CN110763941B - 一种基于电弧脉冲信号幅值特性的故障电弧检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于电弧脉冲信号幅值特性的故障电弧检测方法，包括设置可检测电弧幅值特性的电弧检测系统，该电弧检测系统包括至少1个变化磁场检测传感器、与所述变化磁场检测传感器同等数量的正负幅值比较单元，与所述变化磁场检测传感器同等数量的正负幅值检测单元以及一个信号处理单元和一个电源控制单元；通过该电弧检测系统可对检测到的脉冲信号幅值与系统设定值大小进行比较，同时检测脉冲信号幅值的大小。本方法只需检测故障电弧脉冲信号的幅值信号便可实现故障电弧检测，降低了硬件或者软件的复杂度,可以做到无待机功耗。

Description

一种基于电弧脉冲信号幅值特性的故障电弧检测方法
技术领域
本发明涉及电弧监测技术领域，特别涉及一种基于电弧脉冲信号正负幅值特性的故障电弧检测方法。
背景技术
在中国火灾原因分析中，由于电气原因引起的火灾占比在30％以上。
电气火灾发生的原因很多，比如：短路、绝缘老化、过流、接地故障、接触不良、家电或电热设备引燃可燃物等等。从本质上讲，在所有的电气火灾发生过程中，都会伴有电弧发生。
在美国，根据CPSC(美国消费品安全委员会)1998年的统计，每年由于配电线路老化引起电弧造成的火灾有超过40000起，造成直接经济损失16.8亿美元。
目前已经存在电弧故障断路器和故障电弧报警器。其在传统的断路器的基础上添加了对故障电弧起保护作用的功能，以防范由于故障电弧而引发的火灾；或者检测到故障电弧后发出报警信息。
目前的故障电弧的判定方法基本上都是要判定电流信号的畸变和电压信号的畸变，需要同时连接电压和电流回路，需要用到高速的数据采样和复杂的数学计算，如傅立叶变换或者小波分析，这样对处理器计算能力有很高的要求，增加了硬件或者软件的复杂度,以及无法做到无待机功耗。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于电弧脉冲信号幅值特性的故障电弧检测方法；该方法只需检测故障电弧脉冲信号的幅值信号便可实现故障电弧检测，其降低了硬件或者软件的复杂度,可以做到无待机功耗。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：一种基于电弧脉冲信号幅值特性的故障电弧检测方法，包括设置可检测电弧幅值特性的电弧检测系统，该电弧检测系统包括至少1个变化磁场检测传感器、与所述变化磁场检测传感器同等数量的正负幅值比较单元，与所述变化磁场检测传感器同等数量的正负幅值检测单元以及一个信号处理单元和一个电源控制单元；
所述变化磁场检测传感器分别与正负幅值比较单元和正负幅值检测单元相互连接；所述正负幅值比较单元同时还分别与信号处理单元和电源控制单元相互连接；所述正负幅值检测单元与信号处理单元相互连接，并且信号处理单元与电源控制单元相互连接，同时信号处理单元输出电弧故障信号；
所述变化磁场检测传感器的输出信号，经处理后分别发送给正负幅值比较单元和正负幅值检测单元，其中，处理后的信号幅值与所述正负幅值比较单元脉冲幅值设定值大小进行比较，若正负幅值比较单元经比较判断后给出脉冲信号，该脉冲信号输出给电源控制单元，电源控制单元给信号处理单元供电，信号处理单元开始工作，计数器C清0；并且每个脉冲信号到来时，信号处理单元开始计时；同时信号处理单元对所述正负幅值检测单元检测到的磁场检测传感器输出信号的正负幅值进行AD转换处理，并存储于内存中；在信号处理单元处理完成AD转换后通过输出信号复归幅值检测单元，等待下一个脉冲信号；如果在给定的时间TW内，没有下一个脉冲信号，则清除所存储的AD转换值和计数器C的值，信号处理单元发出信号给电源控制单元，关闭信号处理单元的供电；
