CN114814496A - 一种低压电弧故障检测方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种低压电弧故障检测方法及装置，通过霍尔电流传感器采集被保护线路中的电流信号，通过滤波器电路获得基频及高频两路模拟信号，通过积分电路、中断触发和定时器实现对工频周期基频及高频两路模拟信号的累积计算，进而求得高次谐波占有率。本发明通过实时监测线路电流高次谐波占有率的变化特征及对高次谐波占有率超限次数统计来判断是否产生电弧故障，通过判断电弧故障所引发的高次谐波占有率变化是否具有周期性及发生频率来区别一些特殊电器负载及正常的开关动作产生的正常电弧与故障电弧，并能很好避免由正常分合电路时产生的操作电弧及开关电源、吸尘器等负载的干扰而发生的误动作，从而保证低压电弧故障检测的实时性和高可靠性。

Description

一种低压电弧故障检测方法及装置
技术领域
本发明属于低压供配电系统的电弧故障检测技术领域，具体涉及一种低压电弧故障检测方法及装置。
背景技术
供电电路因老化、破损引起的断裂、短路以及接触不良都会导致电弧故障。常规负荷下,电弧故障在极短的时间内可产生2000℃以上的局部高温,足以点燃导线周围的易燃易爆物而引起火灾，严重危害大众的生命财产安全。由于发生电弧故障时，回路电流低于过流保护器的额定电流，且除接地电弧外，电弧故障不会产生剩余电流，因此，用于过流和剩余电流的探测器不能起到防范电弧性火灾的作用。
现有的电弧故障检测装置和方法通常是使用微控制器来测量与负载相关的电压，并处理表示电压测量值的数据以确定电弧的存在。例如，传统的电弧故障检测装置可以被配置以感测交流负载电流，对AC信号进行滤波和整流，并将整流后的信号提供给一个积分电路。传统的电弧故障检测装置可以使用微控制器来测量积分电容上的电压，以及把电压测量值转化为数字量用于后续处理。例如，可以使用一种算法来分析是否是一个电弧故障，如点接触、低电平、或串联电弧，或者是否是一个有害的负载如调光灯、吸尘器等。在电压测量值的特征是电弧故障情况下，传统的电弧故障保护装置一般断开电路断路器以断开电源输出与负载。
尽管上述的传统电弧故障保护装置可以被用来检测并区别电弧故障与负载扰动，但是传统的电弧故障检测装置经常不能可靠的区别周期性与非周期性电弧放电事件，导致了误脱扣现象。并且扰动负载如调光器、吸尘器等，当这些设备设置被改变时，可产生高压瞬态，从而在连续的时间周期内产生升高或降低的电弧放电，传统的电弧故障检测装置经常很难区别电弧故障和电弧放电事件。因此，传统的电弧故障检测方法存在很多缺点，仍具有更高可靠性的电弧故障检测技术的需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种低压电弧故障检测方法及装置，以提供一种可靠性更高的低压电弧故障检测方法。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种低压电弧故障检测方法，包括：
步骤S1、通过霍尔电流传感器采集被保护线路的电流信号并将其转换成电压信号，所述电压信号再经滤波器电路得到基频模拟信号与高频模拟信号，所述基频模拟信号与所述高频模拟信号经过双路精密绝对值电路后得到两路正值模拟信号，两路正值模拟信号经过双路积分电路得到两路积分电压信号，将两路积分电压信号输入到MCU的A/D转换接口；
步骤S2、通过工频电流互感器采集被保护线路的工频电流信号，经信号调理电路转化为工频电压信号后输入到过零检测电路，经过零检测电路处理后，得到电流过零信号，并以所述电流过零信号触发MCU产生外部中断，控制双路积分电路的充放电过程，当充电过程结束时，启动MCU的A/D转换模块将接收到的两路积分电压信号转化为两路电压数字量；
步骤S3、MCU检测到A/D转换结束时，根据两路电压数字量计算出高次谐波占有率，通过与故障判定阈值进行比较来判定单个电弧事件，利用MCU内的计数器对电弧事件进行记录，当固定周期内检测到的电弧事件个数大于设定阈值时，则判定所述被保护线路有电弧故障产生，发出电弧故障报警信号。
