串联电弧故障检测方法及其专用装置制造方法
串联电弧故障检测方法及其专用装置制造方法
【专利摘要】本发明串联电弧故障检测方法及其专用装置，涉及电故障的探测装置，是一种基于用电器电压波形的串联电弧故障检测方法，以用电器两端电压作为检测对象，采用差均值方法分析用电器两端电压波形，并对信号进行小波消噪处理，用处理后的差均值作为电弧的特征量，以此来判断有无电弧故障的产生，该方法的专用装置包括串联电弧故障模拟试验单元和串联电弧故障检测单元。本发明克服了现有技术采用提取电流信号突变特征的电弧故障检测方法可靠性不高，容易造成误判的缺陷。
【专利说明】串联电弧故障检测方法及其专用装置
【技术领域】
[0001]本发明的技术方案涉及电故障的探测装置，具体地说是串联电弧故障检测方法及其专用装置。
【背景技术】
[0002]在实际生活中，由于线路老化等多种原因可造成连续或间歇性的电弧故障。电弧故障的特征在物理现象上表现为持续强烈的弧光、弧声、放热等现象，在线路电流上表现为电流波形的畸变，相应的会出现零休区间、电流上升率增大、高频谐波增多等。电弧燃烧时会产生局部高温，电弧故障是引起电气火灾的主要原因之一，严重威胁人类的生命财产安全。
[0003]电弧故障分为串联电弧故障和并联电弧故障，串联电弧故障受负载类型和大小的影响较大，不同负载下电流变化表现出不同的特征。随着现代电气技术的发展，各种开关电源等非线性负载的增多，正常工作时电流也会出现电弧的某个或者某些特征，干扰了电弧特征的检测。
[0004]现阶段，对串联电弧故障检测方法的研究大多集中在研究故障电流波形上，主要是通过检测电流信号的“零休区间”，波形中存在的谐波分量，电流信号突变特征来确定电弧故障。CN201410148130.X公开了 “串联电弧故障检测方法及其专用装置”，其中所提出的检测方法是以电流信号作为特征量，对电流波形差值进行小波阈值去噪置零和归一化处理。但是对于部分非线性负载，其正常工作时的电流波形与故障时的电流波形相似度高，难以区分，例如可控硅做负载时，其正常工作下的电流存在类似于阻性负载电弧时的“零休区间”，对电弧故障的检测造成干扰。在以上情况中，采用提取电流信号突变特征的电弧故障检测方法可靠性不高，容易造成误判。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是:提供串联电弧故障检测方法及其专用装置，该方法是一种基于用电器电压波形的串联电弧故障检测方法，以用电器两端电压作为检测对象，采用差均值方法分析用电器两端电压波形，并对信号进行小波消噪处理，用处理后的差均值作为电弧的特征量，以此来判断有无电弧故障的产生，克服了现有技术采用提取电流信号突变特征的电弧故障检测方法可靠性不高，容易造成误判的缺陷。
[0006]本发明解决该技术问题所采用的技术方案是:串联电弧故障检测方法，是一种基于用电器电压波形的串联电弧故障检测方法，以用电器两端电压作为检测对象，采用差均值方法分析用电器两端电压波形，并对信号进行小波消噪处理，用处理后的差均值作为电弧的特征量，以此来判断有无电弧故障的产生，具体步骤如下:
[0007]第一步，采集用电器两端电压瞬时值:
[0008]在一个电源周期内以20kHz的采样频率采集400个用电器两端电压瞬时值，作为下一个电源周期的参考数据，在采集用电器两端电压瞬时值的同时采集相应的电弧光瞬时值；
[0009]第二步，得到相邻电源周期的电压波形差信号:
[0010]以同样的采样频率采集相邻电源周期的同样个数的用电器两端电压瞬时值，再与上述第一步中所得的上一电源周期的用电器两端电压瞬时值数据对应点相减，得到相邻电源周期的电压波形差信号；
[0011]第三步，对相邻电源周期电压波形差值进行小波消噪处理:
[0012](I)对第二步得到的相邻电源周期电压波形差信号进行小波变换，计算相邻电源周期电压差值U3的默认阈值THR，
[0013](2)将上述THR扩大u倍，得到小波去噪的阈值THR1，即THRl = u*THR，
[0014](3)求上述U3的400个点的每个点的绝对值，判断是否大于阈值THRl:是，保留U3相应点和THRl的差，否，则将U3相应的点置0，最后得到修改后的U3，记为U4，
[0015](4)对用于求取上述U3的后一电源周期电压采集值U2的400个点每个点求绝对值，然后求和，再除以400，得到AVERAGE，
[0016](5)计算U5 = U4/AVERAGE+h, h为根据经验获得的经验修正值，U5即为小波消噪处理后的相邻电压波形差值；
[0017]第四步，获得相邻周期电压波形的差均值:
[0018]对第三步得到的每个电源周期内的相邻电压波形差值信号的400个点分别求取绝对值后求和，再除以400，获得相邻周期电压波形的差均值；
[0019]第五步，判断有无电弧现象:
[0020]将上述第四步求得的相邻周期电压波形的差均值与电弧特征阈值比较，如果大于电弧特征阈值，判断为有电弧故障现象，此周期即为电弧故障周期；反之，则判断无电弧故障现象，此周期即为无电弧故障周期。
[0021]上述串联电弧故障检测方法的专用装置，包括串联电弧故障模拟试验单元和串联电弧故障检测单元，其中，串联电弧故障模拟试验单元包括电弧发生模块、行程控制模块、弧光标定模块、交流调压电源和负载接口，串联电弧故障检测单元包括电压传感器和电流传感器；上述部件的连接方式是:交流调压电源、电弧发生模块、负载接口和电流传感器依次串联组成回路，电压传感器并联在负载接口两端，行程控制模块与电弧发生模块通过导线相连，弧光标定模块置于电弧发生模块旁边。
