CN113176478A - 一种用于低压配电网的并联电弧检测方法 - Google Patents

一种用于低压配电网的并联电弧检测方法 Download PDF

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Abstract

一种用于低压配电网的并联电弧检测方法，属于电气工程测量技术领域。其特征在于：包括如下步骤：步骤a，在低压配电线路中设置监测节点；步骤b，监测节点持续采集线路的电信号；步骤c，计算滤波后电压信号的有效值；步骤d，监测节点判断采集到的电压值是否大于设定阈值，如果大于设定阈值，表示线路中未发生并联电弧故障；当线路末端电压小于设定阈值时，表示线路中发生并联电弧故障。在本用于低压配电网的并联电弧检测方法中，使用线路之间发生并联电弧时的电弧电压特征量，与基于电流阈值方式和电流特征量的方法相比，电弧电压特征量不受负荷类型、负荷电流大小影响，故障特征体现更为明显直接。

Description

一种用于低压配电网的并联电弧检测方法
技术领域
一种用于低压配电网的并联电弧检测方法，属于电气工程测量技术领域。
背景技术
并联电弧是低压配电网中发生在相线与相线间或者相线与零线之间的电弧故障，由于并联电弧发生在两条线路之间，因此并联电弧发生时具有类似金属性短路的特征，大多数并联电弧故障发生时通常伴有线路电流的明显增大。在低压配电网中，当电路被开断时，若被开断的电流超过0.25A~1A，且电路开断后加在触头上的电压超过12~20V，则在触头间隙中会产生一团温度极高、发出强光和能够导电的气体，这就是电弧。电弧是一种气体放电现象，2～10A的电弧电流就能产生2000～4000℃的局部高温，0.5A的电弧电流就足以引起电气火灾。并联电弧发生时，其电弧能量足以在很短的时间内引起易燃物和绝缘材料起火。因此，与串联电弧相比，并联电弧的危害更加严重，更易引发火灾，并联电弧发生时，必须尽快切断电源以防止火灾的发生。
并联故障电弧检测方法分为利用电弧发生时的声、光、磁这些物理特征量的方法和利用线路电压电流这些电气特征量的方法两大类。利用电弧发生时物理特征量的方法受传感器安装位置的影响，实用性程度很低。目前市场上的AFCI（故障电弧断路器）或AFD（故障电弧探测器）主要使用基于检测线路电压电流的方法。
目前，市面上的AFCI和AFD对并联电弧的保护主要采用两种方法：第一种方法是采用设置电流保护阈值的方式。即当线路电流超过电流保护阈值时，即认为发生了并联电弧故障。这种方法的优点是只需要计算线路故障电流的大小即可实现并联电弧的检测保护，对于AFCI或AFD来说，其硬件设计简单。该方法的缺点是当发生在相-相、相-零之间的过渡电阻较大时，会出现并联电弧的故障电流小于电流保护阈值的情况，此时容易因AFCI或AFD检测不到并联故障电弧的存在而引发火灾事故。因此这种方式电流保护阈值是最显著缺陷。
第二种方法是通过提取并联电弧发生时故障电流的特征量进行并联电弧识别，当识别出发生并联电弧时则断开电源进行保护。并联电弧发生时，流经电弧的电流通常远大于后端流经负荷的电流。可认为此时故障电弧电路主要包括并联故障电弧和线路阻抗，即故障电流受负荷类型影响很小。因此，通过检测线路电流中的电弧特征也可实现并联电弧的检测。实际应用中，通常通过检测电流中的零休区、电流上升率、高次谐波含量等电弧特征实现方法并联电弧故障的检测从而实现保护。这种方法的不足之处是需要比较复杂的检测算法，因此对AFCI或AFD的硬件要求较高，对应的AFCI或AFD的成本也较高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种使用线路之间发生并联电弧时的电弧电压特征量，与基于电流阈值方式和电流特征量的方法相比，电弧电压特征量不受负荷类型、负荷电流大小影响，故障特征体现更为明显直接的用于低压配电网的并联电弧检测方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该用于低压配电网的并联电弧检测方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤a，在低压配电线路主干线和各个分支线路的进线端和出线端分别设置监测节点；
步骤b，线路中的监测节点持续采集线路的电信号；
步骤c，计算滤波后电压信号的有效值；