进一步地，所述步骤S2中电流过零信号触发MCU产生外部中断，控制双路积分电路的充放电过程，当充电过程结束时，启动MCU的A/D转换模块将接收到的两路积分电压信号转化为两路电压数字量具体为：
所述电流过零信号以下降沿触发MCU产生外部中断，MCU根据外部中断函数输出积分电路积分控制信号，同时启动内部定时器，双路积分电路开始充电；
当定时时间到达时，MCU根据定时器中断函数输出积分电路保持控制信号，同时启动A/D转换器，将两路积分电压信号转换为数字信号；
待到A/D转换结束后，MCU输出积分电路放电控制信号，双路积分电路开始放电，放电结束，即完成一个完整的工频周期积分过程，MCU等待下一个外部中断的触发。
进一步地，所述步骤S3中根据两路电压数字量计算出高次谐波占有率，通过与故障判定阈值进行比较来判定单个电弧事件具体为：
根据基频信号积分电压值的大小判断负载是否运行，若负载运行，则求取高频信号积分电压值与基频信号积分电压值之间的比值，得到高次谐波占有率，判断所述高次谐波占有率是否大于故障判定阈值，若是，则当前电弧事件记为1，否则记为0，所述基频信号积分电压值为所述基频模拟信号所对应的电压数字量，所述高频信号积分电压值为所述高频模拟信号所对应的电压数字量。
进一步地，还包括步骤：
记录每一次高次谐波占有率hr，得到高次谐波占有率统计数组；
通过高次谐波占有率统计数组对本周期内计算的高次谐波占有率进行统计，在本周期的高次谐波占有率统计结束后，计算本周期内的电弧事件统计数组中高次谐波占有率平均值hravg以及最大值与最小值的差值hrdif，若为首次调用故障判定函数，则由hravg计算出故障判定阈值K；
若非首次调用，则判断hrdif是否超过故障判定阈值K，若是，则认定为负载变更，重新计算故障判定阈值K，再通过高次谐波占有率hr与重新设定的故障判定阈值K的比较来对电弧事件进行判定。
进一步地，所述步骤S3中当固定周期内检测到的电弧事件个数大于设定阈值时，则判定所述被保护线路有电弧故障产生，发出电弧故障报警信号具体为：
通过电弧事件统计数组对当前周期内检测到的电弧事件判定结果进行统计，通过数组求和计算出当前周期内的电弧事件个数；
当当前周期内的电弧事件个数大于或等于设定阈值时，则判定所述被保护线路有电弧故障产生，发出电弧故障报警信号。
为了解决上述技术问题，本发明还公开了一种低压电弧故障检测装置，以实现上述的一种低压电弧故障检测方法，包括有用于采集线路电流信号并将其转换为电压信号的霍尔电流传感器、用于采集线路工频电流的工频电流互感器、用于将工频电流信号转换为工频电压信号的信号调理电路、用于将线路的工频电压信号转换为电流过零信号的过零检测电路、用于将电压信号转化为基频模拟信号与高频模拟信号的滤波器电路、用于将基频模拟信号与高频模拟信号分别转化为正值模拟信号的双路精密绝对值电路、用于得出两路正值模拟信号的积分电压信号的双路积分电路、MCU及电弧故障声光报警装置；
所述霍尔电流传感器和工频电流互感器分别与被保护线路电连接；
所述霍尔电流传感器的信号输出端连接滤波器电路的信号输入端，所述滤波器电路的信号输出端连接双路精密绝对值电路的信号输入端，所述双路精密绝对值电路的信号输出端连接双路积分电路的信号输入端，所述双路积分电路的信号输出端连接于MCU的A/D转换接口上；所述工频电流互感器的信号输出端借由信号调理电路连接过零检测电路的信号输入端，所述过零检测电路的信号输出端连接于MCU；
所述MCU与所述电弧故障声光报警装置电连接。
进一步地，所述滤波器电路采用精密开关电容四阶契比雪夫带通滤波器。
进一步地，所述双路积分电路采用低噪声、双开关控制积分芯片。
由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过实时监测线路电流高次谐波占有率的变化特征及对高次谐波占有率超限次数统计来判断是否产生电弧故障，通过判断电弧故障所引发的高次谐波占有率变化是否具有周期性及发生频率来区别一些特殊电器负载及正常的开关动作产生的正常电弧与故障电弧，可实时检测电弧故障发生，不受安装位置限制，并能很好避免由正常分、合电路时产生的操作电弧及开关电源、吸尘器等负载的干扰而发生的误动作，可靠性更高。
附图说明
图1为一种低压电弧故障检测装置的结构示意图。
图2为一种低压电弧故障检测方法的流程示意图。