[0022]上述串联电弧故障检测方法的专用装置，所述电弧发生模块包括水平底座、电机固定底座、直线步进电机、绝缘滑动支座、钨铜合金锥状电极、圆柱石墨电极、绝缘固定支座和水平撑杆；上述部件的安装方式是:将水平底座安放在一个水平台面上，电机固定底座固定在水平底座上，直线步进电机固定在电机固定底座上，直线步进电机的行程输出端与绝缘滑动支座连接并固定，钨铜合金锥状电极固定在绝缘滑动支座上，圆柱石墨电极固定在绝缘固定支座上，绝缘固定支座与水平底座相连并固定，水平撑杆一端与绝缘固定支座相连，另一端与电机固定底座连接，并穿过绝缘滑动支座使其能在水平撑杆上沿直线自由滑动。
[0023]上述串联电弧故障检测方法的专用装置，所述行程控制模块包括控制按键、单片机、电机驱动器和计数显示器，所述计数显示器、单片机、电机驱动器和控制按键依次通过导线相连。
[0024]上述串联电弧故障检测方法的专用装置，所述弧光标定模块由弧光传感器和底座组成，上述部件连接方式为:底座置于电弧发生模块旁边，弧光传感器固定于底座上。
[0025]上述串联电弧故障检测方法的专用装置，所述电压传感器采用霍尔电压传感器，所述电流传感器采用霍尔电流传感器，所述霍尔电压传感器的二次侧输入端接于被测用电器两端，所述霍尔电流传感器与用电器串联连接。
[0026]上述串联电弧故障检测方法的专用装置，所涉及的元器件均通过商购获得。
[0027]本发明的有益效果是:与现有技术相比，本发明的突出的实质性特点和显著进步如下:
[0028](I)本发明的原理基础是:电弧的生成伴随着电流与电压的能量交换。经实验分析得出:电弧故障电压信号存在较强的奇异性，故可选择电弧故障电压作为特征量对电弧进行检测。但在实际生活中，当配电线路发生电弧故障时，故障发生位置不易确定，且直接检测电弧电压的难度较大，易发生危险，使得电弧电压不易提取。由于在串联电弧中，配电线路负载端电压U1、电弧电压u\电源电压us，满足如下串联电路电压关系:
[0029]U1(I) = Us-Uh(i) i = l,2, 3,.....η (I)
[0030]因此可通过检测用电器两端电压波形，从而获得电弧电压信号进行检测。
[0031](2)电弧产生时，伴随发光现象，在本发明的串联电弧故障检测方法的专用装置中增加了一个电弧光标定模块，对电弧光数据进行采集，可以准确标示出电弧发生时间段，对正常段、燃弧段、熄弧段做一个区分，从而可以验证本检测方法的可行性，并且简便易行。另夕卜，该电弧光标定模块，还可以改善当前数据采集方法的缺陷。当前对电弧故障试验数据的采集，通常有两种做法:一种是采集电弧稳定燃烧时的试验数据，这种方法需要不断调节电极距离来保持电弧稳定燃烧，在实际操作中存在一定难度，同时也不能保证采集过程中所得数据一直有电弧燃烧，另外，在不同时刻进行试验时，选择稳定燃弧的距离可能不同，从而导致数据特征存在一定的差异性，会给检测方法的确定带来一定影响。另一种方法是采集电弧发生整个过程的数据，这种方法在后期电弧故障数据分析中需要对正常段、燃弧段、熄弧段做一个区分，而当前研究中对这三个过程如何区分没有给出明确的说明，而是一般选择燃弧后期波形变化相对较为明显的部分加以分析，这会使得分析结果带有一定的局限性，基于这种不完全的实验数据分析结果的检测方法可靠性有一定程度的降低，有可能会出现漏检现象。用弧光信号对电弧故障阶段进行标定，可以提高试验数据的准确性，以及检测方法的可靠性。
[0032](3)本发明立足于串联电弧故障产生时，在非线性负载的情况下，电弧故障电压信号也能表现出较强的奇异性，通过相邻周期波形相减，正常电压相邻周期波形差值很小，电弧电压相邻周期波形差值增大，对每个周期内波形差值求取平均值，即可检测出串联电弧故障。由于电弧故障电压与用电器两端电压叠加为电源电压，始终保持稳定，故可将用电器两端电压作为电弧故障检测的特征量，使得电弧故障的检测更加简便易行。
[0033](4)本发明方法是一种基于用电器电压波形的串联电弧故障检测方法，以用电器两端电压作为检测对象，采用差均值方法分析用电器两端电压波形，并对信号进行小波消噪处理，用处理后的差均值作为电弧的特征量，以此来判断有无电弧故障的产生，克服了采用提取电流信号突变特征的电弧故障检测方法可靠性不高，容易造成误判的缺陷。
【专利附图】
【附图说明】
[0034]下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0035]图1是本发明方法步骤流程的示意框图。
[0036]图2是本发明发方法小波消噪处理流程的示意框图。
[0037]图3是本发明方法专用装置构成的示意框图。
[0038]图4是本发明方法专用装置中的电弧发生模块结构示意框图。
[0039]图5(a)是电弧发生前后电弧光及被测用电器微波炉负载两端电压波形图。
[0040]图5(b)是电弧发生前后电弧光及被测用电器吸尘器负载两端电压波形图。
[0041]图6(a)是电弧发生前后被测用电器微波炉相邻电源周期电压经相减消噪处理后的电压波形图。
[0042]图6(b)是电弧发生前后被测用电器吸尘器相邻电源周期电压经相减消噪处理后的电压波形图。
[0043]图7 (a)是电弧发生前后被测用电器微波炉对相减消噪电压求取差均值后的波形图。
[0044]图7(b)是电弧发生前后被测用电器吸尘器对相减消噪电压求取差均值后的波形图。
[0045]图8(a)是电弧发生前后电弧光及被测用电器微波炉求取差均值后的波形图。
[0046]图8(b)是电弧发生前后电弧光及被测用电器吸尘器求取差均值后的波形图。
[0047]图中，11.电弧发生模块，12.弧光标定模块，13.交流调压电源，14.负载接口，15.电压传感器，16.行程控制模块，17.电流传感器，21.水平底座，22电机固定底座，23直线步进电机，24.绝缘滑动支座，25.钨铜合金锥状电极，26.圆柱石墨电极，27.绝缘固定支座，28.水平撑杆。
【具体实施方式】
