时刻判别方法。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，提供了一种基于伏安特性的断路器燃弧时刻判别方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：通过故障滤波器采集故障录波数据，根据所获得的故障录波数据，得出故障短路期间断路器两端的故障电压和流经断路器的故障电流；

步骤二：根据步骤一中所得的故障电流，采用均方根方法，计算故障电流的均方根RMS，通过比较均方根RMS与设定的阈值TRMS的大小，判断断路器从故障开始到故障切除期间是否存在“零休现象”，确定燃弧时刻所存在的半周波；

步骤三：对所述步骤二中得到的半周波进行伏安特性分析，确定燃弧时刻。

所述步骤二中，“零休现象”是指在交流电弧中，在电流自然过零前后一段时间内，弧隙电阻变得相当大，以致成为限制电流值的主要因素。在这一段时间内电弧电流一般并不按照正弦波变化，而是的等于弧隙电压与电弧电阻的比值，由此产生了电弧电流近似为零的现象，如图2所示。

判断“零休现象”的存在，可以确定第一次燃弧所在的半周波；若直到电流切断也未出现“零休现象”，便可以确定电弧在最后一个半周波出现，因此，本申请利用均方根的方法来确定故障电流中是否存在“零休现象”。

所述步骤二中，判断断路器从故障开始到故障切除期间是否存在“零休现象”具体方法为：

设所获得的录波数据中故障电流中共有N个采样点，以连续的每5个采样点为一个组，计算每一组采样点的均方根RMS，均方根RMS的计算公式为：

其中，x_k为故障电流不同采样点所对应的电流值；1≤k≤N-4。

若均方根RMS不大于设定的阈值TRMS，即RMS≤TRMS时，则故障电流中出现了“零休现象”，燃弧时刻出现在“零休现象”的前半个周波中；若任意一组采样点的均方根RMS均大于设定的阈值TRMS，即未出现RMS≤TRMS的情况，那么燃弧时刻出现在故障电流的最后一个半周波中。

所述步骤三中，根据故障电弧的伏安特性，对步骤二所获得的燃弧时刻所在的半周波进行电压电流的微分，以此来确定燃弧时刻。对对步骤二所获得的燃弧时刻所在半周波的每一采样点的电弧电压和电弧电流进行微分处理，求得电弧的微分电阻值tanα，电弧的微分电阻值tanα的运算公式如下：

其中，u_h为电弧电压；i_h为电弧电流。

如图3所示为交流电弧的伏安特性图，交流电弧的伏安特性为：交流电弧在A点形成，随着电弧电流的增大，电弧电压会下降，则

被称之为电弧的负阻特性。而正常的故障电流，随着电流的增大，电压会增大，该交流电弧与正常的故障电流是不同的。电弧电流在A点击穿间隙，开始燃弧，进入负阻区，随着弧柱的变热变粗，弧柱电阻下降，因此呈现出负阻特性；到达B点，电弧电流开始减小，弧电阻增加，电弧电压上升，由于电弧存在热惯性，电弧电阻比相同电弧电流但处于增大状态下的电弧电阻低，所以BC线要比AB线低，到达C点灭弧。

当在半周波的某一采样点出现tanα＜0的情况时，确定该采样点对应的时间为燃弧时刻。

本申请的另一种典型实施方式，提出了一种基于伏安特性的断路器燃弧时刻判别系统，该系统包括故障录波器、数据处理模块、均方根计算模块、零休现象判断模块和半周波处理模块；

所述故障录波器，用于采集故障录波数据；

所述数据处理模块，用于接收所述故障滤波数据，得出断路器从故障开始到故障切除期间断路器两端的故障电压和流经断路器的故障电流；

所述均方根计算模块，用于计算故障电流的均方根RMS；

所述零休现象判断模块，用于比较均方根RMS与设定的阈值TRMS的大小，判断断路器从故障开始到故障切除期间是否存在“零休现象”，确定燃弧时刻所存在的半周波；

所述半周波处理模块，用于基于电弧伏安特性对燃弧时刻所存在的半周波进行处理，确定燃弧时刻。

本发明采用均方根方法判断断路器从故障开始到故障切除期间是否存在“零休现象”，确定燃弧时刻所在的半周波，基于电弧伏安特性计算半周波的每一个采样点的负阻特性值，根据负阻特性值的正负确定燃弧时刻；本发明无需附加测量装置，成本低，操作简单，在实际应用中有很高推广价值。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (5)

