CN109212387B - 使用多维能量点进行交流电弧故障检测的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于检测交流电路中的电弧故障的方法。该方法包括通过分析多维能量点来监测交流电压信号中的干扰。捕获电压信号并识别过零点、最小峰值和最大峰值。分析捕获的交流电压信号的最大和最小峰值之间的电弧特征以检测电弧故障。

Description

使用多维能量点进行交流电弧故障检测的方法
技术领域
本发明一般涉及电弧故障的检测，并且更具体地涉及使用多维能量点的交流(AC)电弧故障检测的方法。
背景技术
本发明涉及电弧故障的识别，并且更具体地，涉及用于识别发生交流电弧事件的方法。
“电弧故障”是两个或更多导体之间的高功率放电。这种放电转化为热量，这会导致绝缘层击穿并可能触发电气火灾。电弧故障的常见原因包括由于腐蚀造成的故障性连接，以及由于温度、湿度、振动或其他环境条件导致的电线，设备以及相互连接的退化。在某些情况下，退化仅仅是由于部件在一段时间内的老化。
鉴于与电弧故障相关的严重安全危害，具有快速、可靠且准确地检测电弧故障状况的存在的能力是重要的。
用于检测交流电弧故障的现有技术方法基于对“电流”信号中的干扰的分析。相反，本发明提供了一种改进的交流电弧故障检测方法，该方法基于对“电压”信号的分析以检测电弧故障。
发明内容
根据本发明，提供了一种用于检测交流电路中的电弧故障的方法，包括：(a)测量交流电压信号以获得交流电压信号的一个周期；(b)从测量的交流电压信号中获得左侧能量求和值和右侧能量求和值，其中左侧能量求和值通过对过零点左边的左侧能量值求和来确定，并且右手能量求和值是通过对过零点的右侧能量值求和来确定；(c)获得差分左侧能量求和值和差分右侧能量求和值，其中差分左侧能量求和值和差分右侧能量求和值分别表示左侧能量求和值的改变和右手能量求和值的改变；(d)获得总能量求和值，其中总能量求和值是左侧能量求和值和右侧能量求和值的和；(e)确定差分左侧能量求和值和差分右侧能量求和值是否同时在它们各自的瞬态电弧边界内，其中如果差分左侧能量求和值和差分右侧能量求和值同时在其各自的瞬态电弧边界内，就设置电位电弧标志；(f)确定左侧能量求和值和右侧能量求和值是否同时在稳定电弧边界内，其中，如果左侧能量求和值和右侧能量求和值同时在稳定电弧边界内，就设置电位电弧标志；(g)如果设定了预定数量的连续电位电弧标志，则检测电弧故障；以及(h)多次重复步骤(a)至(g)以监测电弧故障。
本发明的优点是提供了交流电弧故障检测方法，该方法基于电压信号的分析来检测电弧故障。
本发明的另一个优点是提供了快速、可靠且准确的交流电弧故障检测方法。
本发明的另一个优点是提供了一种交流电弧故障检测方法，其减少了检测交流电弧故障所需的时间。
从以下结合附图和所附权利要求书对所示实施例的描述中，这些和其他优点将变得显而易见。
附图说明
本发明可以采用某些部件和部件布置的物理形式，将在说明书中详细描述其中的实施例并且将在形成其一部分的附图中阐释实施例，并且其中：
图1是根据本发明实施例的电弧故障检测算法的流程图；
图2是图1所示的电弧故障检测算法的子过程的流程图；
图3示出了使用图1的电弧故障检测算法检测电弧故障的示例电路；
图4示出了使用电弧存在捕获的电网电压信号；
图5示出了数字滤波后的图4的电压信号；
图6示出了裁剪后的图5的数字滤波信号；
图7示出了将裁剪的图6的电压信号平方而获得的能量波形。
图8示出左侧能量求和值的图；
图9示出右侧能量求和值的图；
图10示出了差分左侧能量求和值的图；
图11示出了差分右侧能量求和值的图；
图12示出表征电位稳定和瞬态电弧活动的标志图；和
图13示出根据本发明实施例的表征电弧故障存在/不存在的故障检测信号的输出。
具体实施方式