[0048]图1所示实施例表明，本发明方法步骤的流程是:采集用电器两端电压瞬时值一得到相邻电源周期的电压波形差信号一进行小波消噪处理一获得相邻周期电压波形的差均值一判断有无电弧现象。
[0049]图2所示实施例表明，本发明方法小波消噪处理流程是:对U3进行小波变换，计算其默认阈值THR —将THR扩大u倍，得到小波去噪后阈值THRl (THR1 = THR*u)—求U3的400个点每个点的绝对值，判断是否大于THRl——是一保留U3相应点和THRl的差得到修改后的U3，记为U4 —对U2的400个点每个点求绝对值，然后求和，再除以400，得到平均值AVERAGE —得到小波消噪处理后的电压波形差值U5 = U4/AVERAGE+h (h为经验修正值)；——否一将U3相应点置O —得到修改后的U3，记为U4 —对U2的400个点每个点求绝对值，然后求和，再除以400，得到平均值AVERAGE —得到小波消噪处理后的电压波形差值U5 = U4/AVERAGE+h (h为经验修正值)。
[0050]图3所示实施例表明，本发明方法专用装置构成包括该图面中虚线框外的串联电弧故障模拟试验单元和该图面中虚线框内的串联电弧故障检测单元，其中，串联电弧故障模拟试验单元包括电弧发生模块11、行程控制模块16、弧光标定模块12、交流调压电源13和负载接口 14，串联电弧故障检测单元包括电压传感器15和电流传感器17 ;上述部件的连接方式是:交流调压电源13、电弧发生模块11、负载接口 14和电流传感器17依次串联组成回路，电压传感器15并联在负载接口 14两端，行程控制模块16与电弧发生模块11通过导线相连，弧光标定模块12置于电弧发生模块11旁边，用以测量电弧发生时产生的弧光，从而准确标定出电弧发生时刻。
[0051]图4所示实施例表明，本发明方法专用装置中的电弧发生模块11的构成包括水平底座21、电机固定底座22、直线步进电机23、绝缘滑动支座24、钨铜合金锥状电极25、圆柱石墨电极26、绝缘固定支座27和水平撑杆28 ;上述部件的安装方式是:水平底座21安放在一个水平台面上，电机固定底座22固定在水平底座21上，直线步进电机23固定在电机固定底座22上，直线步进电机23的行程输出端与绝缘滑动支座24连接并固定，钨铜合金锥状电极25固定在绝缘滑动支座24上，圆柱石墨电极26固定在绝缘固定支座27上，绝缘固定支座24与水平底座21相连并固定，水平撑杆28 —端与绝缘固定支座27相连，另一端与电机固定底座22连接，并穿过绝缘滑动支座24使其能在水平撑杆28上沿直线自由滑动。
[0052]图5(a)是电弧发生前后电弧光及被测用电器微波炉负载两端电压波形图，图5 (b)是电弧发生前后电弧光及被测用电器吸尘器负载两端电压波形图。从这两个附图中可见，在采集用电器两端电压瞬时值的同时采集相应的电弧光瞬时值可以很好地标示电弧故障发生段。
[0053]图6(a)是电弧发生前后被测用电器微波炉相邻电源周期电压经相减消噪处理后的电压波形图，图6(b)是电弧发生前后被测用电器吸尘器相邻电源周期电压经相减消噪处理后的电压波形图，这两个【专利附图】
【附图说明】，通过对被测用电器两端电压进行相减消噪，电弧发生前，相邻周期电压波形差值很小，电弧发生后相邻周期电压波形差值增大，出现峰值。
[0054]图7 (a)是电弧发生前后被测用电器微波炉负载下对相减消噪电压求取差均值后的波形图，图7(b)是电弧发生前后被测用电器吸尘器负载下对相减消噪电压求取差均值后的波形图。从这两个附图中可以看出，电弧段脉冲峰值较多且峰值较大，正常段脉冲峰值较少且脉冲峰值较小，求平均值后两者可以明显区分。
[0055]图8(a)是电弧发生前后电弧光及被测用电器微波炉求取差均值后的波形图，图8(b)是电弧发生前后电弧光及被测用电器吸尘器求取差均值后的波形图。从图8(a)中可以看出，在微波炉做负载时，电弧光瞬时值标示的电弧故障发生段为第2400个点到第8800个点，以及第11000个点到第14000个点，无弧段为第8800个点到第11000个点，反映到每个周期采集400个点的周期中，则为第6到第22个周期以及第28到第34个周期内存在电弧故障，第22到第28个周期内无电弧，而与差均值图中电弧故障分布周期以及无弧周期是相对应的。同样，从图8(b)中可以看出，在吸尘器做负载时，电弧光瞬时值标示的电弧故障发生段与差均值法检测的电弧发生段是吻合的。由此证明运用差均值方法检测电弧故障是可行的。
[0056]实施例1
[0057]本实施例的串联电弧故障检测方法的专用装置的构成如事实图3和图4所示实施例。其中交流调压电源13为TDGC2-2KVA，串联电弧故障检测单元中的电压传感器15为型号CHV-200VS的霍尔电压传感器，串联电弧故障检测单元中的电流传感器17为型号CHB-25NP的霍尔电流传感器。
[0058]将负载用电器连接到本实施例的串联电弧故障检测方法的专用装置的负载接口14，进行串联电弧故障检测，该装置的操作步骤是:接通主电路，通过行程控制模块16控制电弧发生模块11的电极的闭合与分离。若未出现电弧，重新操作。
[0059]本实施例中所涉及的元器件均通过商购获得。
[0060]实施例2
[0061]采用实施例1的串联电弧故障检测方法的专用装置进行基于用电器电压波形的串联电弧故障检测，具体步骤如下:
[0062]第一步，采集用电器两端电压瞬时值:
[0063]在一个电源周期内以20kHz的采样频率采集400个用电器两端电压瞬时值，并作为下一个电源周期的参考数据，在采集用电器两端电压瞬时值的同时，采集相应的电弧光瞬时值；
[0064]第二步，得到相邻电源周期的电压波形差信号:
[0065]以同样的采样频率采集相邻电源周期的同样个数的用电器两端电压瞬时值，再与上述第一步中所得的上一电源周期的用电器两端电压瞬时值数据对应点相减，得到相邻电源周期的电压波形差信号；
