CN110568331B - 一种电弧故障检测方法及保护装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电弧故障检测方法及保护装置，其特征在于，包括主控芯片获取负载运行的每个周期的电流特征值；根据电流值进行分区，获取多个不同的电流分区；测试设定模式下根据每个周期的电流特征值更新每个电流区间的参考保护阈值；正常模式下根据电流有效值所处区间，与该电流区间的参考保护阈值进行对比，判断是否出现电弧故障周期。本发明可以轻易获取不同负载的参考保护阈值，针对性强，可以简化算法，减少内存占用量及计算量，且提高了正常模式下电弧故障判断的灵敏度和准确性。

Description

一种电弧故障检测方法及保护装置
技术领域
本发明涉及电子电路保护领域，具体涉及一种电弧故障检测方法及保护装置。
背景技术
电线绝缘老化或者破损或者接触不良，都可能发生故障电弧。故障电弧火花温度很高，有可能导致周围可燃物起火，导致电气火灾。
故障电弧检测保护技术已有很多研究，国内也有相关研究和专利。但这些专利往往通用于多种负载，但不同负载正常运行的波形并不同，且发生电弧故障时的特征也不一定相同，例如感性负载发生电弧故障时高频信号较大，而阻性负载发生电弧故障时高频信号较少，因此计算复杂，计算量大，甚至保护不灵敏。
不同的负载其正常运行时的电流波形可能不同，如图1、图2、图3所示，可看出300W调光灯、台式个人电脑、定频空调正常运行时的电流波形有较大区别，例如300W调光灯正常运行有平肩，而台式个人电脑有较大的di/dt，家用定频空调电流上下半波并不对称。它们正常运行时的幅值、有效值、高频噪声大小等也不一样。如果用固定的特征值进行判断是否发生电弧故障，可能会导致误判或者判断不灵敏。
公开号为CN101154800A的中国专利申请公开了“故障电弧检测方法及保护装置”，间隔若干个周期或者间隔固定时间，选取一个周期的电流波形数据集合作为正常时刻的参考数据集合，更新参考参数。这种方法有可能选取的周期为电弧故障周期，导致得到的参考参数不是正常运行的电流参数。通过判断是否有平肩部、是否有正负半周不对称、是否有di/dt进行判断是否发生电弧故障。而不同负载其di/dt、平肩部有区别，从而导致误判。
公开号为CN102621377A的中国发明专利公开了一种故障电弧检测方法，通过分析是否存在零休、正负半周不对称、周期性不明显、是否含有丰富高频谐波，这四个特征值与对应阀值比较，判断是否发生电弧故障。专利中并未说明对应阀值是如何确定的。
公开号为CN103278734B的中国发明专利公开了一种电弧故障探测装置及其探测方法，通过负载电弧特征库、负载电弧类型分析模块以及负载电弧判断模块来识别电弧。负载电弧特征库：存储有负载电弧的类型以及其对应的负载电弧特征曲线和阈值。负载电弧类型分析模块：对所述信号采集处理单元的输出信号进行特征分析，得到负载电弧特征参数，并将其与所述负载电弧特征库中的负载电弧特征曲线进行对比，得到负载电弧的类型。负载电弧判断模块：根据所述负载电弧的类型，将所述信号采集处理单元的当前输出值与所述阈值进行比较，当超过阈值时向所述控制输出单元输出动作信号。这种方法需要在特征库中事先存储好各种负载的电弧特征曲线和阀值，占据存储空间大，而且存储的负载不一定齐全。
公开号为CN101673934B的中国发明专利公开了一种串联电弧故障断路器及其串联电弧故障保护的方法，利用短时傅氏变换得到每个周波的基波分量、偶次谐波分量、奇次谐波分量。设置第一阈值为基波分量阈值，第二阈值为偶次谐波分量阈值，第三阈值为奇次谐波分量阈值，第四阈值为偶次谐波增量阈值，第五阈值为奇次谐波增量阈值。专利中并未说明各个阀值是如何确定的。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足之处而提供一种电弧故障检测方法及保护装置，本发明针对性强，可以简化算法，减少内存占用量及计算量，且提高了故障判断的灵敏度和准确性，可以准确地确定电弧检测特征的参考保护阀值。