步骤e，监测节点判断线路电信号的有效值是否大于设定阈值，如果大于设定阈值，执行步骤f，如果小于设定阈值，执行步骤g；
步骤f，线路中未发生并联电弧故障；
步骤g，线路中发生并联电弧故障。
优选的，在所述的步骤b中，所述的电信号为线路末端的电压信号。
优选的，所述线路末端的电压信号包括线电压和相电压，线电压和相电压分别对阈值进行设定。
优选的，在步骤b中，所述的监测节点以每一个周波采集的数据或每半个周波采集的数据为单位持续采集线路末端的电压信号。
优选的，在执行步骤c之前，首先对相电压和线电压进行滤波处理滤除其中的高频噪声。
优选的，在所述的步骤b中，所述的电信号为每一相线的相电压及相电流。
优选的，在执行步骤g之前，还包括如下步骤：
步骤1，连续存储五个周波的相电压及相电流数据，利用快速傅里叶变换的方式计算相电压及相电流第1、3、5、7次的谐波含量；
步骤2，相电压及相电流第1、3、5、7次的谐波含量是否大于预设定的阈值，如果大于预设定的阈值，执行步骤g，如果小于预设定的阈值，执行步骤f。
优选的，所述的监测节点为有电压采集功能的开关或线路监测终端设备。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：
在本用于低压配电网的并联电弧检测方法中，使用线路之间发生并联电弧时的电弧电压特征量，与基于电流阈值方式和电流特征量的方法相比，电弧电压特征量不受负荷类型、负荷电流大小影响，故障特征体现更为明显直接。
附图说明
图1为实施例1用于低压配电网的并联电弧检测方法流程图。
图2为电弧电压-电流波形图。
图3为相线与零线之间的并联电弧故障的等效电路图。
图4为相线与相线之间的并联电弧故障的等效电路图。
图5为实施例2用于低压配电网的并联电弧检测方法流程图。
具体实施方式
图1~4是本发明的最佳实施例，下面结合附图1~5对本发明做进一步说明。
实施例1：
线路中发生并联电弧故障的过程包括起弧、燃弧和熄弧三个阶段。低压配电线路电压较低（380V或220V），其电弧故障为短弧类型，此类电弧燃烧时其电弧压降由阳极压降和阴极压降组成，当电弧稳定燃烧时，随着电流的变化，阴极和阳极压降的数值变化不大，一般近似地认为是常数，因此电弧在每个周波燃弧期间的电弧电压可以认为是幅值大于10V的一个常数。
由图2中曲线a可知，电弧的电压波形可以看作是一个方波信号。并联电弧发生时，等同于在线路两端并联了一个方波电压源。结合图3~4，当在相线与零线之间发生并联电弧故障时，等同于在两条线之间并联了一个方波电压源，方波的高低电平为十几V，因此在故障电弧出现的周波或半个周波，对于该线路末端或负载端的电压来说，其感受到的电压不再是源头的220V交流电压，而是整个周波的方波电压或半个周波的方波电压。当在相线与相线线之间发生并联电弧故障时，等同于在两条相线之间并联了一个方波电压源，方波的高低电平为十几V，因此在故障电弧出现的周波或半个周波，对于该线路末端或负载端的电压来说，其感受到的电压不再是源头的380V交流电压，而是整个周波的方波电压或半个周波的方波电压。
如图1所示，一种用于低压配电网的并联电弧检测方法，包括如下步骤：
步骤1001，在线路中设置监测节点；
在低压配电线路主干线和各个分支线路的进线端和出线端分别设置监测节点，监测节点可以采用市售常见的具有电压采集功能的开关或线路监测终端设备，当线路中某一点发生并联电弧故障时，其下游的监测节点均能够感受到该电弧电压。
步骤1002，通过监测节点采集线路中的电压信号；
线路中的监测节点以每一个周波采集的数据或每半个周波采集的数据为单位，持续采集线路末端的电压信号，该电压信号包括相电压和线电压。
步骤1003，对采集到的电压信号进行滤波处理；
对监测节点采集到的电压信号进行滤波处理（如FIR进行低通滤波），滤除其中的高频噪声。
步骤1004，计算滤波后电压信号的有效值。
步骤1005，线路末端电压值是否大于设定阈值；
监测节点判断采集到的电压值是否大于设定阈值，如果大于设定阈值，执行步骤1006，如果小于设定阈值，执行步骤1007。
线路末端的电压值包括线电压和相电压，线电压和相电压分别对阈值进行设定。
步骤1006，当线路末端电压大于设定阈值时，表示线路中未发生并联电弧故障。
步骤1007，当线路末端电压小于设定阈值时，表示线路中发生并联电弧故障。
