串联故障电弧检测方法及其专用装置制造方法

文档序号:7381822阅读:194来源:国知局
串联故障电弧检测方法及其专用装置制造方法
【专利摘要】本发明串联故障电弧检测方法及其专用装置,涉及电故障的探测装置,采用小波阈值去噪置零策略,并做归一化处理,用归一化处理后的信号在每个电源周期的幅值作为电弧的特征量,以此判断有无电弧现象出现,同时提供实施该方法的专用装置,包括串联故障电弧模拟试验单元和串联故障电弧检测及保护单元。本发明克服了现有技术由于计算量比较大,需要对大量数据进行训练,实时性差,不适合应用于在线检测和基于均方根随机性的均方根变化率判断故障电弧的发生可能存在漏检的诸多缺陷。
【专利说明】串联故障电弧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,具体地说是串联故障电弧检测方法及其专用装置。
【背景技术】
[0002]故障电弧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,故障电弧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]在家庭供配电线路中,开关操作频繁、设备线路状况复杂,容易发生触头松动、绝缘老化、击穿、接地故障等问题,增加了故障电弧发生的概率。同时,由于用电设备分散,利用电弧物理现象来检测电弧并不现实,适合利用线路电流的变化来检测电弧。
[0004]故障电弧分为串联故障电弧和并联故障电弧,串联故障电弧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。然而电器正常工作电流波形变化具有稳定的周期,而电弧电流波形变化没有稳定的周期,可以通过这一普遍特征检测电弧。
[0005]当前通过电流波形变化检测电弧的方法可以分为基于局部特征分析和基于整体识别两大类。局部特征分析方法多进行交流电弧的平肩和电流变化率的检测,针对性强但通用性差,多用于负载固定的专用AFCI设计中;基于整体识别的方法检测准确率高,多采用神经网络算法、模糊自适应法等相对比较复杂的算法,但是由于计算量比较大,需要对大量数据进行训练,实时性差,不适合应用于在线检测。
[0006]CN103116093A公开了串联故障电弧预警系统及其检测方法,是一种基于差值-均方根的检测方法,通过相邻周期对应点差值的均方根和均方根变化率判断电弧的发生。均方根基于电弧电流的稳定周期性的丧失,然而实际中,尤其是在A负载下噪音水平大于或相当于B负载下电弧特征信号时相邻周期对应点差值的均方根受噪音的影响很大;虽然,均方根变化率在一定程度上弥补了均方根判断的缺陷,但是均方根已经在一定程度上中和了电弧电流的随机性,因此由基于均方根随机性的均方根变化率判断故障电弧的发生可能存在漏检。

【发明内容】

[0007]本发明所要解决的技术问题是:提供串联故障电弧检测方法及其专用装置,采用小波阈值去噪置零策略,并做归一化处理,用归一化处理后的信号在每个电源周期的幅值作为电弧的特征量,以此判断有无电弧现象出现,同时提供实施该方法的专用装置,克服了现有技术由于计算量比较大,需要对大量数据进行训练,实时性差,不适合应用于在线检测和基于均方根随机性的均方根变化率判断故障电弧的发生可能存在漏检的诸多缺陷。[0008]本发明解决该技术问题所采用的技术方案是:串联故障电弧检测方法,步骤如下:
[0009]第一步,采集电流瞬时值
[0010]在一个电源周期内以20kHz的采样频率采集400个电流瞬时值,作为下一个电源周期的参考数据;
[0011 ] 第二步,得到相邻电源周期的电流波形差信号
[0012]以同样的采样频率采集相邻电源周期的同样个数的电流瞬时值,再与第一步中所得的上一电源周期的电流瞬时值数据对应点相减,得到相邻电源周期的电流波形差信号;
[0013]第三步,进行小波阈值去噪置零和归一化处理
[0014]对由第二步得到的相邻电源周期电流波形差信号进行如下的小波阈值去噪置零和归一化处理:
[0015](I)通过小波变换,计算相邻电源周期电流采集值差值13的默认阈值THR ;
[0016](2)对THR做u倍数的扩大,即THRl=u*THR,得到小波去噪的阈值THRl ;