本发明的目的通过以下两个方面的技术方案实现：
第一方面，本发明提供一种 一种电弧故障检测方法，其特征在于，包括
主控芯片获取负载运行的每个周期的电流特征值；
根据电流值进行分区，获取多个不同的电流分区；
测试设定模式下根据每个周期的电流特征值更新每个电流区间的参考保护阈值；
正常模式下根据电流有效值所处区间，与该电流区间的参考保护阈值进行对比，判断是否出现电弧故障周期。
进一步地，所述主控芯片获取负载运行的每个周期的电流特征值包括：
电流互感器获取负载运行电流信号；
所述电流信号经过放大滤波电路后进入主控芯片；
主控芯片以fsHZ的频率所述电流信号进行采样，每100个周期得到一个电流值I（m）；
主控芯片以fsHZ的频率对所述电流信号进行采样，以10ms为1个周期，则每个周期可采样得到0.01*fs 个电流值I(m)，m=1，2，……，0.01*fs。
进一步地，所述电流特征值包括电流有效值Irms、基波分量Ba、所述电流特征值包括电流有效值Irms、基波分量Ba、第3次谐波的谐波分量Sy3、第4次谐波的谐波分量Sy4、第5次谐波的谐波分量Sy5、第6次谐波的谐波分量Sy6、第7次谐波的谐波分量Sy7、第8次谐波的谐波分量Sy8、第9次谐波的谐波分量Sy9、第10次谐波的谐波分量Sy10、高频信号幅值最大值HFmax、最大di/dt值Vdimax、过零平肩时长Tfla。
进一步地，电弧保护装置允许的最大运行电流为Cu，以nA划分电流区间，共有W个电流区间，其中：W=Cu/n；
所述每个电流区间都有13个电流特征参考保护值，分别为：第j个电流区间的基波分量最大值Bamaxref(j)、第j个电流区间的基波分量最小值Baminref(j)、第j个电流区间的谐波分量Sy3最大值Sy3maxref (j)、第j个电流区间的谐波分量Sy4最大值Sy4maxref(j)、第j个电流区间的谐波分量Sy5最大值Sy5maxref (j)、第j个电流区间的谐波分量Sy6最大值Sy6maxref (j)、第j个电流区间的谐波分量Sy7最大值Sy7maxref (j)、第j个电流区间的谐波分量Sy8最大值Sy8maxref (j)、第j个电流区间的谐波分量Sy9最大值Sy9maxref(j)、第j个电流区间的谐波分量Sy10最大值Sy10maxref (j)、第j个电流区间的高频信号幅值最大值HFmaxref (j)、第j个电流区间的最大di/dt值Vdimaxref (j)、第j个电流区间的过零平肩时长最大值Tflaref (j)，其中j=1，2，……，W。
进一步地，所述测试设定模式下根据每个周期的电流特征值更新每个电流区间的参考保护阈值包括：
判断第i个周期的Irms（i）处于哪个电流区间；
比较所述电流区间下第i个周期的电流特征参数和所述电流区间的电流特征参考保护值；
根据比较结果更新所述电流区间的电流特征参考保护值。
进一步地，所述正常模式下根据电流有效值所处区间，与该电流区间的参考保护阈值进行对比，判断是否出现电弧故障包括：
判断电流有效值Irms（k）处于电流区间p；
比较第k个周期的电流特征参数和所述电流区间p的电流特征参考保护值；
根据比较结果判断第k个周期是否为故障电弧周期。
进一步地，如果第k个周期，其Irms(k)在区间p参考保护值没有故障电弧的电流特征参数，则第k个周期的特征值与区间（p-1）的参考保护值比较，进行判断。
进一步地，在 0.5s内有6个电弧故障周期，则发出报警信号和/或断开负载电源。
第二方面，本发明提供 一种电弧故障保护装置，，所述电弧故障保护装置用于实现第一方面所述的电弧故障检测方法。