现在参考附图，其中附图仅仅是为了示出本发明的实施例而不是为了限制本发明的目的，图1是根据本发明实施例的电弧故障检测算法5的流程图；图2是电弧故障检测算法5的子过程的流程图，并且图3阐释了使用电弧故障检测算法5检测电弧故障的示例电路2。电路2包括交流电源80、分压器82、气隙84和负载86。计算机90编程为根据下面详细描述的电弧故障检测算法5运作。电压数据由计算机90使用数据采集设备88(例如，用于USB的National Instrument’s多功能数据采集(DAQ)-型号NI USB-6221)获取。
现在参考图1，算法5的步骤10是数据采集和准备能量波形。步骤10的细节会结合图2中的子过程和图4-7中所示的波形描述。
测量一个电压周期的视窗(步骤12)，和确定电压波形的最大和最小峰值的瞬时时刻(优选在第一毫秒之后)(步骤14)。省略视窗的第一毫秒的考虑是有利的，因为当该信号滤波时(如下所述)，在该时间段内将发生鸣响。
在所示实施例中，捕获电网电压的一个半周期以获得一个电压周期。图4中所示的“截断标记”减少了关注的视窗，因为截断标记之前的数据点将被来自数字滤波器的噪声污染。如下面将详细描述的那样，在最小和最大峰值之间分析电弧特征。
在步骤16，确定最大和最小峰值之间的过零点(其表示对称轴)。过零标记表示分割左侧和右侧的对称轴。步骤12-16由图4所示的波形阐释。
接下来，将带通滤波器应用于整个电压的视窗(步骤18)，如图5所示。因此，数字滤波捕获的电网电压。最小和最大峰值的标记保持在关注的分析区域。过零点标记保持在未滤波电压信号的过零点的位置。数字滤波进程产生的大峰在截断标记之前出现，并且在下面详细描述的分析中不考虑。
在步骤18，滤波的视窗在滤波之前截断在电压波形的最大和最小峰值之间的瞬间，如图6所示。因此，裁剪数字滤波的信号以便仅分析最小和最大峰值标记之间的数据。
接下来，在每个采样点对电压进行平方(步骤22)以获得V2能量值，由此提供图7所示的结果能量波形。因此，对图6中所示的裁剪电压信号平方以产生图7的能量波形。左侧能量和右侧能量都显示在图7的计量能量波形中。
在步骤24，应用较低的能量临界值和较高的能量临界值。基于没有电弧的纯粹的电网电压信号来预先确定较低能量临界值和较高能量临界值。在所阐释的示例中，较高能量临界值在图7中所示的图的范围之外。
在步骤26，将在较低临界值和较高临界值之间的左侧能量值(即，过零点左侧的能量值)和右侧能量值(即，过零点右侧的能量值)分别求和以获得两个(2)能量点(即，左侧能量求和值和右侧能量求和值)。重复在图2中显示的数据获取和准备步骤10作为子过程以获得用于算法5的多组能量点，如下所述。例如，可以在采样周期t期间获取数据。在本文所阐释的实施例中，采样周期t是12.5秒。然而，可以设想，采样周期可以是连续的时间周期，从而连续地监测用于检测交流电弧故障的电路。
现在回到图1，其示出了分别与评估左侧能量求和值(步骤30-38)、右侧能量求和值(步骤40-38)和总能量求和值(步骤50-58)相关联的三(3)个不同进程(步骤30-38、40-48和50-58)。总能量求和值是指左侧能量值和右侧能量值的总和。
参考步骤30，从步骤10获得左侧能量求和值。在步骤32，通过从之前的左侧求和能量值中减去当前左侧求和能量值来确定差分左侧求和能量值(即，在步骤10的在先迭代期间获得的左侧总和能量值)。类似地，在步骤40，从步骤10获得右侧能量求和值。在步骤42，通过从之前的右侧求和能量值中减去当前的右侧求和能量值来确定差分右侧求和能量值(即，在步骤10的在先迭代期间获得的右侧求和能量值)。在步骤50，总能量求和值通过对左侧求和值和右边能量求和值求和而获得。
如将在下面进一步详细讨论的，根据算法5重复数据采集步骤10。因此，获得多个左侧能量求和值(步骤30)、多个右侧能量求和值(步骤40)和多个总能量求和值(步骤50)。图8示出了在采样周期t期间在步骤30获得的多个左侧能量求和值。类似地，图9示出了在采样周期t期间在步骤40获得的多个右侧能量求和值。总能量总和值是左侧能量和右侧能量总和值的总和。图10示出了在采样周期t期间在步骤32获得的多个差分左侧求和能量值。图10中所示的图强调了能量总和值随时间的变化。类似地，图11示出了在采样周期t期间在步骤42处获得的能量值的多个差分右侧能量值。
