CN107656179A - 一种串联故障电弧检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种串联故障电弧检测系统及方法，通过电网频率跟踪、串联电弧故障特征提取以及通过等效阻抗的变化进一步验证，可在半个周波内识别串联故障电弧的特征，另外，由于采用实时电压频率跟踪，本发明不需要依赖于电压过零点时刻，在任意时刻，使用当前半周波数据和上半周波数据即可计算串联故障电弧的特征，利用故障电弧的负荷阻抗不稳定特性可进一步减少误判，提高判别故障电弧准确率。

Description

一种串联故障电弧检测系统及方法

技术领域

本发明涉及一种串联故障电弧检测系统及方法。

背景技术

电弧是一种气体游离放电现象，也是一种等离子体。电弧中的电流从微观上看是电子及正离子在电场作用下移动的结果，其中电子的移动构成电流的主要部分。电弧产生时，会释放大量的热，有可能引燃周围的物品，造成火灾甚至爆炸。

住宅或商业电气线路和设备，如电气布线、插座、家用电器内部的电线或电器的电源线等，由于运行年限长导线绝缘层可能出现老化，另外长时间的过负荷运行、不良的电气连接等问题都会加剧绝缘的老化，而外力的破坏可能导致绝缘层发生破损。这些情况都会导致故障电弧的产生。另外，当电气连接松动导致接触不良时也会导致故障电弧的产生。

故障电弧按照故障发生位置可分为三类：1)并联故障电弧，该电弧发生在相线与中性线之间，与负载呈并联关系；2)串联故障电弧，该电弧发生在相线或者中性线上，与负载呈串联关系；3)接地故障电弧，该电弧发生在相线或中性线与大地之间，本发明仅对串联故障电弧的检测进行讨论。

传统的用电保护设备，如熔断器、断路器仅能对短路故障进行防护，剩余电流保护器仅能对接地故障进行防护。但是通过实际的运行调查数据显示，对于线路上出现的故障电弧，尤其是串联故障电弧，由于其故障电流的幅值远小于保护设备的动作值，传统的用电保护设备显得无能为力。

故障电弧是引起电气火灾的罪魁祸首之一，仅0.5A的电弧电流就足以引起火灾，而2～10A的电弧电流就可以产生2000～4000℃的局部高温。

现有技术方案

方案一：中国专利CN101673934A公布了一种串联故障电弧的检测方法，通过对电流采样信号进行短时傅立叶变换获取电流信号的基波和谐波分量，通过基波分量，偶次谐波分量/增量，奇次谐波分量/增量的大小判断是否存在串联故障电弧。

方案二：中国专利CN103915818A公布了一种串联故障电弧的检测方法，以20kHz的采样频率采集相邻两个周期的电流信号，对两个周期的信号进行差值计算，对计算后的采样数据进行小波阈值去噪置零和归一化处理，与电弧特征阈值比较来判断是否存在串联故障电弧。

方案三：中国专利CN103116093A公布了一种串联故障电弧的检测方法，通过电压过零点比较电路获取电压过零点时刻，从该时刻开始连续采集两个周期的电流信号并对采样点进行差值计算，对计算后的采样序列计算有效值(采样点差值有效值)作为指标1，同时对相邻两个周期的采样点差值有效值的变化率进行计算作为指标2，当这两个指标都超出预设的定值时认为检测到一次故障电弧。

上述方案一采用短时傅立叶变换，方案二采用小波变换，这两种方案算法比较复杂，且要求较高的采样率，对嵌入式系统的处理能力有较高的要求。方案三虽然仅采用采样点差值的有效值及变化率作为判据，仅有时域的处理，算法简单，但是其使用两个相邻周期的采样点进行点对点差值运算，每次判断至少需要20ms，响应较慢。此外，由于其没有进行电网频率的实时跟踪，需要依赖电压的过零点作为采样起始时刻，在电网频率波动时会导致计算精度变差，导致误判。

发明内容

本发明的首要目的是提供一种简便易行的串联故障电弧检测系统及方法，通过在时域的简单处理即可提取故障电弧的波形特征。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种串联故障电弧检测系统，包括：

