CN206876813U - 一种考虑雷电流隔离设备影响的故障电弧检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种考虑雷电流隔离设备影响的故障电弧检测装置，包括雷电流高频隔离设备和故障电弧检测装置，所述的雷电流高频隔离设备包括串联的电容和电感，所述的故障电弧检测装置包括主控MCU、信号处理电路、采样电路、电流传感器、按键输入电路、功能按键、声光报警电路和隔离输出电路。本实用新型的装置将雷电高频隔离设备与故障电弧检测装置集成到一起，使装置能够既实现雷电保护，又能保证故障电弧被准确检出。

Description

一种考虑雷电流隔离设备影响的故障电弧检测装置

技术领域

本实用新型涉及故障电弧检测技术领域，特别涉及一种考虑雷电流隔离设备影响的故障电弧检测装置。

背景技术

电弧广泛存在于电力设备中，小到日常用电器的插头插拔，大到高压输电线路的投切。根据电弧给系统和设备带来的影响程度，能够分为好弧(Good Arc)和坏弧(BadArc)。日常生活中用电器插头插拔时产生的“电弧”(俗称“电火花”)，伴有轻微的放电声音，就是好弧的一种，不会影响用电器的正常工作，也不会带来安全隐患，影响系统安全的工作。而当电缆、电线的绝缘皮破损或电缆断裂(老化或雷击烧损等原因)时，产生的电弧则是坏弧的一种，电弧会持续燃烧，释放热能，若不能及时发现并熄灭电弧，很可能引发火灾等造成人员伤亡和财产损失的事故。针对坏弧可能带来的危险，相关研究人员现阶段仍在研究对于故障电弧的检测方法，并且电力设备也有强制标准要求配备电弧检测功能。但是，目前尚未有学者公开讨论雷电流隔离设备对于故障电弧检测可能产生的不良影响。

雷电流波形具有极其陡峭的头部，使其包含有十分丰富的高频分量，多集中于10kHz-100kHz的频率范围内；雷电流高频隔离设备可以视为一个非线性的电感，对于雷电流频率范围内的电流波形呈现远大于地网电阻的阻抗，所以雷电流基本上全部经由地网流入大地，避免了地电位反击的发生。故障电弧发生时，电流波形畸变严重，也同样会包含相当丰富的高频分量和噪声。现阶段商用和正在研究的算法多依赖于故障电弧所包含的高频分量来将其与正常的负荷电流进行区分。当发生故障电弧时，雷电流高频隔离设备(等效为大电感)会滤掉电弧中的高频分量，造成故障电弧的特征量无法用于检测，造成安全隐患。

发明内容

为了解决背景技术中所述问题，本实用新型提供一种考虑雷电流隔离设备影响的故障电弧检测装置，将雷电高频隔离设备与故障电弧检测装置集成到一起，使装置能够既实现雷电保护，又能保证故障电弧被准确检出。装置中的故障电弧检测方法能够在故障电弧特征量被雷电流隔离设备滤掉时，仍然能够准确地检测到故障电弧的存在，及时给断路器发出断开信号，避免火灾等安全事故的发生。

为了达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案实现：

一种考虑雷电流隔离设备影响的故障电弧检测装置，包括雷电流高频隔离设备和故障电弧检测装置，所述的雷电流高频隔离设备包括串联的电容和电抗器，所述的故障电弧检测装置包括主控MCU、信号处理电路、采样电路、电流传感器、按键输入电路、功能按键、声光报警电路和隔离输出电路。

所述的主控MCU为单片机芯片，主控MCU分别与信号处理电路、按键输入电路、隔离输出电路和声光报警电路相连接，并通过信号处理电路连接采样电路，通过采样电路连接设置于三相电源上的电流传感器。

所述的主控MCU还通过隔离输出电路连接电源端的断路器，通过按键输入电路连接功能按键。

所述的雷电流高频隔离设备上端连接用电设备的PE端，下端连接地网汇流排。

所述的主控MCU通过电流传感器采集三相电流，当分析到有故障电弧发生时，通过声光报警电路进行声光报警，通过隔离输出电路控制断开电源端的断路器，切断故障电源。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型的一种考虑雷电流隔离设备影响的故障电弧检测装置，将雷电高频隔离设备与故障电弧检测装置集成到一起，使装置能够既实现雷电保护，又能保证故障电弧被准确检出。装置中的故障电弧检测方法能够在故障电弧特征量被雷电流隔离设备滤掉时，仍然能够准确地检测到故障电弧的存在，及时给断路器发出断开信号，避免火灾等安全事故的发生。