在信号处理单元对所述正负幅值检测单元检测进行AD转换处理过程中，设当前的AD转换后的正幅值为ADZ1,负幅值ADF1,存储的AD转换后的正幅值为ADZ2,负幅值ADF2，如果|ADZ1-ADZ2|或者|ADF1-ADF2|大于设定值ADSET，计数器C加一；如果C>计数设定值，则输出故障电弧信号。
进一步的，所述变化磁场检测传感器为套在待检测回路上的没有磁芯的空心线圈，或者为有磁芯的线圈、且该有磁芯的线圈流过正常负载电流磁芯不饱和，或者为安装在待检测回路合适位置的能够检测磁场强度的高敏度的磁场敏感元件。
更进一步的，所述没有磁芯的空心线圈或者有磁芯的线圈的输出端连接有用于对其输出信号进行处理的滤波单元，该滤波单元为低通或者带通滤波器；或者线圈本身作为滤波器电路的元件与电容或电阻配合构成滤波单元。
更进一步的，所述磁场敏感元件为高敏度的霍尔器件或者磁通门器件或者磁阻器件或者巨磁阻器件或者隧道磁阻器件，磁场敏感元件安装位置靠近待检测回路以获得更好的灵敏度,且磁场敏感元件的输出端连接有用于对其输出信号进行处理的滤波单元，该滤波单元可为带通滤波器或者高通滤波器。
进一步的，所述正负幅值比较单元用于比较滤波单元输出信号与其设定值的大小，当滤波单元输出信号幅值的绝对值不小于脉冲幅值设定值，幅值比较单元脉冲信号输出逻辑1，否则输出逻辑0。
进一步的，所述正负幅值比较单元为比较器、逻辑门电路、二极管，双极型三极管、MOS型场效应管或者信号处理单元的IO口中的任一种。
进一步的，所述信号处理单元采用单片机，微处理器，可编程逻辑器件，数字信号处理器或者专用集成电路ASIC中的任一种；且所述信号处理单元至少包含与变化磁场检测传感器数量一致的AD转换通道，并可以通过软件或者数字逻辑的方法实现上述的检测方法。
进一步的，所述正负幅值检测单元单元可采用下列方式的任意一种：信号整流，峰值检波器，乘法器或者AD采样经程序运算得到的信号交流幅值。
进一步的，所述正负幅值检测单元的幅值检测复归电路可采用下列方式的任意一种：三极管，场效应管，模拟开关，OC电路，OD电路；其中，若AD采样经程序运算得到的信号交流幅值的方法，则不需要幅值检测复归电路。
进一步的，所述ADSET的设定为100，计数设定值为2，TW的设定为100ms。
本发明的原理及效果说明如下：
变化磁场检测传感器可以是套在待检测回路上的没有磁芯的空心线圈或者有磁芯的线圈且流过正常负载电流磁芯不饱和,也可以是安装在待检测回路合适位置的能够检测磁场强度的高敏度的霍尔器件或者磁通门器件或者磁阻器件或者巨磁阻器件或者隧道磁阻器件,安装位置极可能靠近待检测回路以获得更好的灵敏度。
根据电磁学原理，套在待检测供电回路上的检测线圈的输出电压正比于其检测的电流变化率，电流变化率正比于电流的值和电流信号频率。套在待检测供电回路上的检测线圈的输出电压在待检测供电回路为低频正弦波电流(如50HZ/60HZ)或者直流电流时，输出电压很低，为毫伏级信号。有电流发生突变时，突变电流的幅值为负载电流的瞬时值，电流信号带宽在几十KHZ，或者几百KHZ甚至更大，检测线圈能够输出较大的脉冲电压，可以达到几伏甚至更高。
由于电力信号一般为低频正弦波信号，其电流变化率低，在检测回路上能够输出的电压值很低，经滤波单元后，其幅值不能驱动启动脉冲比较单元输出信号。
当发生电弧故障时，突变电流的幅值为负载电流的瞬时值，电流信号带宽在几十KHZ，或者几百KHZ甚至更大，检测线圈会产生较大的感应脉冲电压信号，经过滤波单元，滤除不必要的干扰信号后，与幅值比较单元的设定值进行比较，其幅值超过设定值，会输出一个或者一串脉冲信号。