[0017](3)求13的400个点的每个点的绝对值,判断是否大于阈值THRl:是,保留13相应点和THRl的差,否,将13相应的点置0,最后得到修改后的13,记为14 ;
[0018](4)计算用于求取13的后一电源周期电流采集值12的400个点的绝对值平均值AVERAGE,即先对12求绝对值,然后求和,然后除以400,得到AVERAGE ;
[0019](5)获得归一化处理的基底BASE=AVERAGE+h,h为根据经验获得的经验修正值;
[0020](6)对14进行归一化处理,得到15,即I5=I4/BASE,
[0021](7)将15赋给13,即13=15,完成归一化处理;
[0022]第四步,判断有无电弧现象
[0023]计算由第三步得到的归一化处理后的波形差信号在每个电源周期的幅值,与电弧特征阈值Y比较,若大于Y,则判断有电弧现象,此周期即为电弧周期;反之,判断无电弧现象,此周期即为无电弧周期,其中电弧特征阈值Y取0.3 ;
[0024]第五步,判定故障类型,微处理器向报警指示装置发出相应的报警指令以及向开关装置发送相应的电路动作指令
[0025]连续对Gl个电源周期进行检测,检测结果中出现电弧周期的次数为M,若M>G2,则判定出现了故障电弧,由微处理器向报警指示装置发出故障电弧报警指令,并向开关装置发送跳闸指令,切断电路;SG3〈M〈G2,则判定有疑似故障电弧,由微处理器向报警指示装置发出疑似故障电弧报警指令;SM〈G3,则判定为正常,由微处理器向报警指示装置发送正常指令,上述G1、G2、G3为预设值,Gl为故障电弧一个诊断周期内的电源周期数,G2为故障电弧判定标准阈值,G3为疑似故障电弧判定标准阈值,其中Gl取25,G2取8,G3取5。
[0026]串联故障电弧检测方法的专用装置,包括串联故障电弧模拟试验单元和串联故障电弧检测及保护单元,其中串联故障电弧模拟试验单元包括交流调压电源、电弧发生模块和负载接口 ;串联故障电弧检测及保护单元包括电流检测装置、开关装置、报警指示装置和微处理器;上述部件的连接方式是:调压交流电源、电弧发生模块、负载接口、电流检测装置和开关装置依次串联组成回路,电流检测装置、开关装置和报警指示装置分别与微处理器连接,电流检测装置将提取的电流值送入微处理器,微处理器向报警指示装置发出相应的报警指令,并向开关装置发出相应的电路动作指令。[0027]上述串联故障电弧检测方法的专用装置,所述电弧发生模块的构成包括水平底座、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:水平底座安放在一个水平台上,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。
[0028]上述串联故障电弧检测方法的专用装置,所述电流检测装置由霍尔电流传感器或取样电阻以及相应的电流信号调理电路组成。
[0029]上述串联故障电弧检测方法的专用装置,所述开关装置是由交流固态继电器以及相应的驱动电路组成。
[0030]上述串联故障电弧检测方法的专用装置,所述微处理器为自带A/D采集器的微处理器。
[0031] 上述串联故障电弧检测方法的专用装置,所述报警指示装置是灯光报警指示电路或声音报警指示电路。
[0032]上述串联故障电弧检测方法的专用装置,所述微处理器的工作流程是:
[0033]开始一初始化参考参数:包括采样频率fs,电源周期T0,预设值G1、G2和G3,电弧特征阈值Y,计数器Cl、C2,电弧现象标志ARC_FLAG,故障类型标志ARCING_FAULT_FLAG —启动A/D采集:以采样频率fs采集一个电源周期TO内400个电流瞬时值,记为II,存储在缓存器一以相同采样频率采集相邻下一电源周期TO的电流瞬时值,记为12 —计数器Cl
加I —调用电弧检测子程序一判断ARC_FLAG的值计数器C2加I —判断Cl是否达到Gl? ^判断Cl是否达到Gl ? i返回以相同采样频率采集相邻下一电源周期TO
的电流瞬时值,记为12 ;是》调用故障诊断子程序一判断ARCING_FAULT_FLAG的值一等于
1,向报警指示装置发送故障电弧报警指令,向开关装置发出跳闸指令;一等于2,向报警指示装置发送疑似故障电弧指令一计数器Cl和C2置零一返回以相同采样频率采集相邻下一电源周期TO的电流瞬时值;一等于3,向报警指示装置发送正常指令一计数器Cl和C2置零一返回以相同采样频率采集相邻下一电源周期TO的电流瞬时值。
