CN109581160A

CN109581160A - 故障电弧检测方法

Info

Publication number: CN109581160A
Application number: CN201811477812.XA
Authority: CN
Inventors: 郭晨; 王勇俞; 高伟; 齐梓博; 刘玉宝; 梅志斌; 代鑫
Original assignee: Shenyang Fire Research Institute of Ministry of Public Security
Current assignee: Shenyang Fire Research Institute of Ministry of Public Security
Priority date: 2018-12-05
Filing date: 2018-12-05
Publication date: 2019-04-05
Anticipated expiration: 2038-12-05
Also published as: CN109581160B

Abstract

故障电弧检测方法，产生电弧时装置检测电弧电流信号频域特征量并发出报警信号，同时要确保正常负载通电不要报警；电流信号以及滤波后AD采样得到的数据以及针对数据的分析结果不断传到中控机。本发明通过上述方法，通过检测设定时段的电弧波状态，利用逻辑判定，进行故障电弧检测；解决了现有技术中存在的处理方法复杂、设备要求和制造成本高、检测准确性低的技术问题；提供了一种安全稳定、使用简单、计算快速、硬件设备要求低、造价成本低的故障电弧检测方法。

Description

故障电弧检测方法

技术领域

本发明属于电器检测领域，具体涉及一种故障电弧检测方法。

背景技术

当前电气防火技术主要依赖断路器和漏电保护装置，但电气火灾仍然是火灾的主要来源。这主要是由于现行主流的断路器保护仅仅可以对短路进行保护，对故障电弧这种能量较小但同样为火灾隐患的防护无能为力，且失效时无法及时发现；另一方面漏电保护存在大量的误动作，使得用电单位没有办法正常工作。因而，需要设计故障电弧检测装置来进行故障电弧的实时防护。

而目前故障电弧断路器在国内并没有相应可靠成型的产品，各种方法要么误动作过多，要么太过复杂。

《CN201711075770-一种交流故障电弧检测方法及其装置》中需要采用matlab高阶统计计量工具箱来计算电磁耦合信号的峭度值四阶累积量，统计计量复杂性很高，对控制器运算处理性能要求也很高；

《CN201810293981-一种基于突变系数和SVM的故障电弧检测方法》需要利用复杂的小波变换，同样提高了计算的复杂度，对控制器运算处理性能要求同样很高；

《CN201810282661-一种基于电弧脉冲信号时间特性的故障电弧检测方法》利用检测电弧脉冲信号时间间隔的电弧检测系统，针对电弧性负载，经过试验测量，仅在中低频信号 (10kHz以下)信号小于小能量故障电弧，鲁棒性差。

因此我们设计一种简单有效的方法针对故障电弧进行检测，仅利用逻辑判定，既不产生误动作，同时又满足国家标准中有关电弧数量报警的相关要求。

发明内容

本发明提供一种故障电弧检测方法，通过检测设定时段的电弧波状态，利用逻辑判定，进行故障电弧检测。本发明创造解决了现有技术中存在的处理方法复杂、设备要求和制造成本高、检测准确性低的技术问题。

为了实现上述目的，本发明创造采用的技术方案为：故障电弧检测方法，其特征在于，其步骤为：

1)利用电流互感器检测提取电流，并转化成电压信号；

2)将1)中得到的电压信号利用硬件电路进行指定频域段的滤波放大处理，得到处理后的信号D1和处理前的电流数据P1；

3)AD模块以速率SR1的采样速率采集信号D1和P1的数据，并分别上传至CPU内；

4)针对处理后的信号D1采集每0.01s内该信号的峰值，并将T1秒内所有的峰值按时间顺序记录下来；

5)将峰值数据通过CPU上传至服务器内进行存储；

6)将T1秒内的所有峰值利用相邻峰值比较，计算异常数据差的个数作为N1，同时取平均值，并记录下来；利用相邻峰值比较，并替代4s前的平均值，维持4个平均值进行计算，按时间先后顺序记为A1、A2、A3、A4，刚刚记录下来的平均值为A4，最早的平均值为 A1；

7)如果A3>A2+A4，则说明在记录A3的那一秒内有电弧，并在A4那一秒不经过判断直接按有电弧判定；比较A3的那一秒内所有的峰值与A4的大小，如果大于2倍的A4，则记为一个弧；