设置滤波单元的目的是为了滤除不必要的干扰信号，比如在线路合闸时，线路分布电容充电，会有一个非常大的高频电流，引起干扰；日光灯启辉器放电时，会有一个非常大的高频信号，引起的干扰。经过滤波单元后，这些干扰信号都予以滤除。
能够检测磁场强度的高敏度的霍尔器件或者磁通门器件或者磁阻器件或者巨磁阻器件或者隧道磁阻器件能够感应待检测回路中电流形成的磁场,输出一个电压信号,该信号大小正比于待检测回路电流的大小,该信号经过带通滤波或者高通滤波后,滤除电网频率及其低次谐波的信号,保留高频部分突变信号，该信号幅值较小,需要经过放大后,送入幅值比较器。
我们在专利的实施中发现，幅值比较单元的输入信号在正的半周和负的半周都有较大的信号，设置正向和负向的幅值比较器即正负幅值检测单元有利于提高故障电弧检测的灵敏度和准确性。
设置正负幅值比较单元，主要是为了区分与待检测回路的电弧故障和并联回路电弧故障。通过设置正负幅值比较单元设定值，使得待检测回路发生电弧故障时，能够输出脉冲信号；而并联回路发生电弧故障时，不能输出脉冲信号。试验证明，待检测回路发生故障时，输出信号的幅值为并联回路发生电弧故障时输出信号的3倍以上，通过设置正负幅值比较单元的设定值，能够避免并联回路电弧故障引起的误动。
电弧故障信号由于是电弧燃烧产生，具有明显的非线性特征，而且受到外界诸多因素的影响，其电流突变的值有一定的随机性，而通常的干扰性负载的电流突变是规律性的。电流突变值的随机性会在磁场检测传感器输出信号的输出幅值上和周期上呈现随机性，表现在信号的幅值不稳定和周期的不稳定性。本发明就是利用磁场检测传感器输出信号的正负幅值的不稳定性来判断故障电弧的。
附图所示的检测框图中，其受到的干扰主要包括设备接通瞬间，导致电流突变，引起的脉冲输出；周期性非线性负载引起的脉冲输出；电弧性负载引起的脉冲输出。
线性负载设备，如电炉，加热器，交流电动机等，由于本发明的检测线圈仅仅检测高频突变信号，在正常工作时，输出电压信号很小，不足以使得正负幅值检测单元有脉冲信号输出。接通瞬间引起的电流突变信号，一般会引起1个或者多个电弧脉冲信号，但是持续时间很短，一般维持电力信号的半个周期时间或者一个周期时间。由于单次接通时产生的电弧所输出的脉冲信号称为单周期电弧干扰信号。
一般的非线性负载，比如计算机，大功率开关电源，微波炉，变频器等，由于本发明的检测线圈仅仅检测高频突变信号，在正常工作时，输出电压信号很小，不足以使得幅值比较器有脉冲信号输出，只有在接通电源的瞬间会有脉冲信号输出，一般维持时间半个周期或者1个周期的时间，与单周期电弧干扰信号类似。
通过调整可控硅的导通角进行调压调功的非线性负载会产生连续的脉冲信号输出。这种类型的脉冲信号输出都是连续的，按照电力信号的周期，呈严格的周期性，称为周期性干扰信号，其幅值也呈现稳定性和周期性。
电弧性负载，如带有碳刷的手电钻，吸尘器等，在正常工作时，由于电枢感生的反生电动势的原因，以及电枢是一个感性元件的原因，其电弧信号幅值不足以引起脉冲信号输出。我们试验了手电钻，吸尘器等负载，都证实了上述观点。即使在其启动时，都不足以引起脉冲信号输出，只有合闸瞬间，会有脉冲信号输出，其特性与单周期电弧干扰信号类似。
真正的故障电弧电流，其能量大，能够在检测线圈上产生较高的电压输出，并且脉冲信号的幅值呈现出不稳定的特点。
采用磁场传感器时,通过带通或者高通滤波器和放大器后,可以实现与检测线圈类似的效果。
附图说明
图1是本发明采用检测线圈的检测原理框图。