附图说明

图1为本实用新型的一种考虑雷电流隔离设备影响的故障电弧检测装置结构示意图；

图2为本实用新型的一种考虑雷电流隔离设备影响的故障电弧检测装置的雷电流高频隔离设备电抗器结构示意图；

图3为本实用新型实施方式的一种考虑雷电流隔离设备影响的故障电弧检测方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型提供的具体实施方式进行详细说明。

如图1所示，一种考虑雷电流隔离设备影响的故障电弧检测装置，包括雷电流高频隔离设备和故障电弧检测装置，所述的雷电流高频隔离设备包括串联的电容和电抗器，所述的故障电弧检测装置包括主控MCU、信号处理电路、采样电路、电流传感器、按键输入电路、功能按键、声光报警电路和隔离输出电路。

所述的主控MCU为单片机芯片，主控MCU分别与信号处理电路、按键输入电路、隔离输出电路和声光报警电路相连接，并通过信号处理电路连接采样电路，通过采样电路连接设置于三相电源上的电流传感器。

所述的主控MCU还通过隔离输出电路连接电源端的断路器，通过按键输入电路连接功能按键。

所述的雷电流高频隔离设备上端连接用电设备的PE端，下端连接地网汇流排。

所述的主控MCU通过电流传感器采集三相电流，当分析到有故障电弧发生时，通过声光报警电路进行声光报警，通过隔离输出电路控制断开电源端的断路器，切断故障电源。

所述的主控MCU为单片机控制电路，由单片机芯片及其外围电路组成。单片机优选STM系列单片机。

所述的电弧故障报警电路包括蜂鸣器及其驱动电路。

所述的开关量隔离输出电路由光耦构成。

如图2所示，所述的雷电流高频隔离设备的电抗器，其磁芯材料可以是铁氧体磁芯如锰锌系材、镍锌系材、镁锌系材等，也可以是合金类磁芯如硅(矽)钢材、铁粉芯、铁硅铝合金、铁镍合金、钼坡莫合金、非晶、微晶合金等。线材可以为聚氨基甲酸酯漆包线、聚酯漆包线自粘聚氨基甲酸酯漆包线、丝包线、绞线、电镀铜线、三层绝缘线、PVC线等。其等效模型可表示为理想电感串联等效电阻再并联寄生电容，对外特性表现为雷电流能量密集的频段呈现高阻抗，其他频段表现为低阻抗。即在正常情况下表现为导通状态，阻抗低，保证设备的正常安全接地；当接地系统有雷电流通过时，在雷电流频率下，该元件为高阻抗，阻断雷电的反击，使得雷电流只能向地网进行泄放。当雷电流泄放完成后，该地电位反击隔离元件又恢复到低阻抗状态。

如图3所示，一种考虑雷电流隔离设备影响的故障电弧检测方法，采用四种条件共同判断，并且其中一种判定条件利用电流差异参数的判定结果作为前提，采用谐波含有率变化率对故障电弧进行判断，能够在使用雷电流隔离设备的情况下有效检测出故障电弧，包括如下步骤：

步骤1：持续对电流进行采样(根据实际硬件情况，每周期采64或128个点)；

步骤2：电流的采样值为128点每周期或64点每周期。以64点为例，将电流采样值记为I₀、I₁、……、I₆₃，正常周期电流记为I_n0、I_n1、……、I_n63(采样值和正常值均为标幺值)。计算当前的采样周期电流与正常周期电流的差异参数：

将I_per与阈值S₁比较，若I_per≤S₁，则将采样电流值幅给正常周期电流值，更新正常周期电流值；若I_per＞S₁，则进行进一步的分析计算来判断是否由故障电弧发生；