[0066]第三步，对相邻电源周期电压波形差进行小波消噪处理:
[0067](I)对第二步得到的相邻电源周期电压波形差信号进行小波变换，计算相邻电源周期电压差值U3的默认阈值THR，
[0068](2)将上述THR扩大u倍，得到小波去噪的阈值THR1，即THRl = u*THR，
[0069](3)求上述U3的400个点的每个点的绝对值，判断是否大于阈值THRl:是，保留U3相应点和THRl的差，否，则将U3相应的点置0，最后得到修改后的U3，记为U4，
[0070](4)对用于求取上述U3的后一电源周期电压采集值U2的400个点每个点求绝对值，然后求和，再除以400，得到AVERAGE，
[0071](5)计算U5 = U4/AVERAGE+h, h为根据经验获得的经验修正值，U5即为小波消噪处理后的相邻电压波形差值；
[0072]第四步，获得相邻周期电压波形的差均值:
[0073]对第三步得到的每个电源周期内的相邻电压波形差值信号的400个点分别求取绝对值后求和，再除以400，获得相邻周期电压波形的差均值；
[0074]第五步，判断有无电弧现象:
[0075]将上述第四步求得的相邻周期电压波形的差均值与电弧特征阈值比较，如果大于电弧特征阈值，判断为有电弧故障现象，此周期即为电弧故障周期；反之，则判断无电弧故障现象，此周期即为无电弧故障周期。
【权利要求】
1.串联电弧故障检测方法，其特征在于:是一种基于用电器电压波形的串联电弧故障检测方法，以用电器两端电压作为检测对象，采用差均值方法分析用电器两端电压波形，并对信号进行小波消噪处理，用处理后的差均值作为电弧的特征量，以此来判断有无电弧故障的产生，具体步骤如下: 第一步，采集用电器两端电压瞬时值: 在一个电源周期内以20kHz的采样频率采集400个用电器两端电压瞬时值，作为下一个电源周期的参考数据，在采集用电器两端电压瞬时值的同时采集相应的电弧光瞬时值； 第二步，得到相邻电源周期的电压波形差信号: 以同样的采样频率采集相邻电源周期的同样个数的用电器两端电压瞬时值再与上述第一步中所得的上一电源周期的用电器两端电压瞬时值数据对应点相减，得到相邻电源周期的电压波形差信号； 第三步，对相邻电源周期电压波形差值进行小波消噪处理: (1)对第二步得到的相邻电源周期电压波形差信号进行小波变换，计算相邻电源周期电压差值U3的默认阈值THR， (2)将上述THR扩大u倍，得到小波去噪的阈值THR1，即THRl= u*THR， (3)求上述U3的400个点的每个点的绝对值，判断是否大于阈值THRl:是，保留U3相应点和THRl的差，否，则将U3相应的点置0，最后得到修改后的U3，记为U4， (4)对用于求取上述U3的后一电源周期电压采集值U2的400个点每个点求绝对值，然后求和，再除以400，得到AVERAGE， (5)计算U5= U4/AVERAGE+h, h为根据经验获得的经验修正值，U5即为小波消噪处理后的相邻电压波形差值； 第四步，获得相邻周期电压波形的差均值: 对第三步得到的每个电源周期内的相邻电压波形差值信号的400个点分别求取绝对值后求和，再除以400，获得相邻周期电压波形的差均值； 第五步，判断有无电弧现象: 将上述第四步求得的相邻周期电压波形的差均值与电弧特征阈值比较，如果大于电弧特征阈值，判断为有电弧故障现象，此周期即为电弧故障周期；反之，则判断无电弧故障现象，此周期即为无电弧故障周期。
2.权利要求1所述串联电弧故障检测方法的专用装置，其特征在于:包括串联电弧故障模拟试验单元和串联电弧故障检测单元，其中，串联电弧故障模拟试验单元包括电弧发生模块、行程控制模块、弧光标定模块、交流调压电源和负载接口，串联电弧故障检测单元包括电压传感器和电流传感器；上述部件的连接方式是:交流调压电源、电弧发生模块、负载接口和电流传感器依次串联组成回路，电压传感器并联在负载接口两端，行程控制模块与电弧发生模块通过导线相连，弧光标定模块置于电弧发生模块旁边。
3.根据权利要求2所述串联电弧故障检测方法的专用装置，其特征在于:所述电弧发生模块包括水平底座、电机固定底座、直线步进电机、绝缘滑动支座、钨铜合金锥状电极、圆柱石墨电极、绝缘固定支座和水平撑杆；上述部件的安装方式是:将水平底座安放在一个水平台面上，电机固定底座固定在水平底座上，直线步进电机固定在电机固定底座上，直线步进电机的行程输出端与绝缘滑动支座连接并固定，钨铜合金锥状电极固定在绝缘滑动支座上，圆柱石墨电极固定在绝缘固定支座上，绝缘固定支座与水平底座相连并固定，水平撑杆一端与绝缘固定支座相连，另一端与电机固定底座连接，并穿过绝缘滑动支座使其能在水平撑杆上沿直线自由滑动。
4.根据权利要求2所述串联电弧故障检测方法的专用装置，其特征在于:所述行程控制模块包括控制按键、单片机、电机驱动器和计数显示器，所述计数显示器、单片机、电机驱动器和控制按键依次通过导线相连。
5.根据权利要求2所述串联电弧故障检测方法的专用装置，其特征在于:所述弧光标定模块由弧光传感器和底座组成，上述部件连接方式为:底座置于电弧发生模块旁边，弧光传感器固定于底座上。
6.根据权利要求2所述串联电弧故障检测方法的专用装置，其特征在于:所述电压传感器采用霍尔电压传感器，所述电流传感器采用霍尔电流传感器，所述霍尔电压传感器的二次侧输入端接于被测用电器两端，所述霍尔电流传感器与用电器串联连接。
【文档编号】G01R19/165GK104360205SQ201410710379
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年12月1日 优先权日:2014年12月1日
【发明者】张冠英, 孙莹, 季弘历, 张晓亮, 张涛, 李长伟, 曹旺林 申请人:河北工业大学