电网频率跟踪模块，通过检测上一周波电网的频率并调整下一周波采样频率的方式实现电网频率的跟踪；

比较模块，通过对相邻两个半周波采样数据的点对点求和，并对求和后的采样数据进行方均根计算获取其有效值，通过该有效值与阈值的比较判定是否发生了串联电弧故障；

报警模块，输出串联电弧故障发生的预警信息。

一种串联故障电弧检测方法：通过对电网频率的实时跟踪滤除电网频率波动的影响，通过相邻两个半周波采样数据的处理快速识别故障电弧并滤除正常负荷波形，从而大幅度提高串联故障电弧检测的快速性和准确性。

本发明提供的串联故障电弧检测系统及方法通过实时的电压频率跟踪获取电流同步采样数据，通过对两个相邻半周波电流采样数据的点对点求和及有效值计算，可在半个周波(10ms)内识别串联故障电弧的特征。另外，由于采用实时电压频率跟踪，本发明不需要依赖于电压过零点时刻，在任意时刻，使用当前半周波数据和上半周波数据即可计算串联故障电弧的特征。利用故障电弧的负荷阻抗不稳定特性可进一步减少误判，提高判别故障电弧准确率。

附图说明

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

图1为本发明实施例模块图；

图2为本发明实施例电网频率跟踪流程示意图；

图3为本发明实施例串联电弧故障特征提取及验证流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

结合图1所示，本发明提供一种简便的串联故障电弧检测方法，该方法通过对电网频率的实时跟踪滤除电网频率波动的影响，通过相邻两个半周波采样数据的处理快速识别故障电弧并滤除正常负荷波形，从而可大幅度提高串联故障电弧检测的快速性和准确性。

(一)电网频率跟踪。由于电网频率并不会突变，因此可通过检测上一周波电网的频率并调整下一周波采样频率的方式实现电网频率的跟踪，如图2所示，具体算法如下：

1)设每周波采样点数为N，本周波采样频率为fsa，则本周波采样频率对应的电网频率为：fa＝fsa/N。

2)设当前电网频率计算值为fb，调整采样频率的阈值为ft，如果|fa-fb|＜ft，则不调整采样频率，否则采样频率fsb调整为：fsb＝fb×N。

通过对采样频率的实时调整，可实现电流波形的同步采样，避免电网频率波动导致的计算误差。

(二)串联电弧故障特征提取。通过对相邻两个半周波采样数据的点对点求和，可滤除正常负荷波形，对求和后的采样数据进行方均根计算可获取其有效值，通过该有效值与阈值的比较可判定是否发生了串联电弧故障，在此基础上，对半周波的电压、电流有效值进行计算并获取负荷等效阻抗，通过等效阻抗的变化可进一步验证串联电弧故障是否发生，如图3所示，具体算法如下：

1)从采样缓冲区中取出半个周波的采样点，记为Sa(i)，其中：i范围为0～(N-1)/2。

2)对Sa(i)中的每一个采样点，计算其与前N/2个采样点的和，记为Sd(i)，即Sd(i)＝Sa(i)+Sb(i)，其中Sb(i)表示前半个周波的采样点。对Sd(i)的各个点计算方均根获取其有效值：

3)如果RMS大于RMSth，则认为可能存在串联故障电弧，需要继续通过等效阻抗的变化(第4)步)来进一步验证，否则认为没有串联故障电弧，连续检测故障电弧次数清零。其中RMSth为有效值阈值。

4)在RMS大于RMSth时，计算半周波的电压有效值Urms和电流有效值Irms，并计算等效阻抗X＝Urms/Irms，如果X与上半周波等效阻抗Xpre的差值|X-Xpre|大于阻抗阈值Xth，则认为串联电弧故障确实存在，连续检测故障电弧次数加一，否则认为串联电弧故障不存在，连续检测故障电弧次数清零。

5)如果连续检测故障电弧次数大于Nth，则输出串联电弧故障发生的预警信息。其中Nth为连续检测故障电弧次数的阈值。

本发明可解决如下的技术问题：

1)在低性能嵌入式系统中使用电弧保护功能

通过使用基于时域采样数据的算法，简化算法。由于不涉及高次谐波计算，采样率可大大降低，更适用于低性能的嵌入式系统中使用。

2)快速识别故障电弧

通过对相邻两个半周波电流采样数据的点对点求和及有效值计算，可在故障电弧发生的半个周波时间内检测到故障电弧，大大提高识别速度。

3)滤除正常负荷电流波形，减少误判

通过对相邻两个半周波电流采样数据的点对点求和，可实现对正常负载电流特征的滤除，点对点求和后的采样数据中包含的特征都是串联故障电弧的特征信息。

4)电网频率波动对检测结果没有影响

由于采用实时电压频率跟踪，采样数据本身就是同步采样数据，采样的频率随着电网频率变化而变化，从而电网频率的波动不会对计算结果造成影响。

5)利用串联故障电弧的负荷阻抗不稳定性特征，提高判别串联故障电弧的准确率

利用电压电流的半波有效值，求取负荷阻抗有效值，利用负荷阻抗有效值的变化区分正常负荷和串联故障电弧，进一步增加串联故障电弧判断的准确率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种串联故障电弧检测系统，其特征在于包括：

