CN111025102A - 基于电压波形分析的低压电弧故障检测方法及装置 - Google Patents

基于电压波形分析的低压电弧故障检测方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于电压波形分析的低压电弧故障检测方法，包括以下步骤：S1、获取线路单个周波的电压采样数据；S2、判定电压采样数据中的瞬时极大值和极小值；S3、判定极大值和极小值之间的过零点；S4、截取最大值和最小值之间的采样数值；S5、以过零点为分界，将截取的采样数值分为左半窗数据和右半窗数据，并计算采样数值的特征值：S6、获取并计算后续若干周波的特征值，当至少10个连续周波的特征值皆判定条件时,判定为电弧故障。还公开了一种应用上述判定方法的低压电弧故障检测装置。本发明通过电压波形特征值来判定电弧故障，由于线路中电压幅值相对稳定，不受负荷电流特性影响，判断准确可靠，可有效判断串并联及接地电弧故障。

Description

基于电压波形分析的低压电弧故障检测方法及装置
技术领域
本发明涉及低压电弧故障检测领域，具体的涉及一种基于电压波形分析的低压电弧故障检测装置。
背景技术
家用电气线路及电气设备，因电气绝缘老化或者接触不良，会产生电弧放电现象。电弧放电一般都伴随着燃弧发热，最直接的严重后果就是导致火灾。而常见的电弧故障，特别是串联型电弧故障，因受负载阻抗的限制，电弧电流较小，而且同一线路上可能同时运行多个电气设备，导致了故障特征信号被正常负载电流掩盖，提取和判别困难。如何有效的提取电弧故障特征信号并有效判别，是降低居民电气火灾的急需解决的关键问题。
现有的电弧故障检测装置主要采用电流波形分析法来判别故障，其原理是通过采集电流波形数据，识别故障发生时刻的特征信号，在故障判定后，通过声光方式告警或者直接切除故障电路。然而在现实生活环境中，由于各类大功率电力电子设备、以及大功率家用电器的开断，电流波形信号互相干扰严重，导致采用电流波形分析法的电弧故障检测装置的判断准确度低，容易出现误动、拒动的情况。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明发明提出一种基于电压波形分析的低压电弧故障检测方法及装置，可以有效识别复杂用电情况下的电弧故障，降低电气火灾发生的风险。
根据本发明实施例的一种基于电压波形分析的低压电弧故障检测方法，包括以下步骤：
S1、实时获取线路连续n个周波的电压采样数据；
S2、判定电压采样数据中的瞬时极大值和极小值；
S3、判定极大值和极小值之间的过零点；
S4、截取最大值和最小值之间的采样数值；
S5、以过零点为分界，将截取的采样数值分为左半窗数据和右半窗数据，并计算以下五个采样数值的特征值：
半波电压左半窗等效瞬时能量El[k]；半波电压右半窗等效瞬时能量Er[k]；连续半波左半窗等效瞬时能量差值ΔEl[k]；连续半波右半窗等效瞬时能量差值ΔEr[k]；半波左右半窗等效能量差值Esym[k]；k为当前特征值所在周波的序号；
S6、按照步骤S1-S5检测接下来若干周波的特征值，当至少10个连续周波的特征值皆满足A、B、C三个条件时,判定为电弧故障：
A、El[k]>Nlim或El[k]>Nlim；
B、ΔEl[k]>varlim或ΔEl[k]>varlim；
C、Esym[k]<symlim；
其中Nlim为半窗等效能量绝对量阈值，varlim为半窗等效能量变化量阈值，symlim为左右半窗等效能对称量阈值。
根据本发明实施例的基于电压波形分析的低压电弧故障检测方法，至少具有如下技术效果：