【专利摘要】本发明串联电弧故障检测方法及其专用装置，涉及电故障的探测装置，是一种基于用电器电压波形的串联电弧故障检测方法，以用电器两端电压作为检测对象，采用差均值方法分析用电器两端电压波形，并对信号进行小波消噪处理，用处理后的差均值作为电弧的特征量，以此来判断有无电弧故障的产生，该方法的专用装置包括串联电弧故障模拟试验单元和串联电弧故障检测单元。本发明克服了现有技术采用提取电流信号突变特征的电弧故障检测方法可靠性不高，容易造成误判的缺陷。
【专利说明】串联电弧故障检测方法及其专用装置
【技术领域】
[0001]本发明的技术方案涉及电故障的探测装置，具体地说是串联电弧故障检测方法及其专用装置。
【背景技术】
[0002]在实际生活中，由于线路老化等多种原因可造成连续或间歇性的电弧故障。电弧故障的特征在物理现象上表现为持续强烈的弧光、弧声、放热等现象，在线路电流上表现为电流波形的畸变，相应的会出现零休区间、电流上升率增大、高频谐波增多等。电弧燃烧时会产生局部高温，电弧故障是引起电气火灾的主要原因之一，严重威胁人类的生命财产安全。
[0003]电弧故障分为串联电弧故障和并联电弧故障，串联电弧故障受负载类型和大小的影响较大，不同负载下电流变化表现出不同的特征。随着现代电气技术的发展，各种开关电源等非线性负载的增多，正常工作时电流也会出现电弧的某个或者某些特征，干扰了电弧特征的检测。
[0004]现阶段，对串联电弧故障检测方法的研究大多集中在研究故障电流波形上，主要是通过检测电流信号的“零休区间”，波形中存在的谐波分量，电流信号突变特征来确定电弧故障。CN201410148130.X公开了 “串联电弧故障检测方法及其专用装置”，其中所提出的检测方法是以电流信号作为特征量，对电流波形差值进行小波阈值去噪置零和归一化处理。但是对于部分非线性负载，其正常工作时的电流波形与故障时的电流波形相似度高，难以区分，例如可控硅做负载时，其正常工作下的电流存在类似于阻性负载电弧时的“零休区间”，对电弧故障的检测造成干扰。在以上情况中，采用提取电流信号突变特征的电弧故障检测方法可靠性不高，容易造成误判。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是:提供串联电弧故障检测方法及其专用装置，该方法是一种基于用电器电压波形的串联电弧故障检测方法，以用电器两端电压作为检测对象，采用差均值方法分析用电器两端电压波形，并对信号进行小波消噪处理，用处理后的差均值作为电弧的特征量，以此来判断有无电弧故障的产生，克服了现有技术采用提取电流信号突变特征的电弧故障检测方法可靠性不高，容易造成误判的缺陷。
[0006]本发明解决该技术问题所采用的技术方案是:串联电弧故障检测方法，是一种基于用电器电压波形的串联电弧故障检测方法，以用电器两端电压作为检测对象，采用差均值方法分析用电器两端电压波形，并对信号进行小波消噪处理，用处理后的差均值作为电弧的特征量，以此来判断有无电弧故障的产生，具体步骤如下:
[0007]第一步，采集用电器两端电压瞬时值:
[0008]在一个电源周期内以20kHz的采样频率采集400个用电器两端电压瞬时值，作为下一个电源周期的参考数据，在采集用电器两端电压瞬时值的同时采集相应的电弧光瞬时值；
[0009]第二步，得到相邻电源周期的电压波形差信号:
[0010]以同样的采样频率采集相邻电源周期的同样个数的用电器两端电压瞬时值，再与上述第一步中所得的上一电源周期的用电器两端电压瞬时值数据对应点相减，得到相邻电源周期的电压波形差信号；
[0011]第三步，对相邻电源周期电压波形差值进行小波消噪处理:
[0012](I)对第二步得到的相邻电源周期电压波形差信号进行小波变换，计算相邻电源周期电压差值U3的默认阈值THR，
[0013](2)将上述THR扩大u倍，得到小波去噪的阈值THR1，即THRl = u*THR，
[0014](3)求上述U3的400个点的每个点的绝对值，判断是否大于阈值THRl:是，保留U3相应点和THRl的差，否，则将U3相应的点置0，最后得到修改后的U3，记为U4，
[0015](4)对用于求取上述U3的后一电源周期电压采集值U2的400个点每个点求绝对值，然后求和，再除以400，得到AVERAGE，
[0016](5)计算U5 = U4/AVERAGE+h, h为根据经验获得的经验修正值，U5即为小波消噪处理后的相邻电压波形差值；
[0017]第四步，获得相邻周期电压波形的差均值:
[0018]对第三步得到的每个电源周期内的相邻电压波形差值信号的400个点分别求取绝对值后求和，再除以400，获得相邻周期电压波形的差均值；
[0019]第五步，判断有无电弧现象:
[0020]将上述第四步求得的相邻周期电压波形的差均值与电弧特征阈值比较，如果大于电弧特征阈值，判断为有电弧故障现象，此周期即为电弧故障周期；反之，则判断无电弧故障现象，此周期即为无电弧故障周期。
[0021]上述串联电弧故障检测方法的专用装置，包括串联电弧故障模拟试验单元和串联电弧故障检测单元，其中，串联电弧故障模拟试验单元包括电弧发生模块、行程控制模块、弧光标定模块、交流调压电源和负载接口，串联电弧故障检测单元包括电压传感器和电流传感器；上述部件的连接方式是:交流调压电源、电弧发生模块、负载接口和电流传感器依次串联组成回路，电压传感器并联在负载接口两端，行程控制模块与电弧发生模块通过导线相连，弧光标定模块置于电弧发生模块旁边。