步骤3：计算电流的平均值：

用电流的平均值来判断电流的正负半周是否对称。若I_ave大于给定阈值S2，则认为波形对称性不满足要求，为波形对称指示参数m1赋值1，否则为m1赋值0；

步骤4：计算采样电流相邻两个采样值的差值：

ΔI_k＝I_k+1-I_k(k＝0,1,2……62) (3)

用该差值的最大值K_v＝max[ΔI₀，ΔI₁，...，ΔI₆₂]来表示电流的最大变化率。若K_v大于阈值S3，则认为电流变化率过大，为电流变化率参数m2赋值1，否则m2赋值为零；

步骤5：计算电流的波型参数：

其中，α根据实际电流进行设置，一般取正常电流峰值。用电流的波型参数可以表示出电流是否含有平肩部。若K_p大于阈值S4，则认为电流含有平肩部，为平肩部指示参数m3赋值1，否则m3赋值为零；

步骤6：用FFT检测采样电流谐波，计算采样电流高次谐波(此处计算第3、5、7、9次谐波)含有率变化率ΔP_n，若ΔP_n大于阈值S4，则认为采样电流谐波含量不正常，为谐波指示参数m4赋值为1，否则赋值为0；

步骤7：计算上述步骤3～步骤6中四个指示参数的和，即m＝m1+m2+m3+m4；若m>＝2,故障电弧周波数指示参数sum＝sum+1，若sum>＝6，则触发报警信号；若sum<6，则返回步骤2继续判别；若m<2,则认为没有故障电弧发生，为sum赋值0，并将正常电流更新为此时的采样电流。

步骤6的具体步骤如下：

步骤601.计算出采样周期奇次谐波含有率变化率ΔP_n和设定阈值ΔP_th比较；谐波含有率定义为其中I₁为基波电流，I_h为第h次谐波电流的均方根值，X_h1为第h次谐波电流采样值，M为采样点数，本例中取3、5、7、9次谐波，计算奇次谐波含有率为

步骤602.以步骤2判断出的第1个正常工频采样周期电流奇次谐波含有率P为基础值，计算相邻两个工频采样周期电流奇次谐波含有率变化率ΔP_n，ΔP_n＝P_n-P，两次采样周期之间电流奇次谐波含有率之差为采样周期奇次谐波含有率变化率ΔP_n。

本实用新型的装置将雷电高频隔离设备与故障电弧检测装置集成到一起，使装置能够既实现雷电保护，又能保证故障电弧被准确检出。装置中的故障电弧检测方法能够在故障电弧特征量被雷电流隔离设备滤掉时，仍然能够准确地检测到故障电弧的存在，及时给断路器发出断开信号，避免火灾等安全事故的发生。

以上实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于上述的实施例。上述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。

Claims (5)

1.一种考虑雷电流隔离设备影响的故障电弧检测装置，其特征在于，包括雷电流高频隔离设备和故障电弧检测装置，所述的雷电流高频隔离设备包括串联的电容和电抗器，所述的故障电弧检测装置包括主控MCU、信号处理电路、采样电路、电流传感器、按键输入电路、功能按键、声光报警电路和隔离输出电路。

2.根据权利要求1所述的一种考虑雷电流隔离设备影响的故障电弧检测装置，其特征在于，所述的主控MCU为单片机芯片，主控MCU分别与信号处理电路、按键输入电路、隔离输出电路和声光报警电路相连接，并通过信号处理电路连接采样电路，通过采样电路连接设置于三相电源上的电流传感器。

3.根据权利要求1所述的一种考虑雷电流隔离设备影响的故障电弧检测装置，其特征在于，所述的主控MCU还通过隔离输出电路连接电源端的断路器，通过按键输入电路连接功能按键。

4.根据权利要求1所述的一种考虑雷电流隔离设备影响的故障电弧检测装置，其特征在于，所述的雷电流高频隔离设备上端连接用电设备的PE端，下端连接地网汇流排。

5.根据权利要求1所述的一种考虑雷电流隔离设备影响的故障电弧检测装置，其特征在于，所述的主控MCU通过电流传感器采集三相电流，当分析到有故障电弧发生时，通过声光报警电路进行声光报警，通过隔离输出电路控制断开电源端的断路器，切断故障电源。