一种故障电弧检测装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种故障电弧检测装置及方法。
【背景技术】
[0002] 随着社会经济的飞速发展W及电气化程度不断提高，用电量也在不断的增加。电 气火灾事件的发生越来越频繁，给人身及财产造成巨大的损失。电弧故障是近些年被意识 到的一种导致电气火灾的原因，在发生故障电弧时，故障点具有很高的溫度，能够迅速引燃 周围的可燃物。
[0003] 故障电弧可分为两大类，一是串联电弧，二是并联电弧。串联电弧发生时，具有较 小的电流，一般低于额定工作电流。并联电弧发生时，由于受线路阻抗和电弧阻抗的影响， 其电流大小小于短路电流。因此，传统的保护装置不能有效预防故障电弧引起的电气火灾。 因此，开发一种预防电弧故障引发火灾的装置和方法尤为重要。
[0004] 现有技术中，一种方法是通过对电流波形信号进行采集，利用小波变换分解信号 的离散小波系数，计算小波系数的和，并与阔值进行比较，如果大于阔值，则判定为并联电 弧。但是，配电系统电源W及负载正常工作时本身具有较大谐波含量，在进行故障识别时， 阔值难于选取，并且，计算过程较为复杂，成本高。
[0005] 另一种方法是利用电流波形的特征进行识别，如电流的过零点长度，电流周波有 效值变化等。但是，由于负载的多样性，不同负载的电流波形差异较大，并且某些特征与正 常工作负载类似，因此，在灵敏度和误动作上具有一定的局限性。
【发明内容】
[0006] 为克服上述缺陷，本发明提出了一种故障电弧检测装置及方法。
[0007] 该种故障电弧检测装置，包括二总线电路、罗氏线圈、采样电阻、信号处理电路、微 处理器、测试电路，声光报警电路和按键;其中二总线电路为所述装置提供供电电源，罗氏 线圈检测被保护线路的电流信号，并通过采样电阻将电流信号转换为电压信号，信号处理 电路将所述电压信号分离出高频信号和工频信号，最后输出高频信号的包络线和工频电流 波形至微处理器，通过微处理器处理进行故障电弧识别，当微处理器判断为故障电弧时，声 光报警电路将产生声光报警，并将报警状态通过二总线电路上传，并且按键和微处理器连 接，测试电路连接在罗氏线圈和微处理器之间。
[000引一种故障电弧检测方法，主要包括如下步骤：
[0009] 第一步，W正弦波的一个半波为单位，采集被保护线路的电流信号，并对所述电流 信号进行处理，分离得到高频信号的包络线和工频电流波形；
[0010] 第二步，将固定时间移动窗移动一位用于保存采集的电流信号的判断结果；
[0011] 第Ξ步，计算所述半波内工频电流波形数据的有效值，并保存至固定时间移动窗 中当前所指位置，判断所述半波内高频信号的包络线的最大值Max化lue和所述半波所有高 频信号的包络线采样点数值的累加值AddValue是否都大于相应的阔值，如果都大于相应的 阔值，进一步判断高频信号的包络线是否为递增-递减-递增-递减的变化，若符合该特征， 则判断在所述半波中存在电弧，在固定时间移动窗中写入1，反之，写入0;
[0012] 第四步，统计固定时间移动窗内电弧的总数，如果统计固定时间移动窗内的电弧 总数超过所设定的阔值，初步判断为故障，进一步的确认工频电流值发生变化时是否为与 检测到的故障电弧发生的时刻一致，若一致，则判断为故障电弧。
【附图说明】
[0013] 下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。
[0014] 图1为本发明实施例故障电弧检测装置硬件电路系统示意图。
[0015] 图2为正常工作时的波形分离得到的工频电流波形。
[0016] 图3为正常工作时的波形分离得到的高频信号波形。
[0017] 图4为发生电弧时的波形信号分离得到的工频电流波形。
[0018] 图5为发生电弧时的波形信号分离得到的高频信号波形。
[0019] 图6为用于根据本发明实施例的电弧故障检测方法的固定时间移动窗。
[0020] 图7为本发明实施例电弧故障检测主程序示意图。
[0021 ]图8为本发明实施例电弧故障检测微处理器电弧判断程序示意图。
【具体实施方式】
[0022] 为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图详细描述本发明提供的实施 例。
[0023] -种低压电弧故障检测装置，包括二总线电路、罗氏线圈、采样电阻、信号处理电 路、测试电路、微处理器、声光报警电路和按键。所述二总线电路可W是P0WERBUS二总线电 路。
[0024] P0WERBUS二总线电路包括了通讯电路W及DC-DC电路。其中，通讯电路用于提取 P0WERBUS二总线中的通讯信号，转换为RS232接口信号并与微处理器的串行口相接，实现主 机与检测装置的通讯。P0WERBUS二总线的总线电压为36V，通过DC-DC电路转换成3.3V为微 处理器及运放等集成电路供电。
[0025] 罗氏线圈检测被保护线路的电流信号，并通过采样电阻将电流信号转换为电压信 号。通过信号处理电路对其进行分离，输出高频信号的包络线和工频(50Hz)电流波形。其中 信号处理电路包括高通滤波电路、高频运算放大电路、检波电路、低通滤波电路、和差分运 算放大电路。
[0026] 信号处理电路输出的高频信号的包络线和工频电流波形，通过微处理器处理进行 故障电弧识别。进一步，为了避免发生不必要的误判，当判断为故障电弧时，确认工频电流 发生变化的时间是否与高频信号发生的时间一致。若一致，则声光报警电路将产生声光报 警，并将报警状态通过P0WERBUS二总线电路上传。
[0027] 故障电弧检测装置含有复位、消音和测试按键，其中复位按键用于在报警后消除 报警状态。消音按键用于故障电弧发生时，关闭声音报警，保存光报警。测试按键，用于发出 模拟电弧故障信号，该信号通过测试电路禪合到罗氏线圈，罗氏线圈输出的信号经过所述 的信号处理电路，最终输入至微处理器采集端口，微处理器采集到模拟电弧故障信号，能够 进行故障报警，则表明该检测装置正常。该功能用于在安装时或者定期测试故障电弧检测 装置是否正常运行。
[0028] W下W阻性负载举例说明，正常工作和发生故障电弧时的电流波形和对应的高频 信号。图2为阻性负载正常工作时，罗氏线圈输出信号经过低通滤波电路得到的工频信号。 图3为阻性负载正常工作时，罗氏线圈输出信号经过高通滤波电路后得到的高频信号。从图 2和图3可W看出，阻性负载在正常工作时，电流波形信号为正弦波波形，没有明显的高频信 号。图4为阻性负载发生电弧时，罗氏线圈输出信号经过低通滤波电路得到的工频信号。图5 为阻性负载发生电弧时，罗氏线圈输出信号经过高通滤波电路后得到的高频信号。从图4和 图5可W看出，在发生电弧时，有明显的高频信号，并且高频信号的轮廓为马鞍型。同时，高 频信号的分布与电流的周期性一致。高频在电流过零点附近最大，随着电流逐渐上升高频 幅值减小。当电流幅值下降时，高频信号幅值逐渐上升，至电流过零点达到最大值。因此，高 频信号作为判别故障电弧的一个主要依据，将高频信号的马鞍形分布的高频信号作为故障 电弧识别的主要特征。
[0029] 参照图6-8所示，提供一种故障电弧检测方法。所述的电弧故障检测算法程序包括 主程序、电弧故障检测程序两部分，其程序运行流程如下：
[0030] 所述的固定时间移动窗如图6所示。该固定时