电网频率跟踪模块，通过检测上一周波电网的频率并调整下一周波采样频率的方式实现电网频率的跟踪；

比较模块，通过对相邻两个半周波采样数据的点对点求和，并对求和后的采样数据进行方均根计算获取其有效值，通过该有效值与阈值的比较判定是否发生了串联电弧故障；

报警模块，输出串联电弧故障发生的预警信息。

2.根据权利要求1所述的一种串联故障电弧检测系统，其特征在于所述电网频率跟踪模块包括：

电网频率检测单元，检测上一周波电网的频率；

采样频率调整单元，根据上一周波电网的频率来调整下一周波采样频率，以实现电网频率的跟踪。

3.根据权利要求1所述的一种串联故障电弧检测系统，其特征在于还包括：

验证模块，对半周波的电压、电流有效值进行计算并获取负荷等效阻抗，通过等效阻抗的变化可进一步验证串联电弧故障是否发生。

4.一种串联故障电弧检测方法，其特征在于：通过对电网频率的实时跟踪滤除电网频率波动的影响，通过相邻两个半周波采样数据的处理快速识别故障电弧并滤除正常负荷波形，从而大幅度提高串联故障电弧检测的快速性和准确性。

5.如权利要求4所述的一种串联故障电弧检测方法，其特征在于包括以下步骤：

1)、电网频率跟踪，通过检测上一周波电网的频率并调整下一周波采样频率的方式实现电网频率的跟踪；

2)、串联电弧故障特征提取，通过对相邻两个半周波采样数据的点对点求和，滤除正常负荷波形，对求和后的采样数据进行方均根计算获取其有效值，通过该有效值与阈值的比较可判定是否发生了串联电弧故障。

6.如权利要求4所述的一种串联故障电弧检测方法，其特征在于所述电网频率跟踪包括以下步骤：

11)、设每周波采样点数为N，本周波采样频率为fsa，则本周波采样频率对应的电网频率为：fa＝fsa/N；

12)、设当前电网频率计算值为fb，调整采样频率的阈值为ft，如果|fa-fb|＜ft，则不调整采样频率，否则采样频率fsb调整为：fsb＝fb×N。

7.如权利要求4所述的一种串联故障电弧检测方法，其特征在于所述串联电弧故障特征提取包括以下步骤：

21)、从采样缓冲区中取出半个周波的采样点，记为Sa(i)，其中：i范围为0～(N-1)/2；

22)、对Sa(i)中的每一个采样点，计算其与前N/2个采样点的和，记为Sd(i)，即Sd(i)＝Sa(i)+Sb(i)，其中Sb(i)表示前半个周波的采样点，对Sd(i)的各个点计算方均根获取其有效值：

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23)、如果RMS大于RMSth，则认为可能存在串联故障电弧，否则认为没有串联故障电弧，连续检测故障电弧次数清零，其中RMSth为有效值阈值。

8.如权利要求4～7任意一项所述的一种串联故障电弧检测方法，其特征在于还包括以下步骤：

3)、验证，对半周波的电压、电流有效值进行计算并获取负荷等效阻抗，通过等效阻抗的变化进一步验证串联电弧故障是否发生。

9.如权利要求8所述的一种串联故障电弧检测方法，其特征在于所述验证以下步骤：

31)、计算半周波的电压有效值Urms和电流有效值Irms，并计算等效阻抗X＝Urms/Irms，如果X与上半周波等效阻抗Xpre的差值|X-Xpre|大于阻抗阈值Xth，则认为串联电弧故障确实存在，连续检测故障电弧次数加一，否则认为串联电弧故障不存在，连续检测故障电弧次数清零；

32)、如果连续检测故障电弧次数大于Nth，则输出串联电弧故障发生的预警信息，其中Nth为连续检测故障电弧次数的阈值。