1.一种基于伏安特性的断路器燃弧时刻判别方法，其特征是，包括：

采用均方根方法判断断路器从故障开始到故障切除期间是否存在“零休现象”，确定燃弧时刻所在的半周波，基于电弧伏安特性计算半周波的每一个采样点的负阻特性值，根据负阻特性值的正负确定燃弧时刻，无需附加测量装置；具体步骤：

步骤一：通过故障录波器采集故障录波数据，根据故障录波数据，得出断路器从故障开始到故障切除期间断路器两端的故障电压和流经断路器的故障电流；

步骤二：计算步骤一中所得的故障电流的均方根RMS，通过比较均方根RMS与设定的阈值TRMS的大小，判断断路器从故障开始到故障切除期间是否存在“零休现象”，确定燃弧时刻所存在的半周波；

具体为：设步骤一中所得的故障电流中有N个采样点，以连续的5个采样点为一个组，计算每一组采样点的均方根RMS，若均方根RMS不大于设定的阈值TRMS，即RMS≤TRMS时，则故障电流中出现了“零休现象”，燃弧时刻出现在“零休现象”的前半个周波中；若任意一组采样点的均方根RMS均大于设定的阈值TRMS，即RMS>TRMS时，则燃弧时刻出现在故障电流的最后一个半周波中；

步骤三：基于电弧伏安特性对所述步骤二中确定的燃弧时刻所存在的半周波进行处理，确定燃弧时刻；

具体为：对步骤二所获得的燃弧时刻所在半周波的每一采样点的电压值和电流值进行微分运算，求得电弧的微分电阻值tanα，当在半周波的某一采样点出现tanα<0的情况时，则确定该采样点对应的时间为燃弧时刻。

2.根据权利要求1所述的一种基于伏安特性的断路器燃弧时刻判别方法，其特征是，所述均方根RMS的计算公式为：

其中，x_k为故障电流不同采样点所对应的电流值；1≤k≤N-4。

3.根据权利要求1所述的一种基于伏安特性的断路器燃弧时刻判别方法，其特征是，所述电弧伏安特性为：当在燃弧时刻形成电弧时，随着电弧电流的增大，电弧电压会减小；反之，随着电弧电流的减小，电弧电压会增大，电弧呈现负微分电阻特性。

4.根据权利要求1所述的一种基于伏安特性的断路器燃弧时刻判别方法，其特征是，电弧的微分电阻值tanα的计算公式为：

其中，u_h为电弧电压；i_h为电弧电流。

5.一种基于伏安特性的断路器燃弧时刻判别系统，其特征是，包括故障录波器、数据处理模块、均方根计算模块、零休现象判断模块和半周波处理模块；

采用均方根方法判断断路器从故障开始到故障切除期间是否存在“零休现象”，确定燃弧时刻所在的半周波，基于电弧伏安特性计算半周波的每一个采样点的负阻特性值，根据负阻特性值的正负确定燃弧时刻，无需附加测量装置；

所述故障录波器，用于采集故障录波数据；

所述数据处理模块，用于接收所述故障滤波数据，得出断路器从故障开始到故障切除期间断路器两端的故障电压和流经断路器的故障电流；

所述均方根计算模块，用于计算所述故障电流的均方根RMS；

所述零休现象判断模块，用于比较所述均方根RMS与设定的阈值TRMS的大小，判断断路器从故障开始到故障切除期间是否存在“零休现象”，确定燃弧时刻所存在的半周波；

所述半周波处理模块，用于基于电弧伏安特性对所述燃弧时刻所存在的半周波进行处理，确定燃弧时刻。

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