本方法以电弧故障电压波形中的相对过零点的能量对称现象作为电弧故障的判定条件，当连续检测到若干个符合判定条件的特性波形后，可以判定出现电弧故障。采用了电压波形特征值的判定方法，由于线路中电压幅值相对稳定，不受负荷电流特性影响，判断准确可靠，可有效判断串并联及接地电弧故障。
根据本发明的一些实施例，所述步骤S5中半波电压左半窗等效瞬时能量El[k]的计算公式为：El[k]＝ΣV2。
根据本发明的一些实施例，所述步骤S5中半波电压右半窗等效瞬时能量Er[k]的计算公式为：Er[k]＝ΣV2。
根据本发明的一些实施例，所述步骤S5中连续半波左半窗等效瞬时能量差值ΔEl[k]的计算公式为：ΔEl[k]＝|El[k]-El[k-1]|。
根据本发明的一些实施例，所述步骤S5中连续半波右半窗等效瞬时能量差值ΔEr[k]的计算公式为：ΔEr[k]＝|Er[k]-Er[k-1]|。
根据本发明的一些实施例，所述步骤S5中半波左右半窗等效能量差值Esym[k]的计算公式为：Esym[k]＝|El[k]-Er[k]|。
根据本发明的一些实施例，所述步骤S6中半窗等效能量绝对量阈值Nlim的计算公式为：Nlim＝Vn2×(0.5～0.7)，半窗等效能量变化量阈值varlim的计算公式为varlim＝Vn2×(0.3～0.5)；所述左右半窗等效能对称量阈值symlim的计算公式为symlim＝Vn2×(0.01～0.1)，其中Vn为线路电压。
根据本发明实施例的一种基于电压波形分析的低压电弧故障检测装置，包括：电压采样模块、MCU、通信模块、报警模块和开关量输出模块，所述电压采样模块的输入端连接线路，所述电压采样模块的输出端连接MCU，所述MCU的输出端分别连接通信模块、报警模块和开关量输出模块，所述通信模块用于发送故障信息给上位机，所述报警模块用于显示故障状态，所述开关量输出模块用于连接脱扣器，所述MCU通过上述检测方法判断电弧故障。
根据本发明实施例的基于电压波形分析的低压电弧故障检测装置，至少具有如下技术效果：
本装置通过采集并计算电压波形特征值来判定电弧故障，由于线路中电压幅值相对稳定，不受负荷电流特性影响，判断准确可靠，可有效判断串并联及接地电弧故障；本装置可提供声光告警信息及自动故障切除功能，快速判定电弧故障后可快速提示排查或直接切除故障支路，降低火灾风险和人身伤亡危害。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明实施例中基于电压波形分析的低压电弧故障检测方法的流程图；
图2为电弧故障的电压波形图；
图3为本发明实施例中基于电压波形分析的低压电弧故障检测装置的原理框图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
参考图1，一种基于电压波形分析的低压电弧故障检测方法，包括以下步骤：
S1、实时获取线路连续n个周波的电压采样数据；
S2、判定电压采样数据中的瞬时极大值和极小值；
S3、判定极大值和极小值之间的过零点；
S4、截取最大值和最小值之间的采样数值；
S5、以过零点为分界，将截取的采样数值分为左半窗数据和右半窗数据，并计算以下五个采样数值的特征值：
半波电压左半窗等效瞬时能量El[k]，单位为瓦(W)，计算公式为El[k]＝ΣV2；
半波电压右半窗等效瞬时能量Er[k]，单位为瓦(W)，计算公式为Er[k]＝ΣV2；
连续半波左半窗等效瞬时能量差值ΔEl[k]，单位为瓦(W)，计算公式为ΔEl[k]＝|El[k]-El[k-1]|；
连续半波右半窗等效瞬时能量差值ΔEr[k]，单位为瓦(W)，计算公式为ΔEr[k]＝|Er[k]-Er[k-1]|；
半波左右半窗等效能量差值Esym[k]，单位为瓦(W)，计算公式为Esym[k]＝|El[k]-Er[k]|。
其中，k为当前特征值所在周波的序号。