图3为本发明涉及的MCU外部中断函数的流程图。
图4为本发明涉及的MCU定时器中断函数的流程图。
图5为本发明涉及的电弧故障检测算法函数的流程图。
图中：1、霍尔电流传感器；2、工频电流互感器；3、信号调理电路；4、过零检测电路；5、基频带通滤波器；6、高频带通滤波器；7、双路精密绝对值电路；8、双路积分电路；9、MCU；10、电弧故障声光报警装置；11、电器负载。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”，“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
参照图1至图5，当电弧发生时，回路电流会出现暂态的平肩现象，该电流畸变必然导致电流基频分量的减少和高频分量的增加，这种变化具有其规律性。基于此规律，本发明提出一种低压电弧故障检测方法及装置，通过检测被保护线路的电流高次谐波占有率确定是否产生电弧故障，从而提供一种可靠性更高的低压电弧故障检测方法。
实施例一
如图1所示，一种低压电弧故障检测装置，包括有用于采集线路电流信号并将其转换为电压信号的霍尔电流传感器1、用于采集线路工频电流的工频电流互感器2、用于将工频电流信号转换为工频电压信号的信号调理电路3、用于将线路的工频电压信号转换为电流过零信号的过零检测电路4、用于将电压信号转化为基频模拟信号与高频模拟信号的滤波器电路、用于将基频模拟信号与高频模拟信号分别转化为正值模拟信号的双路精密绝对值电路7、用于得出两路正值模拟信号的积分电压信号的双路积分电路8、MCU9及电弧故障声光报警装置10。
如图1所示，霍尔电流传感器1和工频电流互感器2分别与被保护线路电连接；霍尔电流传感器1的信号输出端连接滤波器电路的信号输入端，滤波器电路的信号输出端连接双路精密绝对值电路7的信号输入端，双路精密绝对值电路7的信号输出端连接双路积分电路8的信号输入端，双路积分电路8的信号输出端连接于MCU9的A/D转换接口上；工频电流互感器2的信号输出端借由信号调理电路3连接过零检测电路4的信号输入端，过零检测电路4的信号输出端连接于MCU9；MCU9与电弧故障声光报警装置10电连接。
在本实施例中，滤波器电路采用精密开关电容四阶契比雪夫带通滤波器。具体而言，滤波器电路包括有一用于得到工频模拟信号的40～60Hz的基频带通滤波器5及一用于得到高频模拟信号的100～500Hz的高频带通滤波器6。
在本实施例中，双路积分电路8采用低噪声、双开关控制积分芯片。
其中，线路上的零线N和火线L连接到电器负载11上，电器负载11包括但不限于开关电源、吸尘器等等。
实施例二
如图2所示，基于上述装置，本实施例公开了一种低压电弧故障检测方法，包括：
步骤S1、通过霍尔电流传感器采集被保护线路的电流信号并将其转换成电压信号，电压信号再经滤波器电路得到基频模拟信号与高频模拟信号，基频模拟信号与高频模拟信号经过双路精密绝对值电路后得到两路正值模拟信号，两路正值模拟信号经过双路积分电路得到两路积分电压信号，将两路积分电压信号输入到MCU的A/D转换接口；
步骤S2、通过工频电流互感器采集被保护线路的工频电流信号，经信号调理电路转化为工频电压信号后输入到过零检测电路，经过零检测电路处理后，得到电流过零信号，并以电流过零信号触发MCU产生外部中断，控制双路积分电路的充放电过程，当充电过程结束时，启动MCU的A/D转换模块将接收到的两路积分电压信号转化为两路电压数字量；
在本实施例中，结合图3和图4可知，步骤S2中电流过零信号触发MCU产生外部中断，控制双路积分电路的充放电过程，当充电过程结束时，启动MCU的A/D转换模块将接收到的两路积分电压信号转化为两路电压数字量具体为：
步骤S21、电流过零信号以下降沿触发MCU产生外部中断，MCU根据外部中断函数输出积分电路积分控制信号，同时启动内部定时器，双路积分电路开始充电；
步骤S22、当定时时间到达时，MCU根据定时器中断函数输出积分电路保持控制信号，同时启动A/D转换器，将两路积分电压信号转换为数字信号；
其中，定时时间小于20ms，在本实施例为19.8ms。
步骤S23、待到A/D转换结束后，MCU输出积分电路放电控制信号，双路积分电路开始放电，放电结束，即完成一个完整的工频周期积分过程，MCU等待下一个外部中断的触发。