现在参考步骤34、44和54，根据算法5重复步骤10的结果确定是否目前已经获得足够数量的能量求和值(即，左侧能量求和值、右侧能量求和值和总能量求和值)，以确定平均能量求和值。如果已经获得了足够数量的能量求和值，则由左侧能量求和值、右侧求和值和总能量求和值确定平均值(步骤36、46和56)。这些平均能量求和值用于确定弧轨迹边界，现在将对其进行详细描述。
基于相应的平均能量求和值确定稳定电弧检测区域(与左侧和右侧能量求和值相关联)的弧轨迹边界和转换电弧检测区域(与差分左侧和差分右侧能量求和值相关联)(步骤38、48和58)。应该注意的是，左侧和右侧能量求和值的稳定电弧检测区域的边界是相同的。
现在将详细描述用于确定建立稳定电弧检测区域的(下和上)边界的计算方法。根据本发明的实施例，稳定电弧检测区域边界根据以下表达式来计算：
SAarc＝V2 avg±(V2 avg*XSA+YSA)
其中：
SAarc表征稳定电弧检测区域的上下边界的值；
V2 avg是一组连续的左侧和右侧能量求和值的算术平均值；和
XSA和YSA分别是预先根据经验确定的恒定缩放比例和偏移值。
根据本发明的实施例，每次计算上边界和下边界时，有足够数量的新能量求和值计算另一个平均值。
图8和图9示出了由下边界104和上边界106限定的稳定电弧检测区域102。图中的边界已经达到它们的下限和上限，这些常数是基于由于突然电涌(即切换负载)和正常运行(系统中的基线能量)引起的能量值而预先确定的常数，具体来说是对于过零点左侧的能量。
现在将详细描述确定为建立用于差分左侧能量求和值的瞬态电弧检测区域的边界。应该注意的是，确定用于建立用于差分右侧能量求和值的瞬态电弧检测区域的边界基本相同，然而，用于差分右侧能量求和值的值代替差分左侧能量总和值。
根据本发明的实施例，根据以下表达式计算用于差分左侧能量求和值的瞬态电弧检测区域边界：
TALarc＝ΔV2 Lavg±(ΔV2 Lavg*XLTA+YLTA)
其中：
TALarc是表征瞬变电弧检测区域的上左侧边界和下左侧边界的值；
△V2 Lavg是一组连续微差分左侧能量求和值的平均值；和
XLTA和YLTA分别是预先根据经验确定的恒定缩放比例和偏移因素。
每次计算上边界和下边界时，有足够数量的新能量求和值计算另一个平均值。
图10示出了用于差分左侧能量求和值的由下边界124和上边界126限定的瞬态电弧检测区域122。图中的边界已经达到它们的下限和上限，这些常数是基于由于突然电涌(即切换负载)和正常运行(系统中的基线能量)引起的能量值而预先确定的常数，具体来说是对于过零点左侧的能量。
图11示出了用于差分右侧能量求和值的由下边界134和上边界136限定的瞬变电弧检测区域132。
根据本发明的实施例，可以为定义瞬态电弧检测区域的上边界和下边界建立预定的最小和最大极限值。在图10图11所示的实施例中，下边界的计算值小于最小极限值。相应地，下边界124和134设定为最小极限值。同样，上边界的计算值大于最大极限值。因此，上边界126和136设定为最大极限值。
在步骤62，如果差分左侧能量求和值(图10)和对应的差分右侧能量求和值(图11)同时保持在它们各自的瞬态电弧检测边界内，则确定已经检测到电位电弧特征并设置了的电位电弧标记(步骤70)。类似地，在步骤64，如果左侧能量求和值(图8)和右侧能量求和值(图9)同时处于稳定电弧检测边界内，则检测到电位电弧特征并且设置了位置电弧标志(步骤70)。在步骤72，确定是否已经设置了预定数量的连续电位电弧标志。如果已经设定了预定数量的连续电位电弧标志，则检测到电弧故障(步骤74)。
现在参考图12，当检测到电位电弧特征时，设置标记以跟踪所有电位电弧。下指向三角形表示稳定的电弧运动(步骤64)，而上指向三角形表示瞬态电弧活动(步骤62)。