进一步地，所述电弧故障保护装置包括有按键或拨码开关，通过改变所述按键或拨码开关的状态将所述电弧故障保护装置设置为正常模式或测试设定模式。
本发明的有益效果是：本发明提供一种电弧故障检测方法及保护装置，通过在安装或使用现场打开测试设定模式，负载在测试设定模式下运行一段时间，通过检测并分析正常运行电流，从而得到判断电弧故障的参考保护阀值；可以轻易获取不同负载的参考保护阈值，针对性强，可以简化算法，减少内存占用量及计算量，且提高了正常模式下电弧故障判断的灵敏度和准确性。
附图说明
利用附图对发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1是本发明的背景技术中所述的300W调光灯正常运行电流波形图。
图2是本发明的背景技术中所述的台式个人电脑正常运行电流波形图。
图3是本发明的背景技术中所述的家用定频空调正常运行电流波形图。
图4是本发明的一个实施例的保护装置进入测试设定模式示意图。
图5是本发明的一个实施例的根据按键或拨码开关选择模式的流程图。
图6是本发明的一个实施例的主控芯片保存数据、分析数据、保存电流特征值的流程图。
图7是本发明的一个实施例的测试设定模式工作流程图。
图8是本发明的一个实施例的正常模式工作流程图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
如图4至8所示，本实施例的一种电弧故障检测方法，用于电弧故障保护装置，电弧故障保护装置为电弧故障检测保护器或保护插座，可以通过按键或拨码开关选择测试设定模式和正常模式。
上述电弧故障检测方法包括：
通过电流互感器获取负载运行电流信号；
所述电流信号经过放大滤波电路后进入主控芯片；
经过放大滤波电路后的电流信号更加稳定，更有利于主控芯片接收。
主控芯片以fsHZ的频率对所述电流信号进行采样，以10ms为1个周期，则每个周期可采样得到0.01*fs 个电流值I(m)，m=1，2，……，0.01*fs，例如采样频率为200KHz时得到2K个电流值I（m）。
主控芯片对每个周期的所述电流值I（m）进行分析，得到每个所述电流值I（m）的电流特征值，所述电流特征值包括电流有效值Irms、基波分量Ba、第3次谐波的谐波分量Sy3、第4次谐波的谐波分量Sy4、第5次谐波的谐波分量Sy5、第6次谐波的谐波分量Sy6、第7次谐波的谐波分量Sy7、第8次谐波的谐波分量Sy8、第9次谐波的谐波分量Sy9、第10次谐波的谐波分量Sy10、高频信号幅值最大值HFmax、最大di/dt值Vdimax、过零平肩时长Tfla。
例如，第i个周期的电流特征值为：
电流有效值Irms(i)、基波分量Ba(i)、第k次谐波分量Syk(i)、HFmax(i)、Vdimax(i)、Tfla(i)；
其中，i=1，2，……，N；
其中，k=3，……，10；
其中，HFmax(i)取fs/4 Hz至 fs/2 Hz频率区间的信号的幅值的最大值；例如，采样频率为200KHz时，HFmax(i)取50KHz~100KHz区间的信号的幅值的最大值。
Vdimax(i)为第i个周期内相邻两个采样电流值的差值的绝对值的最大值，即
Vdimax(i)=max（|Ii(m+1)- Ii(m)| ），m=1，2，……，0.01*fs
Tfla(i)为第i个周期内，采样电流值的绝对值≤0.5A的个数。
每个周期可以得到13个特征值。
根据电流值进行分区，获取多个不同的电流分区；
若电弧保护器或保护插座允许的最大运行电流为Cu，按nA划分电流区间，共有W个区间，其中：W=Cu/n，例如，当n=0.5时，区间划分如下：
区间一：0.1A-0.5A；
区间二：0.5A-1A；
区间三：1A-1.5A；
……
区间W=Cu/0.5：（Cu-0.5）A-（Cu）A；
例如当Cu为32A，W=64，则有64个区间。