[0022]上述串联电弧故障检测方法的专用装置，所述电弧发生模块包括水平底座、电机固定底座、直线步进电机、绝缘滑动支座、钨铜合金锥状电极、圆柱石墨电极、绝缘固定支座和水平撑杆；上述部件的安装方式是:将水平底座安放在一个水平台面上，电机固定底座固定在水平底座上，直线步进电机固定在电机固定底座上，直线步进电机的行程输出端与绝缘滑动支座连接并固定，钨铜合金锥状电极固定在绝缘滑动支座上，圆柱石墨电极固定在绝缘固定支座上，绝缘固定支座与水平底座相连并固定，水平撑杆一端与绝缘固定支座相连，另一端与电机固定底座连接，并穿过绝缘滑动支座使其能在水平撑杆上沿直线自由滑动。
[0023]上述串联电弧故障检测方法的专用装置，所述行程控制模块包括控制按键、单片机、电机驱动器和计数显示器，所述计数显示器、单片机、电机驱动器和控制按键依次通过导线相连。
[0024]上述串联电弧故障检测方法的专用装置，所述弧光标定模块由弧光传感器和底座组成，上述部件连接方式为:底座置于电弧发生模块旁边，弧光传感器固定于底座上。
[0025]上述串联电弧故障检测方法的专用装置，所述电压传感器采用霍尔电压传感器，所述电流传感器采用霍尔电流传感器，所述霍尔电压传感器的二次侧输入端接于被测用电器两端，所述霍尔电流传感器与用电器串联连接。
[0026]上述串联电弧故障检测方法的专用装置，所涉及的元器件均通过商购获得。
[0027]本发明的有益效果是:与现有技术相比，本发明的突出的实质性特点和显著进步如下:
[0028](I)本发明的原理基础是:电弧的生成伴随着电流与电压的能量交换。经实验分析得出:电弧故障电压信号存在较强的奇异性，故可选择电弧故障电压作为特征量对电弧进行检测。但在实际生活中，当配电线路发生电弧故障时，故障发生位置不易确定，且直接检测电弧电压的难度较大，易发生危险，使得电弧电压不易提取。由于在串联电弧中，配电线路负载端电压U1、电弧电压u\电源电压us，满足如下串联电路电压关系:
[0029]U1(I) = Us-Uh(i) i = l,2, 3,.....η (I)
[0030]因此可通过检测用电器两端电压波形，从而获得电弧电压信号进行检测。
[0031](2)电弧产生时，伴随发光现象，在本发明的串联电弧故障检测方法的专用装置中增加了一个电弧光标定模块，对电弧光数据进行采集，可以准确标示出电弧发生时间段，对正常段、燃弧段、熄弧段做一个区分，从而可以验证本检测方法的可行性，并且简便易行。另夕卜，该电弧光标定模块，还可以改善当前数据采集方法的缺陷。当前对电弧故障试验数据的采集，通常有两种做法:一种是采集电弧稳定燃烧时的试验数据，这种方法需要不断调节电极距离来保持电弧稳定燃烧，在实际操作中存在一定难度，同时也不能保证采集过程中所得数据一直有电弧燃烧，另外，在不同时刻进行试验时，选择稳定燃弧的距离可能不同，从而导致数据特征存在一定的差异性，会给检测方法的确定带来一定影响。另一种方法是采集电弧发生整个过程的数据，这种方法在后期电弧故障数据分析中需要对正常段、燃弧段、熄弧段做一个区分，而当前研究中对这三个过程如何区分没有给出明确的说明，而是一般选择燃弧后期波形变化相对较为明显的部分加以分析，这会使得分析结果带有一定的局限性，基于这种不完全的实验数据分析结果的检测方法可靠性有一定程度的降低，有可能会出现漏检现象。用弧光信号对电弧故障阶段进行标定，可以提高试验数据的准确性，以及检测方法的可靠性。
[0032](3)本发明立足于串联电弧故障产生时，在非线性负载的情况下，电弧故障电压信号也能表现出较强的奇异性，通过相邻周期波形相减，正常电压相邻周期波形差值很小，电弧电压相邻周期波形差值增大，对每个周期内波形差值求取平均值，即可检测出串联电弧故障。由于电弧故障电压与用电器两端电压叠加为电源电压，始终保持稳定，故可将用电器两端电压作为电弧故障检测的特征量，使得电弧故障的检测更加简便易行。
[0033](4)本发明方法是一种基于用电器电压波形的串联电弧故障检测方法，以用电器两端电压作为检测对象，采用差均值方法分析用电器两端电压波形，并对信号进行小波消噪处理，用处理后的差均值作为电弧的特征量，以此来判断有无电弧故障的产生，克服了采用提取电流信号突变特征的电弧故障检测方法可靠性不高，容易造成误判的缺陷。
【专利附图】
【附图说明】
[0034]下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0035]图1是本发明方法步骤流程的示意框图。
[0036]图2是本发明发方法小波消噪处理流程的示意框图。
[0037]图3是本发明方法专用装置构成的示意框图。
[0038]图4是本发明方法专用装置中的电弧发生模块结构示意框图。
[0039]图5(a)是电弧发生前后电弧光及被测用电器微波炉负载两端电压波形图。
[0040]图5(b)是电弧发生前后电弧光及被测用电器吸尘器负载两端电压波形图。
[0041]图6(a)是电弧发生前后被测用电器微波炉相邻电源周期电压经相减消噪处理后的电压波形图。
[0042]图6(b)是电弧发生前后被测用电器吸尘器相邻电源周期电压经相减消噪处理后的电压波形图。
[0043]图7 (a)是电弧发生前后被测用电器微波炉对相减消噪电压求取差均值后的波形图。
[0044]图7(b)是电弧发生前后被测用电器吸尘器对相减消噪电压求取差均值后的波形图。
[0045]图8(a)是电弧发生前后电弧光及被测用电器微波炉求取差均值后的波形图。
[0046]图8(b)是电弧发生前后电弧光及被测用电器吸尘器求取差均值后的波形图。
[0047]图中，11.电弧发生模块，12.弧光标定模块，13.交流调压电源，14.负载接口，15.电压传感器，16.行程控制模块，17.电流传感器，21.水平底座，22电机固定底座，23直线步进电机，24.绝缘滑动支座，25.钨铜合金锥状电极，26.圆柱石墨电极，27.绝缘固定支座，28.水平撑杆。
【具体实施方式】
[0048]图1所示实施例表明，本发明方法步骤的流程是:采集用电器两端电压瞬时值一得到相邻电源周期的电压波形差信号一进行小波消噪处理一获得相邻周期电压波形的差均值一判断有无电弧现象。