图2是变化磁场检测传感器、正负幅值比较单元、正负幅值检测单元、电源控制单元的电路连接图。
图3是信号处理元电路连接图。
图4是电源电路连接图。
图5是PCB原件布局图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例一。
如图1所示，一种基于电弧脉冲信号幅值特性的故障电弧检测方法，其特征在于包括设置可检测电弧幅值特性的电弧检测系统，该电弧检测系统包括至少1个变化磁场检测传感器、与所述变化磁场检测传感器同等数量的正负幅值比较单元，与所述变化磁场检测传感器同等数量的正负幅值检测单元以及一个信号处理单元和一个电源控制单元；
所述变化磁场检测传感器分别与正负幅值比较单元和正负幅值检测单元相互连接；所述正负幅值比较单元同时还分别与信号处理单元和电源控制单元相互连接；所述正负幅值检测单元与信号处理单元相互连接，并且信号处理单元与电源控制单元相互连接，同时信号处理单元输出电弧故障信号；
所述变化磁场检测传感器的输出信号，经处理后分别发送给正负幅值比较单元和正负幅值检测单元，其中，处理后的信号幅值与所述正负幅值比较单元脉冲幅值设定值大小进行比较，若正负幅值比较单元经比较判断后给出脉冲信号，该脉冲信号输出给电源控制单元，电源控制单元给信号处理单元供电，信号处理单元开始工作，计数器C清0；并且每个脉冲信号到来时，信号处理单元开始计时；同时信号处理单元对所述正负幅值检测单元检测到的磁场检测传感器输出信号的正负幅值进行AD转换处理，并存储于内存中；在信号处理单元处理完成AD转换后通过输出信号复归幅值检测单元，等待下一个脉冲信号；如果在给定的时间TW内，没有下一个脉冲信号，则清除所存储的AD转换值和计数器C的值，信号处理单元发出信号给电源控制单元，关闭信号处理单元的供电；
在信号处理单元对所述正负幅值检测单元检测进行AD转换处理过程中，设当前的AD转换后的正幅值为ADZ1,负幅值ADF1,存储的AD转换后的正幅值为ADZ2,负幅值ADF2，如果|ADZ1-ADZ2|或者|ADF1-ADF2|大于设定值ADSET，计数器C加一；如果C>计数设定值，则输出故障电弧信号。
本实施例中，所述ADSET的设定为100，计数设定值为2，TW的设定为100ms。
实施例二。
本实施例以实施例一搭建的系统为基础作进一步描述。
如图2所示，本实施例采用探测线圈作为变化磁场检测传感器。检测线圈绕在相对导磁率为75的磁环上，外径约39mm，内径约21mm，厚度11mm的磁环的绕制200匝，构成探测线圈。
滤波单元采用容量4700P高频陶瓷电容器C14与1000P的高频陶瓷电容C15，C16共同构成，以及与检测线圈的电感一起构成一个谐振选频回路，为带通滤波器，接近其谐振频率的信号会有较大的输出。
正负脉冲比较单元采用D12，D13两个稳压二极管与Q4，Q5共同构成，通过选择稳压二极管的稳压值，使得待检测回路发生故障电弧时，Q4、Q5能够导通，而并联回路发生故障电弧时，Q4，Q5不导通。待检测回路发生故障电弧时与并联回路发生故障电弧时，C14两端电压相差3倍以上，本实例中选择的稳压二极管额定稳压值为2.4V。无论是正的脉冲信号或者是负的故障电弧信号，总能使得Q4，Q5至少有一个导通。
当有电弧脉冲信号时，Q4，Q5至少一个导通，C17会快速放电，使得Q9导通，C18快速放电，展宽了脉冲信号。Q9导通使得Q3导通，信号处理单元供电，没有脉冲信号时，R10对C18进行充电,到达Q3的关断阈值电压后，Q3关断,信号处理单元断电。
CPU可以通过IO口接电阻R23接Q6的基极，IO口为高电平时，Q6导通后，Q3导通，信号处理单元供电；当IO口为低电平时，Q6截止，R4对C2进行充电，到达Q3的关断阀值电压后，Q3关断，信号处理单元断电。