8)如果A3≤A2+A4，则需要判断在上一秒是否存在A2>A1+A3：如果上一秒存在 A2>A1+A3，则继续进行步骤9)的判断，否则直接进入步骤10)；

9)如果A3-A4＜K1，K1为常数，由T1决定，则将A4与A2、A3所在时刻的所有峰值进行对比，如果峰值大于A4，则该半波为一个电弧；如果A4-A3>K1，则将A4与A1、A2、A3 所在时刻的所有峰值进行对比，如果峰值大于A4，则该半波为一个电弧；

10)如果A3>A4+K2，其中K2为由T1决定的常数，则进入步骤11)，否则判定为无电弧；

11)如果A1>A2+K3，A4与A2、A3所在时刻的所有峰值进行对比，如果峰值大于A4，则该半波为一个电弧；否则，则将A4与A1、A2、A3所在时刻的所有峰值进行对比，如果峰值大于A4，则该半波为一个电弧；

12)记录所有P1>K4的半波，其中K4为常数，作为故障电弧处理；记录所有故障电弧半波个数N2，并与N1比较，取较小值；

13)判断是否存在某一秒中有14个以上的电弧半波，如果有则通过串口发出一个报警信号。

所述的步骤1)中，采用霍尔传感器进行电流信号的采集，直接得到经过电流转换过来的电压信号。

所述的步骤2)中，通过采样得到的电压信号进行2k～10k频率范围的滤波，采用硬件电路滤波，然后分别针对滤波前后的电路进行整流处理，送入AD模块的直流信号滤波整流电路中，得到该电弧在滤波前后的波形。

本发明创造的有益效果为：

1)在电弧产生4s内即可发现，而不必一定要等到故障电弧持续到短路才发现，极大地降低了电气火灾隐患。

2)利用在特定频域上的峰值进行四周期法判定是否有故障电弧，相对其他检测故障电弧算法方法简单，且由于所有的半波峰值比较并不是与某个固定的阈值进行比较，而是与前几秒的波形进行比较，从而提高了对不同负载的适应性，减少了误动作的可能性。

附图说明

图1：本发明实施例故障电弧检测流程图。

图2：电弧检测装部分的电气连接原理图。

图3：实际测量的滤波前后的波形图。

图4：图3截取的一部分波形数据并转化为数字信号数据连缀成的波形图。

图5：图4波形每个半波峰值连缀起来的波形图。

具体实施方式

故障电弧检测方法，其步骤为：

1)利用电流互感器检测提取电流，并转化成电压信号；

3)AD模块以SR1的采样速率采集信号D1和P1的数据，并分别上传至CPU内；

5)将峰值数据通过CPU上传至服务器内进行存储；

6)将T1秒内的所有峰值利用相邻峰值比较，计算异常数据差的个数，同时取平均值，并记录下来；利用相邻峰值比较，并替代4s前的平均值，维持4个平均值进行计算，按时间先后顺序记为A1、A2、A3、A4，刚刚记录下来的平均值为A4，最早的平均值为A1；

12)记录所有P1＝4095的半波作为故障电弧处理；记录所有故障电弧半波个数N2，并与N1比较，取较小值；

所述的步骤9)中，K1为1000。

所述的步骤10)中，K2为1200。

所述的步骤12)中，K4为4095。

所述的步骤7)中逻辑分析，描述如下：

以50kSa/s采样速率采集电流瞬时值后记录下来后，取出每0.01s内的最大电流瞬时值，记为FIL_MAX，则每秒可以记录100个FIL_MAX。将每0.5秒记录的50个FIL_MAX取平均值，记为FIL_AVER，则每2秒内有4个FIL_AVER。将这4个FIL_AVER和这2秒内的所有FIL_MAX进行6)至12)所示的流程图进行计算，最终就可以挑出所有的电弧的FIL_MAX。最后计算1s内带有故障电弧特征的FIL_MAX的数量，就可以判断某一秒中有14个以上的异常半波。

实施例1：

解决上述技术问题主要是通过如图1、图2所示的以下几点改进实现的：

1)产生电弧时装置检测电弧电流信号频域特征量并发出报警信号，同时要确保正常负载通电不要报警；

2)电流信号以及滤波后AD采样得到的数据以及针对数据的分析结果不断传到中控机。

根据上述构思，本实施例的故障电弧检测流程如图1所示。其流程描述如下：

a)针对步骤1)，我们选择霍尔传感器进行电流信号的采集，直接得到经过电流转换过来的电压信号；

b)针对步骤2)，可以通过步骤1)采样得到的电压信号进行2k～10k频率范围的滤波，采用硬件电路滤波，然后分别针对滤波前后的电路进行整流处理，得到可以送入AD模块的直流信号滤波整流电路如图2所示，得到该电弧在滤波前后得到的波形分别如图3所示；