对于低压三相线路来说，线路正常运行时允许的最大压降为7%，对单相线路来说，线路正常运行时允许的最大压降为10%，因此无论三相线路还是单相线路，其正常运行时的末端电压大小压降很少。但当发生并联故障电弧时，燃弧期间，无论正半周波还是负半周波的电弧电压一般大于10V，因此电弧电压的有效值要远小于正常电压的数值，由此可见，当线路之间发生并联电弧故障时，其故障特征在线路末端或负载端有非常明显的表现，因此在本并联电弧检测方法中，利用线路正常运行时的压降大小有限的特点作为判断依据，当线路末端的电压值大于设定阈值时，表示线路中未发生并联电弧故障，当线路末端电压小于设定阈值时，表示线路中发生并联电弧故障。并且由上述可知，当线路中某一点发生并联电弧故障时，其下游的监测节点均能够感受到该电弧电压，可以通过线路中监测节点对电弧电压的监测情况判断出线路中发生并联电弧故障的位置。
实施例2：
如图5所示，在本实施例中，包括如下步骤：
步骤2001，在线路中设置监测节点；
在低压配电线路主干线和各个分支线路的进线端和出线端分别设置监测节点，监测节点同样可以采用市售常见的具有电压采集功能的开关或线路监测终端设备。
步骤2002，通过监测节点采集线路中的电信号；
线路中的监测节点以周波为单位，采集A、B、C三相的相电压和相电流，并存储每相连续5个周波的相电压和相电流。
步骤2003，计算滤波后电压信号的有效值。
以半个周波为单位，计算每相相电压以及相电流的有效值。
步骤2004，数据的有效值是否大于预设定的阈值；
每相相电压以及相电流的有效值是否大于预设定的阈值，如果小于预设定的阈值，执行步骤2006，如果大于预设定的阈值，执行步骤2005。
步骤2005，当相线的相电压及相电流的有效值大于设定阈值时，表示线路中未发生并联电弧故障。
步骤2006，计算电信号的谐波含量；
利用快速傅里叶变换的方式计算相电压及相电流第1、3、5、7次的谐波含量。
步骤2007，谐波含量是否大于设定阈值；
相电压及相电流第1、3、5、7次的谐波含量是否大于预设定的阈值，如果大于预设定的阈值，执行步骤2008，如果小于预设定的阈值，执行步骤2005。
步骤2008，上传故障信息；
线路中发生并联电弧故障，监测节点上传故障信息。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于低压配电网的并联电弧检测方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤a，在低压配电线路主干线和各个分支线路的进线端和出线端分别设置监测节点；
步骤b，线路中的监测节点持续采集线路的电信号；
步骤c，计算滤波后电压信号的有效值；
步骤e，监测节点判断线路电信号的有效值是否大于设定阈值，如果大于设定阈值，执行步骤f，如果小于设定阈值，执行步骤g；
步骤f，线路中未发生并联电弧故障；
步骤g，线路中发生并联电弧故障。
2.根据权利要求1所述的用于低压配电网的并联电弧检测方法，其特征在于：在所述的步骤b中，所述的电信号为线路末端的电压信号。
3.根据权利要求1所述的用于低压配电网的并联电弧检测方法，其特征在于：所述线路末端的电压信号包括线电压和相电压，线电压和相电压分别对阈值进行设定。
4.根据权利要求3所述的用于低压配电网的并联电弧检测方法，其特征在于：在步骤b中，所述的监测节点以每一个周波采集的数据或每半个周波采集的数据为单位持续采集线路末端的电压信号。
5.根据权利要求3所述的用于低压配电网的并联电弧检测方法，其特征在于：在执行步骤c之前，首先对相电压和线电压进行滤波处理滤除其中的高频噪声。
6.根据权利要求1所述的用于低压配电网的并联电弧检测方法，其特征在于：在所述的步骤b中，所述的电信号为每一相线的相电压及相电流。
7.根据权利要求6所述的用于低压配电网的并联电弧检测方法，其特征在于：在执行步骤g之前，还包括如下步骤：
步骤1，连续存储五个周波的相电压及相电流数据，利用快速傅里叶变换的方式计算相电压及相电流第1、3、5、7次的谐波含量；
步骤2，相电压及相电流第1、3、5、7次的谐波含量是否大于预设定的阈值，如果大于预设定的阈值，执行步骤g，如果小于预设定的阈值，执行步骤f。
8.根据权利要求1所述的用于低压配电网的并联电弧检测方法，其特征在于：所述的监测节点为有电压采集功能的开关或线路监测终端设备。
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