同时，Q4，Q5导通后，经过一个迟滞比较器，进行波形整形后，输出给信号处理单元，进行处理。
故障电弧信号经过D8，D9整流后，分别给C11，C12充电，经分压后，输入到信号处理单元的ADC输入通道，进行AD转换，构成了正负幅值检测单元。
ADC转换完成后信号处理单元通过IO口控制Q7，Q8导通，使得C11，C12放电，正负幅值检测单元复位。
按照实施例一中记载的方法，进行判断，如果检测到故障电弧信号，则其IO口驱动Q2导通，带动声光报警器报警，同时控制无线通信芯片发送无线报警信号。
如图4所示，系统另外配置一个电流互感器，20A/20mA；电流互感器输出通过整流，滤波，限压后通过能量搜集电路给电池充电，同时检测互感器电流输出。电池给整个系统供电。
此外，被检测回路的火线同时穿过探测线圈和电流互感器。
信号处理单元采用ST公司低功耗M0内核的处理器STM32L071RB的单片处理器，外围电路包括晶体振荡器，复位电路等。通过SPI接口，连接无线通信芯片，为SEMITECH公司的SX1278，SX1278外围包括晶体振荡器，收发天线开关，滤波器和天线等。
其中，STM32L071RB的1个AD输入接电流检测电阻一端，如上图标注的微处理器AD输入。STM32L071RB的一个输出IO口，接一个MOS管的栅极，控制声光报警器输出。STM32L071RB的I2C接口，接温湿度传感器。
对STM32L071RB微处理器编写程序，实现无线的通信底层代码，按照本发明给定的判定方法编写电弧故障检测软件。
STM32L071RB是一个基于COTEX M0的32位单片微控制器，LQFP64封装，192KBFLASH存储器，20KB RAM，51个IO引脚，16路12BIT AD转换器，具有RTC和外部晶振电路，7个16位定时器/计数器单元，2路SPI接口，3路I2C接口，其存储空间，处理能力，外围接口数量可以满足本发明创造的需要。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的普通技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明的保护范围，凡采用等同替换等方式所获得的技术方案，均落于本发明的保护范围内。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (10)

1.一种基于电弧脉冲信号幅值特性的故障电弧检测方法，其特征在于包括设置可检测电弧幅值特性的电弧检测系统，该电弧检测系统包括至少1个变化磁场检测传感器、与所述变化磁场检测传感器同等数量的正负幅值比较单元，与所述变化磁场检测传感器同等数量的正负幅值检测单元以及一个信号处理单元和一个电源控制单元；
所述变化磁场检测传感器分别与正负幅值比较单元和正负幅值检测单元相互连接；所述正负幅值比较单元同时还分别与信号处理单元和电源控制单元相互连接；所述正负幅值检测单元与信号处理单元相互连接，并且信号处理单元与电源控制单元相互连接，同时信号处理单元输出电弧故障信号；
所述变化磁场检测传感器的输出信号，经处理后分别发送给正负幅值比较单元和正负幅值检测单元，其中，处理后的信号幅值与所述正负幅值比较单元脉冲幅值设定值大小进行比较，若正负幅值比较单元经比较判断后给出脉冲信号，该脉冲信号输出给电源控制单元，电源控制单元给信号处理单元供电，信号处理单元开始工作，计数器计数值C清0；并且每个脉冲信号到来时，信号处理单元开始计时；同时信号处理单元对所述正负幅值检测单元检测到的变化磁场检测传感器输出信号的正负幅值进行AD转换处理，并存储于内存中；在信号处理单元处理完成AD转换后通过输出信号复归正负幅值检测单元，等待下一个脉冲信号；如果在给定的时间TW内，没有下一个脉冲信号，则清除所存储的AD转换值和计数器计数值C，信号处理单元发出信号给电源控制单元，关闭信号处理单元的供电；