c)利用AD模块以R1的采样速率采集信号D1和P1的数据，并分别上传至CPU内，并利用CPU计算每0.01s内D1和P1信号的峰值；上述三步即图1中将普通家用电器的电流电压数据传递给电弧检测装置部分；

d)针对图1的电弧检测装置，在获取经过调理的电流数据后，先对滤波峰值D1进行四周期采样法计算，该步骤为核心，对应技术方案步骤中6)至11)，e)至m)是根据图4进行具体说明，其中图4是图3截取的一部分波形数据并转化为数字信号数据连缀成的波形图；

e)如图4中共有5s的波形，由于电弧波形有平肩部分，导致滤波后峰值较高，因此可以容易看出第3s有电弧波形。由滤波前的波形为电网的电流信号可知，电流信号为50Hz，也就是每秒的波形可以分为100个半波，每个半波经过信号滤波整流后都有一个峰值，将这些半波峰值连缀起来即如图5所示。此例取T1＝1。图5中有500个坐标点，即共有5s的数据、500个半波峰值，将这些半波峰值依次保留在CPU中如步骤4)，并上传至服务器中备用如步骤5)；

f)将每1s内的半波峰值求平均值，第1s至第4s的波形分别设为A1、A2、A3、A4，如步骤6)；

g)如图5容易看出A3>A2+A4，即电弧出现在A3位置以及之前，将A4作为参考值，比较所有A3、A2时刻的峰值，如果有峰值大于2倍的A4的，就作为一个异常的峰值，该半波设定为电弧半波，如步骤7)；

h)由于A4时刻也有可能有电弧存在，所以在下一秒中可以仍然需要判断A4时刻是否有电弧存在，则在下一个1秒内仍然如流程e)和流程f)计算出新的平均值，设为A5，并直接继续进行类似流程g)中峰值比较部分的运算，而无需判断A4是否大于A3+A5。与流程 g)所不同的是如果A5-A4>K1，则需将平均值A5与A4、A2、A3所在时刻的所有峰值进行对比，否则仅需与A3、A4进行对比，如步骤9)；

i)判断完成后再比较A4是否大于A3+A5，如果大于A3+A5，则在下一秒内继续进行流程h)的计算，否则在下一秒内进行g)的计算，如步骤8)；

j)对比流程g)，如果A3≤A2+A4，且A2≤A1+A3，则仅需判断是否A3>A4+K2，如果存在，则证明A3所在的那一秒可能存在电弧，否则，就可以判定A1至A4没有电弧存在；

a)如果存在A3>A4+K2，还需判断是否存在A1>A2+K3，如果存在则需重复流程g)；

k)记录所有P1>50A的半波，同样作为故障电弧处理；

l)通过流程g)至l)，记录所有的异常半波，并数出个数；如果大于14个，则需产生报警信号，如步骤13；

m)如果有故障，将该报警信号通过串口传输到中控机上，如图1所示。

Claims

1.故障电弧检测方法，其特征在于，其步骤为：

1)利用电流互感器检测提取电流，并转化成电压信号；

5)将峰值数据通过CPU上传至服务器内进行存储；

6)将T1秒内的所有峰值利用相邻峰值比较，计算异常数据差的个数作为N1，同时取平均值，并记录下来；利用相邻峰值比较，并替代4s前的平均值，维持4个平均值进行计算，按时间先后顺序记为A1、A2、A3、A4，刚刚记录下来的平均值为A4，最早的平均值为A1；

8)如果A3≤A2+A4，则需要判断在上一秒是否存在A2>A1+A3：如果上一秒存在A2>A1+A3，则继续进行步骤9)的判断，否则直接进入步骤10)；

9)如果A3-A4<K1，K1为常数，由T1决定，则将A4与A2、A3所在时刻的所有峰值进行对比，如果峰值大于A4，则该半波为一个电弧；如果A4-A3>K1，则将A4与A1、A2、A3所在时刻的所有峰值进行对比，如果峰值大于A4，则该半波为一个电弧；

2.根据权利要求1所述的故障电弧检测方法，其特征在于：所述的步骤1)中，采用霍尔传感器进行电流信号的采集，直接得到经过电流转换过来的电压信号。

3.根据权利要求1所述的故障电弧检测方法，其特征在于：所述的步骤2)中，通过采样得到的电压信号进行2k～10k频率范围的滤波，采用硬件电路滤波，然后分别针对滤波前后的电路进行整流处理，送入AD模块的直流信号滤波整流电路中，得到该电弧在滤波前后的波形。