步骤S3、MCU检测到A/D转换结束时，根据两路电压数字量计算出高次谐波占有率，通过与故障判定阈值进行比较来判定单个电弧事件，利用MCU内的计数器对电弧事件进行记录，当固定周期内检测到的电弧事件个数大于设定阈值时，则判定被保护线路有电弧故障产生，发出电弧故障报警信号。
结合图5可知，步骤S3具体为：
步骤S31、MCU检测到A/D转换结束时，采样A/D转换器输出的基频信号积分电压值AD1及高频信号积分电压值AD2，根据基频信号积分电压值的大小判断负载是否运行，若负载运行，则执行步骤S32，否则退出电弧故障检测。
其中，基频信号积分电压值为基频模拟信号所对应的电压数字量，高频信号积分电压值为高频模拟信号所对应的电压数字量。
步骤S32、求取高频信号积分电压值与基频信号积分电压值之间的比值，得到高次谐波占有率hr=AD2/AD1，同时计数器n自加1，并且记录每一次高次谐波占有率hr，得到高次谐波占有率统计数组H[10]，然后执行步骤S33。
步骤S33、通过高次谐波占有率统计数组H[10]对本周期内计算的高次谐波占有率进行统计，高次谐波占有率统计数组H[10] 右移一位，当前的hr值置入H[0]；如果计数器n=10，则本周期的高次谐波占有率统计结束，跳转到步骤S34，否则执行步骤S37；
在本实施例中，周期为0.5秒。
步骤S34、计数器n清零后，计算本周期内的电弧事件统计数组中高次谐波占有率平均值hravg以及最大值hrmax与最小值hrmax的差值hrdif，然后执行步骤S35。
在本实施例中，高次谐波占有率统计数组一共有10个占有率，因此hravg=∑hrn/10，hrdif=|hrmax- hrmax |。
步骤S35、判断是否为首次调用故障判定函数，若是，则由hravg计算出故障判定阈值K，否则执行步骤S36；
在本实施例中，步骤S35中的故障判定阈值K=hravg+0.2。
步骤S36、若非首次调用，则判断hrdif是否超过故障判定阈值K，若是，则认定为负载变更，重新计算故障判定阈值K之后执行步骤S37，否则直接执行步骤37；
步骤S37、判断高次谐波占有率hr是否大于故障判定阈值K时，若是，则当前电弧事件标志State=1，警示灯亮黄灯，否则State=0，黄灯灭，之后执行步骤S38；
步骤S38、通过电弧事件统计数组S[25]对当前周期内检测到的电弧事件标志State进行统计，数组S[25]右移一位，当前的State值置入S[0]，之后执行步骤S39；
步骤S39、通过数组S[25]求和D=sum(S)，计算出当前周期内的电弧事件个数，之后执行步骤S310；
步骤S310、当当前周期内的电弧事件个数大于或等于设定阈值时，则判定被保护线路有电弧故障产生，发出电弧故障报警信号，然后退出电弧故障检测算法函数，否则直接退出电弧故障检测算法函数。
在本实施例中，设定阈值为8，在其他实施例中，根据电弧事件统计数组的个数以及实际情况可以进行设定。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的实施例。

Claims (8)

1.一种低压电弧故障检测方法，其特征在于，包括：
步骤S1、通过霍尔电流传感器采集被保护线路的电流信号并将其转换成电压信号，所述电压信号再经滤波器电路得到基频模拟信号与高频模拟信号，所述基频模拟信号与所述高频模拟信号经过双路精密绝对值电路后得到两路正值模拟信号，两路正值模拟信号经过双路积分电路得到两路积分电压信号，将两路积分电压信号输入到MCU的A/D转换接口；
步骤S2、通过工频电流互感器采集被保护线路的工频电流信号，经信号调理电路转化为工频电压信号后输入到过零检测电路，经过零检测电路处理后，得到电流过零信号，并以所述电流过零信号触发MCU产生外部中断，控制双路积分电路的充放电过程，当充电过程结束时，启动MCU的A/D转换模块将接收到的两路积分电压信号转化为两路电压数字量；
步骤S3、MCU检测到A/D转换结束时，根据两路电压数字量计算出高次谐波占有率，通过与故障判定阈值进行比较来判定单个电弧事件，利用MCU内的计数器对电弧事件进行记录，当固定周期内检测到的电弧事件个数大于设定阈值时，则判定所述被保护线路有电弧故障产生，发出电弧故障报警信号。