在信号处理单元对所述正负幅值检测单元进行AD转换处理过程中，设当前的AD转换后的正幅值为ADZ1,负幅值ADF1,存储的AD转换后的正幅值为ADZ2,负幅值ADF2，如果|ADZ1-ADZ2|或者|ADF1-ADF2|大于设定值ADSET，计数器计数值C加一；如果计数器计数值C>计数设定值，则输出故障电弧信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于电弧脉冲信号幅值特性的故障电弧检测方法，其特征在于，所述变化磁场检测传感器为套在待检测回路上的没有磁芯的空心线圈，或者为有磁芯的线圈、且该有磁芯的线圈流过正常负载电流磁芯不饱和，或者为安装在待检测回路合适位置的能够检测磁场强度的高敏度的磁场敏感元件。
3.根据权利要求2所述的一种基于电弧脉冲信号幅值特性的故障电弧检测方法，其特征在于，所述没有磁芯的空心线圈或者有磁芯的线圈的输出端连接有用于对其输出信号进行处理的滤波单元，该滤波单元为低通或者带通滤波器；或者线圈本身作为滤波器电路的元件与电容或电阻配合构成滤波单元。
4.根据权利要求2所述的一种基于电弧脉冲信号幅值特性的故障电弧检测方法，其特征在于，所述磁场敏感元件为高敏度的霍尔器件或者磁通门器件或者磁阻器件或者巨磁阻器件或者隧道磁阻器件，磁场敏感元件安装位置靠近待检测回路以获得更好的灵敏度,且磁场敏感元件的输出端连接有用于对其输出信号进行处理的滤波单元，该滤波单元可为带通滤波器或者高通滤波器。
5.根据权利要求3所述的一种基于电弧脉冲信号幅值特性的故障电弧检测方法，其特征在于，所述正负幅值比较单元用于比较滤波单元输出信号与其设定值的大小，当滤波单元输出信号幅值的绝对值不小于脉冲幅值设定值，幅值比较单元脉冲信号输出逻辑1，否则输出逻辑0。
6.根据权利要求1或5所述的一种电弧脉冲信号幅值特性的故障电弧检测方法，其特征在于，所述正负幅值比较单元为比较器、逻辑门电路、二极管，双极型三极管、MOS型场效应管或者信号处理单元的IO口中的任一种。
7.根据权利要求1所述的一种基于电弧脉冲信号幅值特性的故障电弧检测方法，其特征在于，所述信号处理单元采用单片机，微处理器，可编程逻辑器件，数字信号处理器或者专用集成电路ASIC中的任一种；且所述信号处理单元至少包含与变化磁场检测传感器数量一致的AD转换通道，并可以通过软件或者数字逻辑的方法实现权利要求1中的检测方法。
8.根据权利要求1所述的一种基于电弧脉冲信号幅值特性的故障电弧检测方法，其特征在于，所述正负幅值检测单元可采用下列方式的任意一种：信号整流，峰值检波器，乘法器或者AD采样经程序运算得到信号交流幅值。
9.根据权利要求8所述的一种基于电弧脉冲信号幅值特性的故障电弧检测方法，其特征在于，所述正负幅值检测单元的幅值检测复归电路可采用下列方式的任意一种：三极管，场效应管，模拟开关，OC电路，OD电路；其中，若采用权利要求8中AD采样经程序运算得到信号交流幅值的方法，则不需要幅值检测复归电路。
10.根据权利要求1所述的一种基于电弧脉冲信号幅值特性的故障电弧检测方法，其特征在于，所述ADSET设定为100，计数设定值为2，TW的设定为100ms。
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