[0049]图2所示实施例表明，本发明方法小波消噪处理流程是:对U3进行小波变换，计算其默认阈值THR —将THR扩大u倍，得到小波去噪后阈值THRl (THR1 = THR*u)—求U3的400个点每个点的绝对值，判断是否大于THRl——是一保留U3相应点和THRl的差得到修改后的U3，记为U4 —对U2的400个点每个点求绝对值，然后求和，再除以400，得到平均值AVERAGE —得到小波消噪处理后的电压波形差值U5 = U4/AVERAGE+h (h为经验修正值)；——否一将U3相应点置O —得到修改后的U3，记为U4 —对U2的400个点每个点求绝对值，然后求和，再除以400，得到平均值AVERAGE —得到小波消噪处理后的电压波形差值U5 = U4/AVERAGE+h (h为经验修正值)。
[0050]图3所示实施例表明，本发明方法专用装置构成包括该图面中虚线框外的串联电弧故障模拟试验单元和该图面中虚线框内的串联电弧故障检测单元，其中，串联电弧故障模拟试验单元包括电弧发生模块11、行程控制模块16、弧光标定模块12、交流调压电源13和负载接口 14，串联电弧故障检测单元包括电压传感器15和电流传感器17 ;上述部件的连接方式是:交流调压电源13、电弧发生模块11、负载接口 14和电流传感器17依次串联组成回路，电压传感器15并联在负载接口 14两端，行程控制模块16与电弧发生模块11通过导线相连，弧光标定模块12置于电弧发生模块11旁边，用以测量电弧发生时产生的弧光，从而准确标定出电弧发生时刻。
[0051]图4所示实施例表明，本发明方法专用装置中的电弧发生模块11的构成包括水平底座21、电机固定底座22、直线步进电机23、绝缘滑动支座24、钨铜合金锥状电极25、圆柱石墨电极26、绝缘固定支座27和水平撑杆28 ;上述部件的安装方式是:水平底座21安放在一个水平台面上，电机固定底座22固定在水平底座21上，直线步进电机23固定在电机固定底座22上，直线步进电机23的行程输出端与绝缘滑动支座24连接并固定，钨铜合金锥状电极25固定在绝缘滑动支座24上，圆柱石墨电极26固定在绝缘固定支座27上，绝缘固定支座24与水平底座21相连并固定，水平撑杆28 —端与绝缘固定支座27相连，另一端与电机固定底座22连接，并穿过绝缘滑动支座24使其能在水平撑杆28上沿直线自由滑动。
[0052]图5(a)是电弧发生前后电弧光及被测用电器微波炉负载两端电压波形图，图5 (b)是电弧发生前后电弧光及被测用电器吸尘器负载两端电压波形图。从这两个附图中可见，在采集用电器两端电压瞬时值的同时采集相应的电弧光瞬时值可以很好地标示电弧故障发生段。
[0053]图6(a)是电弧发生前后被测用电器微波炉相邻电源周期电压经相减消噪处理后的电压波形图，图6(b)是电弧发生前后被测用电器吸尘器相邻电源周期电压经相减消噪处理后的电压波形图，这两个【专利附图】
【附图说明】，通过对被测用电器两端电压进行相减消噪，电弧发生前，相邻周期电压波形差值很小，电弧发生后相邻周期电压波形差值增大，出现峰值。
[0054]图7 (a)是电弧发生前后被测用电器微波炉负载下对相减消噪电压求取差均值后的波形图，图7(b)是电弧发生前后被测用电器吸尘器负载下对相减消噪电压求取差均值后的波形图。从这两个附图中可以看出，电弧段脉冲峰值较多且峰值较大，正常段脉冲峰值较少且脉冲峰值较小，求平均值后两者可以明显区分。
[0055]图8(a)是电弧发生前后电弧光及被测用电器微波炉求取差均值后的波形图，图8(b)是电弧发生前后电弧光及被测用电器吸尘器求取差均值后的波形图。从图8(a)中可以看出，在微波炉做负载时，电弧光瞬时值标示的电弧故障发生段为第2400个点到第8800个点，以及第11000个点到第14000个点，无弧段为第8800个点到第11000个点，反映到每个周期采集400个点的周期中，则为第6到第22个周期以及第28到第34个周期内存在电弧故障，第22到第28个周期内无电弧，而与差均值图中电弧故障分布周期以及无弧周期是相对应的。同样，从图8(b)中可以看出，在吸尘器做负载时，电弧光瞬时值标示的电弧故障发生段与差均值法检测的电弧发生段是吻合的。由此证明运用差均值方法检测电弧故障是可行的。
[0056]实施例1
[0057]本实施例的串联电弧故障检测方法的专用装置的构成如事实图3和图4所示实施例。其中交流调压电源13为TDGC2-2KVA，串联电弧故障检测单元中的电压传感器15为型号CHV-200VS的霍尔电压传感器，串联电弧故障检测单元中的电流传感器17为型号CHB-25NP的霍尔电流传感器。
[0058]将负载用电器连接到本实施例的串联电弧故障检测方法的专用装置的负载接口14，进行串联电弧故障检测，该装置的操作步骤是:接通主电路，通过行程控制模块16控制电弧发生模块11的电极的闭合与分离。若未出现电弧，重新操作。
[0059]本实施例中所涉及的元器件均通过商购获得。
[0060]实施例2
[0061]采用实施例1的串联电弧故障检测方法的专用装置进行基于用电器电压波形的串联电弧故障检测，具体步骤如下:
[0062]第一步，采集用电器两端电压瞬时值:
[0063]在一个电源周期内以20kHz的采样频率采集400个用电器两端电压瞬时值，并作为下一个电源周期的参考数据，在采集用电器两端电压瞬时值的同时，采集相应的电弧光瞬时值；
[0064]第二步，得到相邻电源周期的电压波形差信号:
[0065]以同样的采样频率采集相邻电源周期的同样个数的用电器两端电压瞬时值，再与上述第一步中所得的上一电源周期的用电器两端电压瞬时值数据对应点相减，得到相邻电源周期的电压波形差信号；
[0066]第三步，对相邻电源周期电压波形差进行小波消噪处理:
[0067](I)对第二步得到的相邻电源周期电压波形差信号进行小波变换，计算相邻电源周期电压差值U3的默认阈值THR，
[0068](2)将上述THR扩大u倍，得到小波去噪的阈值THR1，即THRl = u*THR，
[0069](3)求上述U3的400个点的每个点的绝对值，判断是否大于阈值THRl:是，保留U3相应点和THRl的差，否，则将U3相应的点置0，最后得到修改后的U3，记为U4，
[0070](4)对用于求取上述U3的后一电源周期电压采集值U2的400个点每个点求绝对值，然后求和，再除以400，得到AVERAGE，
[0071](5)计算U5 = U4/AVERAGE+h, h为根据经验获得的经验修正值，U5即为小波消噪处理后的相邻电压波形差值；
[0072]第四步，获得相邻周期电压波形的差均值:
[0073]对第三步得到的每个电源周期内的相邻电压波形差值信号的400个点分别求取绝对值后求和，再除以400，获得相邻周期电压波形的差均值；
[0074]第五步，判断有无电弧现象:
[0075]将上述第四步求得的相邻周期电压波形的差均值与电弧特征阈值比较，如果大于电弧特征阈值，判断为有电弧故障现象，此周期即为电弧故障周期；反之，则判断无电弧故障现象，此周期即为无电弧故障周期。
【权利要求】
1.串联电弧故障检测方法，其特征在于:是一种基于用电器电压波形的串联电弧故障检测方法，以用电器两端电压作为检测对象，采用差均值方法分析用电器两端电压波形，并对信号进行小波消噪处理，用处理后的差均值作为电弧的特征量，以此来判断有无电弧故障的产生，具体步骤如下: 第一步，采集用电器两端电压瞬时值: 在一个电源周期内以20kHz的采样频率采集400个用电器两端电压瞬时值，作为下一个电源周期的参考数据，在采集用电器两端电压瞬时值的同时采集相应的电弧光瞬时值； 第二步，得到相邻电源周期的电压波形差信号: 以同样的采样频率采集相邻电源周期的同样个数的用电器两端电压瞬时值再与上述第一步中所得的上一电源周期的用电器两端电压瞬时值数据对应点相减，得到相邻电源周期的电压波形差信号； 第三步，对相邻电源周期电压波形差值进行小波消噪处理: (1)对第二步得到的相邻电源周期电压波形差信号进行小波变换，计算相邻电源周期电压差值U3的默认阈值THR， (2)将上述THR扩大u倍，得到小波去噪的阈值THR1，即THRl= u*THR， (3)求上述U3的400个点的每个点的绝对值，判断是否大于阈值THRl:是，保留U3相应点和THRl的差，否，则将U3相应的点置0，最后得到修改后的U3，记为U4， (4)对用于求取上述U3的后一电源周期电压采集值U2的400个点每个点求绝对值，然后求和，再除以400，得到AVERAGE， (5)计算U5= U4/AVERAGE+h, h为根据经验获得的经验修正值，U5即为小波消噪处理后的相邻电压波形差值； 第四步，获得相邻周期电压波形的差均值: 对第三步得到的每个电源周期内的相邻电压波形差值信号的400个点分别求取绝对值后求和，再除以400，获得相邻周期电压波形的差均值； 第五步，判断有无电弧现象: 将上述第四步求得的相邻周期电压波形的差均值与电弧特征阈值比较，如果大于电弧特征阈值，判断为有电弧故障现象，此周期即为电弧故障周期；反之，则判断无电弧故障现象，此周期即为无电弧故障周期。
2.权利要求1所述串联电弧故障检测方法的专用装置，其特征在于:包括串联电弧故障模拟试验单元和串联电弧故障检测单元，其中，串联电弧故障模拟试验单元包括电弧发生模块、行程控制模块、弧光标定模块、交流调压电源和负载接口，串联电弧故障检测单元包括电压传感器和电流传感器；上述部件的连接方式是:交流调压电源、电弧发生模块、负载接口和电流传感器依次串联组成回路，电压传感器并联在负载接口两端，行程控制模块与电弧发生模块通过导线相连，弧光标定模块置于电弧发生模块旁边。
3.根据权利要求2所述串联电弧故障检测方法的专用装置，其特征在于:所述电弧发生模块包括水平底座、电机固定底座、直线步进电机、绝缘滑动支座、钨铜合金锥状电极、圆柱石墨电极、绝缘固定支座和水平撑杆；上述部件的安装方式是:将水平底座安放在一个水平台面上，电机固定底座固定在水平底座上，直线步进电机固定在电机固定底座上，直线步进电机的行程输出端与绝缘滑动支座连接并固定，钨铜合金锥状电极固定在绝缘滑动支座上，圆柱石墨电极固定在绝缘固定支座上，绝缘固定支座与水平底座相连并固定，水平撑杆一端与绝缘固定支座相连，另一端与电机固定底座连接，并穿过绝缘滑动支座使其能在水平撑杆上沿直线自由滑动。
4.根据权利要求2所述串联电弧故障检测方法的专用装置，其特征在于:所述行程控制模块包括控制按键、单片机、电机驱动器和计数显示器，所述计数显示器、单片机、电机驱动器和控制按键依次通过导线相连。
5.根据权利要求2所述串联电弧故障检测方法的专用装置，其特征在于:所述弧光标定模块由弧光传感器和底座组成，上述部件连接方式为:底座置于电弧发生模块旁边，弧光传感器固定于底座上。
6.根据权利要求2所述串联电弧故障检测方法的专用装置，其特征在于:所述电压传感器采用霍尔电压传感器，所述电流传感器采用霍尔电流传感器，所述霍尔电压传感器的二次侧输入端接于被测用电器两端，所述霍尔电流传感器与用电器串联连接。
【文档编号】G01R19/165GK104360205SQ201410710379
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年12月1日 优先权日:2014年12月1日
【发明者】张冠英, 孙莹, 季弘历, 张晓亮, 张涛, 李长伟, 曹旺林 申请人:河北工业大学
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