每个区间都有13个特征参考保护值：分别为：第j个电流区间的基波分量最大值Bamaxref(j)、第j个电流区间的基波分量最小值Baminref(j)、第j个电流区间的谐波分量Sy3最大值Sy3maxref (j)、第j个电流区间的谐波分量Sy4最大值Sy4maxref (j)、第j个电流区间的谐波分量Sy5最大值Sy5maxref (j)、第j个电流区间的谐波分量Sy6最大值Sy6maxref (j)、第j个电流区间的谐波分量Sy7最大值Sy7maxref (j)、第j个电流区间的谐波分量Sy8最大值Sy8maxref (j)、第j个电流区间的谐波分量Sy9最大值Sy9maxref (j)、第j个电流区间的谐波分量Sy10最大值Sy10maxref (j)、第j个电流区间的高频信号幅值最大值HFmaxref (j)、第j个电流区间的最大di/dt值Vdimaxref (j)、第j个电流区间的过零平肩时长最大值Tflaref (j)，其中j=1，2，……，W。
测试设定模式下根据每个周期的电流特征值更新每个电流区间的参考保护阈值；
判断第i个周期的Irms（i）处于哪个电流区间；
比较所述电流区间下第i个周期的电流特征参数和所述电流区间的电流特征参考保护值；
根据比较结果更新所述电流区间的电流特征参考保护值。
例如：记录分析得到第1个周期的13个特征值，比较Irms(1)在哪个电流区间，则根据第1个周期的12个特征值，设置此电流区间的特征参考保护值。例如
0.1A≤Irms(1) ≤0.5A，则在区间一内，则区间一的12个特征参考保护值：
Bamaxref(1)= Ba(1)；
Baminref(1)= Ba(1)；
Sy3maxref (1)=Sy3 (1)；
Sy4maxref (1)=Sy4 (1)；
……
Sy10maxref (1)=Sy10 (1)；
HFmaxref (1)=HFmax(1)；
Vdimaxref (1)= Vdimax (1)；
Tflaref (1)= Tfla (1)；
再记录分析得到第2个周期的13个特征值，比较Irms(2)在哪个电流区间，如果仍在区间一，则：
如果 Ba(2)＞Bamaxref(1)，则将Bamaxref(1)更新为Ba(2)：Bamaxref(1)=Ba(2)。否则Bamaxref(1)不变；
如果 Ba(2)＜Baminref(1)，则将Baminref(1)更新为Ba(2)：Baminref(1)=Ba(2)。否则Baminref(1)不变；
如果 Sy3(2)＞Sy3maxref(1)，则将Sy3maxref(1)更新为Sy3(2)：Sy3maxref(1)=Sy3(2)。否则Sy3maxref (1)不变；
如果 Sy4(2)＞Sy4maxref(1)，则将Sy4maxref(1)更新为Sy4(2)：Sy4maxref(1)=Sy4(2)。否则Sy4maxref(1)不变；
……
如果 Sy10 (2)＞Sy10maxref(1)，则将Sy10maxref(1)更新为Sy10(2)：Sy10maxref(1)=Sy10 (2)。否则Sy10maxref (1)不变；
如果 HFmax(2)＞HFmaxref(1)，则将HFmaxref (1)更新为HFmax(2)：HFmaxref(1)=HFmax(2)。否则Sy10maxref (1)不变；
如果 Vdimax(2)＞Vdimaxref(1)，则将Vdimaxref(1)更新为Vdimax(2)：Vdimaxref(1)=Vdimax (2)。否则Vdimaxref (1)不变；
如果 Tfla(2)＞Tflaref(1)，则将Tflaref(1)更新为Tfla(2)：Tflaref(1)=Tfla(2)。否则Tflaref (1)不变；