2.如权利要求1所述的一种低压电弧故障检测方法，其特征在于，所述步骤S2中电流过零信号触发MCU产生外部中断，控制双路积分电路的充放电过程，当充电过程结束时，启动MCU的A/D转换模块将接收到的两路积分电压信号转化为两路电压数字量具体为：
所述电流过零信号以下降沿触发MCU产生外部中断，MCU根据外部中断函数输出积分电路积分控制信号，同时启动内部定时器，双路积分电路开始充电；
当定时时间到达时，MCU根据定时器中断函数输出积分电路保持控制信号，同时启动A/D转换器，将两路积分电压信号转换为数字信号；
待到A/D转换结束后，MCU输出积分电路放电控制信号，双路积分电路开始放电，放电结束，即完成一个完整的工频周期积分过程，MCU等待下一个外部中断的触发。
3.如权利要求1所述的一种低压电弧故障检测方法，其特征在于，所述步骤S3中根据两路电压数字量计算出高次谐波占有率，通过与故障判定阈值进行比较来判定单个电弧事件具体为：
根据基频信号积分电压值的大小判断负载是否运行，若负载运行，则求取高频信号积分电压值与基频信号积分电压值之间的比值，得到高次谐波占有率，判断所述高次谐波占有率是否大于故障判定阈值，若是，则当前电弧事件记为1，否则记为0，所述基频信号积分电压值为所述基频模拟信号所对应的电压数字量，所述高频信号积分电压值为所述高频模拟信号所对应的电压数字量。
4.如权利要求1所述的一种低压电弧故障检测方法，其特征在于，所述步骤S3还包括：
记录每一次高次谐波占有率hr，得到高次谐波占有率统计数组；
通过高次谐波占有率统计数组对本周期内计算的高次谐波占有率进行统计，在本周期的高次谐波占有率统计结束后，计算本周期内的电弧事件统计数组中高次谐波占有率平均值hravg以及最大值与最小值的差值hrdif，若为首次调用故障判定函数，则由hravg计算出故障判定阈值K；
若非首次调用，则判断hrdif是否超过故障判定阈值K，若是，则认定为负载变更，重新计算故障判定阈值K，再通过高次谐波占有率hr与重新设定的故障判定阈值K的比较来对电弧事件进行判定。
5.如权利要求3所述的一种低压电弧故障检测方法，其特征在于，所述步骤S3中当固定周期内检测到的电弧事件个数大于设定阈值时，则判定所述被保护线路有电弧故障产生，发出电弧故障报警信号具体为：
通过电弧事件统计数组对当前周期内检测到的电弧事件判定结果进行统计，通过数组求和计算出当前周期内的电弧事件个数；
当当前周期内的电弧事件个数大于或等于设定阈值时，则判定所述被保护线路有电弧故障产生，发出电弧故障报警信号。
6.一种低压电弧故障检测装置，以实现权利要求1所述的一种低压电弧故障检测方法，其特征在于，包括有用于采集线路电流信号并将其转换为电压信号的霍尔电流传感器、用于采集线路工频电流的工频电流互感器、用于将工频电流信号转换为工频电压信号的信号调理电路、用于将线路的工频电压信号转换为电流过零信号的过零检测电路、用于将电压信号转化为基频模拟信号与高频模拟信号的滤波器电路、用于将基频模拟信号与高频模拟信号分别转化为正值模拟信号的双路精密绝对值电路、用于得出两路正值模拟信号的积分电压信号的双路积分电路、MCU及电弧故障声光报警装置；
所述霍尔电流传感器和工频电流互感器分别与被保护线路电连接；
所述霍尔电流传感器的信号输出端连接滤波器电路的信号输入端，所述滤波器电路的信号输出端连接双路精密绝对值电路的信号输入端，所述双路精密绝对值电路的信号输出端连接双路积分电路的信号输入端，所述双路积分电路的信号输出端连接于MCU的A/D转换接口上；
所述工频电流互感器的信号输出端借由信号调理电路连接过零检测电路的信号输入端，所述过零检测电路的信号输出端连接于MCU；
所述MCU与所述电弧故障声光报警装置电连接。
7.如权利要求6所述的一种低压电弧故障检测装置，其特征在于，所述滤波器电路采用精密开关电容四阶契比雪夫带通滤波器。
8.如权利要求6所述的一种低压电弧故障检测装置，其特征在于，所述双路积分电路采用低噪声、双开关控制积分芯片。
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