S6、按照步骤S1-S5检测接下来若干周波的特征值，当至少10个连续周波的特征值皆满足A、B、C三个条件时,判定为电弧故障：
A、El[k]>Nlim或El[k]>Nlim；
B、ΔEl[k]>varlim或ΔEl[k]>varlim；
C、Esym[k]<symlim；
其中Nlim为半窗等效能量绝对量阈值，单位为瓦(W)，varlim为半窗等效能量变化量阈值，单位为瓦(W)，symlim为左右半窗等效能对称量阈值，单位为瓦(W)。
其中，半窗等效能量绝对量阈值Nlim的计算公式为：Nlim＝Vn2×(0.5～0.7)，半窗等效能量变化量阈值varlim的计算公式为varlim＝Vn2×(0.3～0.5)；左右半窗等效能对称量阈值symlim的计算公式为symlim＝Vn2×(0.01～0.1)，其中Vn为线路电压。
绝对量阈值、变化量阈值和对称量阈值可根据现场电压水平和电压波动情况设置，电压波形判据法不受电流影响，以1A电流计算等效能量，阈值根据额定电压计算等效电量后可根据比例系数设置。
例如，以国内居民用电额定电压为例，Vn＝220v。
Nlim＝Vn2×(0.5～0.7)≈[24000～34000]；
varlim＝Vn2×(0.3～0.5)≈[14000～24000]；
symlim＝Vn2×(0.01～0.1)≈[400～4800]。
本发明对于电弧故障的判定原理为
采用220V/50HZ标准电压源，20欧电阻仿真负载和非金属碳电极模拟串联电弧故障的电压波形，参考图2，
当电压逐步升高超过电弧截止电压时，开始电弧放电，电压出现跌落维持在一个相对稳定区间，如图中(2)区段所示。当电压下降灭弧后，电弧间隙可等效成一个小电阻，电压波形与正常电压波形的正弦特性一致，如图中(3)区段所示，当电压继续下降反向超过电弧截止电压后，再次出现电弧放电和电压跌落，如图中(4)区段所示。
基于以上电弧故障电压波形可知，在电压过零点前后电压幅值稳定，出现一个相对过零点的能量对称现象。以此现象作为电弧故障的特征电压波形，当连续检测到若干个特性波形后，可以判定出现电弧故障。
参考图3，本发明还包括一种基于电压波形分析的低压电弧故障检测装置，包括电压采样模块、MCU、通信模块、报警模块和开关量输出模块，电压采样模块的输入端连接线路，电压采样模块的输出端通过二阶有源带通滤波电路连接MCU的ADC通道，二阶有源带通滤波电路可以有效过滤低频和高频干扰信号，保留测量信号特征量有用值，避免干扰引起的误动作，经过滤波后的电压信号，输入MCU进行处理、计算和判断。
MCU的输出端分别连接通信模块、报警模块和开关量输出模块，通信模块用于发送故障信息给上位机，报警模块用于显示故障状态，开关量输出模块用于连接脱扣器，MCU通过基于电压波形分析的低压电弧故障检测方法判断电弧故障。
优选的，本实施例中MCU采用32位带浮点运算单元和DSP功能的stm32f373单片机，对ADC通道完成模数转换后的数据进行特征量分析和故障判断，根据装置预设阈值，判断线路是否发生电弧故障。同时根据判断结果控制本地指示和开出动作，实现故障告警和保护。
通信模块采用RS485模块，MCU通过485与远程终端或后台通信，实现故障信息远程上送功能。通信模块还可以采用电力宽带载波模块和射频通信模块，与智能家居网关通信。
报警模块采用声光报警灯，正常运行时，状态指示灯慢速闪烁，当发生电弧故障时状态指示灯高速并且发出声音报警。开关量输出模块采用开出干接点，与脱扣器连接实现跳闸功能。
综上所述，本发明以电弧故障电压波形中的相对过零点的能量对称现象作为电弧故障的判定条件，当装置连续检测到若干个符合判定条件的特性波形后，可以判定出现电弧故障。本装置采用了电压波形特征值判定算法，由于线路中电压幅值相对稳定，不受负荷电流特性影响，判断准确可靠，可有效判断串并联及接地电弧故障。本装置可提供声光告警信息及自动故障切除功能，快速判定电弧故障后可快速提示排查或直接切除故障支路，降低火灾风险和人身伤亡危害。