通过以上步骤得到第i个周期的13个特征值，则先比较Irms(i)在哪个电流区间。若在第j个电流区间，则比较第i个周期的特征值与第j个电流区间的参考保护值，更新第j个电流区间的参考保护值。最终得到如下参考保护值表：
电流区间 Bamaxref Baminref Sy3maxref Sy4maxref …… Sy10maxref HFmaxref Vdimaxref Tflaref
0.1~0.5 Bamaxref(1) Baminref(1) Sy3maxref(1) Sy4maxref(1) …… Sy10maxref(1) HFmaxref(1) Vdimaxref(1) Tflaref(1)
0.5~1 Bamaxref(2) Baminref(1) Sy3maxref(2) Sy4maxref(2) …… Sy10maxref(2) HFmaxref(2) Vdimaxref(2) Tflaref(2)
1~1.5 Bamaxref(3) Baminref(3) Sy3maxref(3) Sy4maxref(3) …… Sy10maxref(3) HFmaxref(3) Vdimaxref(3) Tflaref(3)
…… …… …… …… …… …… …… …… …… ……
区间W Bamaxref(W) Baminref(W) Sy3maxref(W) Sy4maxref(W) Sy10maxref(W) HFmaxref(W) Vdimaxref(W) Tflaref(W)
关闭测试设定模式，正常运行时，正常模式下根据电流有效值所处区间，与该电流区间的参考保护阈值进行对比，判断是否出现电弧故障周期；
判断电流有效值Irms（k）处于电流区间p；
比较第k个周期的电流特征参数和所述电流区间p的电流特征参考保护值；
根据比较结果判断第k个周期是否为故障电弧周期。
例如，如第k个周期，其Irms(k)在区间p，则
如果 Ba(k)≥δ1*Bamaxref(p)，则第k个周期为故障电弧周期；
如果 Ba(k)≤δ2*Baminref(p)，则第k个周期为故障电弧周期；
如果 Sy3(k)≥δ3*Sy3maxref(p)，则第k个周期为故障电弧周期；
如果 Sy4(k)≥δ4*Sy4maxref(p)，则第k个周期为故障电弧周期；
……
如果 Sy10 (k)≥δ10*Sy10maxref(p)，则第k个周期为故障电弧周期；
如果 HFmax(k)≥δ11*HFmaxref(p)，则第k个周期为故障电弧周期；
如果 Vdimax(k)≥δ12*Vdimaxref(p)，则第k个周期为故障电弧周期；
如果 Tfla(k)≥δ13*Tflaref(p)，则第k个周期为故障电弧周期；
其中，δ1*Bamaxref(p)表示在p电流区间下，更新后的基波分量的最大参考保护值的，δ2*Baminref(p)、δ3*Sy3maxref(p)等类似。
如果第k个周期，其Irms(k)在区间p参考保护值没有故障电弧的电流特征参数，则第k个周期的特征值与区间（p-1）的参考保护值比较，进行判断。
如果在 0.5s内有6个电弧故障周期，则发出报警信号和/或断开负载电源。
本发明提供一种电弧故障检测方法及保护装置，通过在安装或使用现场打开测试设定模式，负载在测试设定模式下运行一段时间，通过检测并分析正常运行电流，从而得到判断电弧故障的参考保护阀值；可以轻易获取不同负载的参考保护阈值，针对性强，可以简化算法，减少内存占用量及计算量，且提高了正常模式下电弧故障判断的灵敏度和准确性。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (8)

1.一种电弧故障检测方法，其特征在于，包括
主控芯片获取负载运行的每个周期的电流特征值；
根据电流值进行分区，获取多个不同的电流分区；
测试设定模式下根据每个周期的电流特征值更新每个电流区间的参考保护阈值；