在本发明的所阐释的示例性实施例中，用于检测电弧故障的连续电位电弧标记的预定数量设置为五(5)个标记。因此，当检测到五(5)个连续电位电弧特征时，算法5确定电弧故障已经发生(步骤74)。应该理解的是，根据本发明，为检测电弧故障需要设置的连续标志的预定数量可以设置为其他值。
如果在步骤72未检测到多个连续标志，则通过返回到步骤10重复算法5以获取另一组能量求和值。
响应于步骤74检测到的电弧故障，会激活电弧标志检测信号。响应于该电弧标志检测信号的激活会启动视觉警示或其他指示器。
在给出的示例中，在800毫秒处产生电弧(在图中的x轴上是刻度32)。电弧故障由算法5在900毫秒处确定(在图中的x轴上是刻度36)。因此，对于具有120Vrms 60Hz交流信号并具有大约10.2A负载的系统，电弧故障检测所需的时间为100毫秒。
以上描述了本发明的具体实施例。应该理解的是，这些实施例仅仅是为了说明目的而描述的，并且在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员可以做出许多变化和修改。只要它们落入如权利要求书或其等同物的本发明的范围内，旨在包括所有这些修改和变更。

Claims (7)

1.一种用于检测交流电路的电弧故障的方法，包括：
(a)测量交流电压信号以获得交流电压信号的一个周期；
(b)从所测量的交流电压信号中获得左侧能量求和值和右侧能量求和值，其中左侧能量求和值通过对过零点左边的左侧能量值求和来确定，并且右侧能量求和值是通过对过零点右边的右侧能量值来确定；其中所述左侧能量求和值通过对过零点左侧的左侧能量值求和来确定，并且所述右侧能量求和值通过对过零点右侧的右侧能量值求和来确定；
(c)获得差分左侧能量求和值和差分右侧能量求和值，其中差分左侧能量求和值和差分右侧能量求和值分别表示左侧能量求和值的改变和右侧能量求和值的改变；
(d)获得总能量求和值，其中总能量求和值是左侧能量求和值和右侧能量求和值的和；
(e)确定差分左侧能量求和值和差分右侧能量求和值是否同时在它们各自的瞬态电弧边界内，其中如果差分左侧能量求和值和差分右侧能量求和值同时在其各自的瞬态电弧边界内，就设置电位电弧标志；
(f)确定左侧能量求和值和右侧能量求和值是否同时在稳定电弧边界内，其中如果左侧能量求和值和右侧能量求和值同时在稳定电弧边界内，则设置电位电弧标志；
(g)如果设定了预定数量的连续电位电弧标志，则检测电弧故障；以及
(h)重复步骤(a)至(g)以多次监测电弧故障。
2.根据权利要求1所述的方法，其中获得多个左侧能量求和值和多个右侧能量求和值的步骤包括：
确定交流电压信号的一个周期中的最大和最小峰值；
确定交流电压信号的一个周期的最大和最小峰值之间的过零点；
将带通滤波器应用于交流电压信号的一个周期；
截断交流电压信号的一个周期到最大和最小峰值之间的视窗；
对交流电压信号的一个周期的电压值进行平方以获得表示能量值的平方电压值；
对能量值应用最小和最大能量临界值；和
在最小和最大能量临界值内将能量值求和到过零点的左侧以确定左侧能量求和值并且在最小和最大能量临界值内将能量值求和到过零点的右侧以确定右侧能量总和值。
3.根据权利要求1所述的方法，其中使用一组连续的左侧和右侧能量求和值的算术平均来确定稳定电弧边界。
4.根据权利要求1所述的方法，其中使用一组连续差分左侧能量求和值的平均值来确定差分左侧能量求和值的瞬态电弧检测边界。
5.根据权利要求1所述的方法，其中使用一组连续差分右侧能量求和值的平均值来确定差分右侧能量求和值的瞬态电弧检测边界。
6.根据权利要求1所述的方法，其中连续电位电弧标志的预定数量至少为5。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述瞬态电弧边界和所述稳定电弧边界周期性地重新计算。
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