[0034]上述调用故障诊断子程序来判断故障类型,即判断ARCING_FAULT_FLAG的值等于I时,是故障电弧;判断ARCING_FAULT_FLAG的值等于2时,是疑似故障电弧;判断ARCING_FAULT_FLAG的值等于3时,是正常。
[0035]上述串联故障电弧检测方法的专用装置,所述微处理器中存储的工作流程中的电弧检测子程序的流程如下:
[0036]入口一将12减去Il的对应点,记为13—将12转存到II,即11=12—对13进行小波阈值去噪置零,记为14 — 14进行归一化处理,得到Sc —计算Sc的幅值,记为Scjnax —判断Scjnax是否大于Y ? ^ >有电弧现象,向微处理器主流程返回ARC_FLAG=1 —出口;
无电弧现象,向微处理器主流程返回ARC_FLAG=0 —出口。[0037]上述串联故障电弧检测方法的专用装置,所述微处理器中存储的工作流程中的调用故障诊断子程序的流程如下:
[0038]A 口一判断C2是否达到G2 ^ ?有故障电弧,返回ARCING_FAULT_FLAG=1 —故障电弧诊断子程序出口 ; __^钊断C2是否达到G3_^有疑似故障电弧,返回ARCING_FAULT_FLAG=2 —故障电弧诊断子程序出口;五+正常,返回ARCING_FAULT_FLAG=3 —故障电弧诊断子程序出口。
[0039]上述串联故障电弧检测方法的专用装置,所述微处理器的工作流程及其子程序的流程中所涉及的字符的含义分别是:电源周期T0,采样频率fs,一个电源周期电流采集值II,Il相邻下一电源周期电流采集值12,相邻电源周期电流采集值差值13,采样周期计数器Cl,电弧周期计数器C2,电弧特征信号Scjnax,电弧特征阈值Y,一个诊断周期内电源周期数G1,故障电弧判定标准阈值G2,疑似故障电弧判定标准阈值G3,电弧现象标志ARC_FLAG,故障类型标志 ARCING_FAULT_FLAG。
[0040]上述串联故障电弧检测方法的专用装置,所涉及的元器件和零部件均是由公知途径获得的。
[0041]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在于:本发明的理论依据是,立足于正常工作电流具有稳定的周期,电弧的电流在周期性的基础上叠加了随机性,表现为稳定周期性的丧失。基于如此的电弧的随机不稳定性,加之发生电弧后虽没有稳定的周期,仍然可以按照原来的周期进行分析计算的原理,通过相邻周期波形相减,正常电流相邻周期波形差值很小,电弧电流相邻周期波形差值增大,出现峰值,正常电流相邻周期波形差信号与电弧电流相邻周期波形差信号在幅值上就能够区分,从而检测出串联故障电弧。本发明又根据电弧电流的变化特征建立了如下的电弧电流变化的随机模型:
[0042]电器正常工作下,线路电流都是具有稳定周期T的;而发生电弧后,线路电流波形较正常情况发生变化,在周期性的基础上叠加了很强的随机性
[0043]以上事实可以用以下公式表示:
[0044]
【权利要求】
1.串联故障电弧检测方法,其特征是步骤如下: 第一步,采集电流瞬时值 在一个电源周期内以20kHz的采样频率采集400个电流瞬时值,作为下一个电源周期的参考数据; 第二步,得到相邻电源周期的电流波形差信号 以同样的采样频率采集相邻电源周期的同样个数的电流瞬时值,再与第一步中所得的上一电源周期的电流瞬时值数据对应点相减,得到相邻电源周期的电流波形差信号; 第三步,进行小波阈值去噪置零和归一化处理 对由第二步得到的相邻电源周期电流波形差信号进行如下的小波阈值去噪置零和归一化处理: (1)通过小波变换,计算相邻电源周期电流采集值差值13的默认阈值THR; (2)对THR做u倍数的扩大,即THRl=u*THR,得到小波去噪的阈值THRl; (3)求13的400个点的每个点的绝对值,判断是否大于阈值THRl:是,保留13相应点和THRl的差,否,将13相应的点置0,最后得到修改后的13,记为14 ; (4)计算用于求取13的后一电源周期电流采集值12的400个点的绝对值平均值AVERAGE,即先对12求绝对值,然后求和,然后除以400,得到AVERAGE ; (5)获得归一化处理的基底BASE=AVERAGE+h,h为根据经验获得的经验修正值; (6)对14进行归一化处理,得到15,即I5=I4/BASE, (7)将15赋给13,即13=15,完成归一化处理; 