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (8)

1.一种基于电压波形分析的低压电弧故障检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、获取线路单个周波的电压采样数据；
S2、判定电压采样数据中的瞬时极大值和极小值；
S3、判定极大值和极小值之间的过零点；
S4、截取最大值和最小值之间的采样数值；
S5、以过零点为分界，将截取的采样数值分为左半窗数据和右半窗数据，并计算以下五个采样数值的特征值：
半波电压左半窗等效瞬时能量El[k]；半波电压右半窗等效瞬时能量Er[k]；连续半波左半窗等效瞬时能量差值ΔEl[k]；连续半波右半窗等效瞬时能量差值ΔEr[k]；半波左右半窗等效能量差值Esym[k]；k为当前特征值所在周波的序号；
S6、按照步骤S1-S5获取并计算后续若干周波的特征值，当至少10个连续周波的特征值皆满足以下A、B、C的三个条件时,判定为电弧故障：
A、El[k]>Nlim或El[k]>Nlim；
B、ΔEl[k]>varlim或ΔEl[k]>varlim；
C、Esym[k]<symlim；
其中Nlim为半窗等效能量绝对量阈值，varlim为半窗等效能量变化量阈值，symlim为左右半窗等效能对称量阈值。
2.根据权利要求1所述的基于电压波形分析的低压电弧故障检测方法，其特征在于：所述步骤S5中半波电压左半窗等效瞬时能量El[k]的计算公式为：El[k]＝ΣV2。
3.根据权利要求1所述的基于电压波形分析的低压电弧故障检测方法，其特征在于：所述步骤S5中半波电压右半窗等效瞬时能量Er[k]的计算公式为：Er[k]＝ΣV2。
4.根据权利要求1所述的基于电压波形分析的低压电弧故障检测方法，其特征在于：所述步骤S5中连续半波左半窗等效瞬时能量差值ΔEl[k]的计算公式为：ΔEl[k]＝|El[k]-El[k-1]|。
5.根据权利要求1所述的基于电压波形分析的低压电弧故障检测方法，其特征在于：所述步骤S5中连续半波右半窗等效瞬时能量差值ΔEr[k]的计算公式为：ΔEr[k]＝|Er[k]-Er[k-1]|。
6.根据权利要求1所述的基于电压波形分析的低压电弧故障检测方法，其特征在于：所述步骤S5中半波左右半窗等效能量差值Esym[k]的计算公式为：Esym[k]＝|El[k]-Er[k]|。
7.根据权利要求1所述的基于电压波形分析的低压电弧故障检测方法，其特征在于：所述步骤S6中半窗等效能量绝对量阈值Nlim的计算公式为：Nlim＝Vn2×(0.5～0.7)，半窗等效能量变化量阈值varlim的计算公式为varlim＝Vn2×(0.3～0.5)；所述左右半窗等效能对称量阈值symlim的计算公式为symlim＝Vn2×(0.01～0.1)，其中Vn为线路电压。
8.一种基于电压波形分析的低压电弧故障检测装置，其特征在于，包括：电压采样模块、MCU、通信模块、报警模块和开关量输出模块，所述电压采样模块的输入端连接线路，所述电压采样模块的输出端连接MCU，所述MCU的输出端分别连接通信模块、报警模块和开关量输出模块，所述通信模块用于发送故障信息给上位机，所述报警模块用于显示故障状态，所述开关量输出模块用于连接脱扣器，所述MCU通过权利要求1-7任一项所述的检测方法判断电弧故障。
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