正常模式下根据电流有效值所处区间，与该电流区间的参考保护阈值进行对比，判断是否出现电弧故障周期，
所述主控芯片获取负载运行的每个周期的电流特征值包括：
电流互感器获取负载运行电流信号；
所述电流信号经过放大滤波电路后进入主控芯片；
主控芯片以fsHZ的频率对所述电流信号进行采样，以10ms为1个周期，则每个周期可采样得到0.01*fs个电流值I(m)，m＝1，2，……，0.01*fs，
主控芯片对每个周期的所述电流值I(m)进行分析，得到每个所述电流值I(m)的电流特征值，
所述电流特征值包括电流有效值Irms、基波分量Ba、第3次谐波的谐波分量Sy3、第4次谐波的谐波分量Sy4、第5次谐波的谐波分量Sy5、第6次谐波的谐波分量Sy6、第7次谐波的谐波分量Sy7、第8次谐波的谐波分量Sy8、第9次谐波的谐波分量Sy9、第10次谐波的谐波分量Sy10、高频信号幅值最大值HFmax、最大di/dt值Vdimax、过零平肩时长Tfla。
2.如权利要求1所述的一种电弧故障检测方法，其特征在于，所述根据电流值进行分区，获取多个不同的电流分区包括：
电弧保护装置允许的最大运行电流为Cu，以nA划分电流区间，共有W个电流区间，其中：W＝Cu/n；
所述每个电流区间都有13个电流特征参考保护值，分别为：第j个电流区间的基波分量最大值Bamaxref(j)、第j个电流区间的基波分量最小值Baminref(j)、第j个电流区间的谐波分量Sy3最大值Sy3maxref(j)、第j个电流区间的谐波分量Sy4最大值Sy4maxref(j)、第j个电流区间的谐波分量Sy5最大值Sy5maxref(j)、第j个电流区间的谐波分量Sy6最大值Sy6maxref(j)、第j个电流区间的谐波分量Sy7最大值Sy7maxref(j)、第j个电流区间的谐波分量Sy8最大值Sy8maxref(j)、第j个电流区间的谐波分量Sy9最大值Sy9maxref(j)、第j个电流区间的谐波分量Sy10最大值Sy10maxref(j)、第j个电流区间的高频信号幅值最大值HFmaxref(j)、第j个电流区间的最大di/dt值Vdimaxref(j)、第j个电流区间的过零平肩时长最大值Tflaref(j)，其中j＝1，2，……，W。
3.如权利要求2所述的一种电弧故障检测方法，其特征在于，所述测试设定模式下根据每个周期的电流特征值更新每个电流区间的参考保护阈值包括：
判断第i个周期的Irms(i)处于哪个电流区间；
比较所述电流区间下第i个周期的电流特征参数和所述电流区间的电流特征参考保护值；
根据比较结果更新所述电流区间的电流特征参考保护值。
4.如权利要求2所述的一种电弧故障检测方法，其特征在于，所述正常模式下根据电流有效值所处区间，与该电流区间的参考保护阈值进行对比，判断是否出现电弧故障包括：
判断电流有效值Irms(k)处于电流区间p；
比较第k个周期的电流特征参数和所述电流区间p的电流特征参考保护值；
根据比较结果判断第k个周期是否为故障电弧周期。
5.如权利要求4所述的一种电弧故障检测方法，其特征在于，如果第k个周期，其Irms(k)在区间p参考保护值没有故障电弧的电流特征参数，则第k个周期的特征值与区间(p-1)的参考保护值比较，进行判断。
6.如权利要求1所述的一种电弧故障检测方法，其特征在于，在0.5s内有6个电弧故障周期，则发出报警信号和/或断开负载电源。
7.一种电弧故障保护装置，其特征在于，所述电弧故障保护装置包括权利要求1至6任意一项所述的电弧故障检测方法。
8.如权利要求7所述的一种电弧故障保护装置，其特征在于，所述电弧故障保护装置包括有按键或拨码开关，通过改变所述按键或拨码开关的状态将所述电弧故障保护装置设置为正常模式或测试设定模式。
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