第四步,判断有无电弧现象 计算由第三步得到的归一化处理后的波形差信号在每个电源周期的幅值,与电弧特征阈值Y比较,若大于Y,则判断有电弧现象,此周期即为电弧周期;反之,判断无电弧现象,此周期即为无电弧周期,其中电弧特征阈值Y取0.3 ; 第五步,判定故障类型,微处理器向报警指示装置发出相应的报警指令以及向开关装置发送相应的电路动作指令 连续对Gl个电源周期进行检测,检测结果中出现电弧周期的次数为M,若M>G2,则判定出现了故障电弧,由微处理器向报警指示装置发出故障电弧报警指令,并向开关装置发送跳闸指令,切断电路;SG3〈M〈G2,则判定有疑似故障电弧,由微处理器向报警指示装置发出疑似故障电弧报警指令;SM〈G3,则判定为正常,由微处理器向报警指示装置发送正常指令,上述G1、G2、G3为预设值,Gl为故障电弧一个诊断周期内的电源周期数,G2为故障电弧判定标准阈值,G3为疑似故障电弧判定标准阈值,其中Gl取25,G2取8,G3取5。
2.串联故障电弧检测方法的专用装置,其特征是:包括串联故障电弧模拟试验单元和串联故障电弧检测及保护单元,其中串联故障电弧模拟试验单元包括交流调压电源、电弧发生模块和负载接口 ;串联故障电弧检测及保护单元包括电流检测装置、开关装置、报警指示装置和微处理器;上述部件的连接方式是:调压交流电源、电弧发生模块、负载接口、电流检测装置和开关装置依次串联组成回路,电流检测装置、开关装置和报警指示装置分别与微处理器连接,电流检测装置将提取的电流值送入微处理器,微处理器向报警指示装置发出相应的报警指令,并向开关装置发出相应的电路动作指令。
3.根据权利要求2所述串联故障电弧检测方法的专用装置,其特征是:所述电弧发生模块的构成包括水平底座、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:水平底座安放在一个水平台上,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所述串联故障电弧检测方法的专用装置,其特征是:所述电流检测装置由霍尔电流传感器或取样电阻以及相应的电流信号调理电路组成;所述开关装置是由交流固态继电器以及相应的驱动电路组成;所述微处理器为自带A/D采集器的微处理器;所述报警指示装置是灯光报警指示电路或声音报警指示电路。
5.根据权利要求2所述串联故障电弧检测方法的专用装置,其特征是:所述微处理器的工作流程是: 开始一初始化参考参数:包括采样频率fs,电源周期T0,预设值G1、G2和G3,电弧特征阈值Y,计数器Cl、C2,电弧现象标志ARC_FLAG,故障类型标志ARCING_FAULT_FLAG —启动A/D采集:以采样频率fs采集一个电源周期TO内400个电流瞬时值,记为II,存储在缓存器一以相同采样频率采集相邻下一电源周期TO的电流瞬时值,记为12 —计数器Cl加I —调用电弧检测子程序一判断ARC_FLAG的值H计数器C2加I —判断Cl是否达到Gl ?;M判断Cl是否达到Gl ? 返回以相同采样频率采集相邻下一电源周期TO的电流瞬时值,记为12 调用故障诊断子程序一判断ARCING_FAULT_FLAG的值一等于1,向报警指示装置发送故障电弧报警指令,向开关装置发出跳闸指令;一等于2,向报警指示装置发送疑似故障电弧指令一计数器Cl和C2置零一返回以相同采样频率采集相邻下一电源周期TO的电流瞬时值;一等于3,向报警指示装置发送正常指令一计数器Cl和C2置零一返回以相同采样频率采集相邻下一电源周期TO的电流瞬时值。
6.根据权利要求2所述串联故障电弧检测方法的专用装置,其特征是:所述微处理器中存储的工作流程中的电弧检测子程序的流程如下: 入口一将12减去Il的对应点,记为13 —将12转存到II,即11=12 —对13进行小波阈值去噪置零,记为14 — 14进行归一化处理,得到Sc —计算Sc的幅值,记为Scjnax —判断Scjnax是否大于Y ?—>有电弧现象,向微处理器主流程返回ARC_FLAG=1 —出口 ; 无电弧现象,向微处理器主流程返回ARC_FLAG=0 —出口。
7.根据权利要求2所述串联故障电弧检测方法的专用装置,其特征是:所述微处理器中存储的工作流程中的调用故障诊断子程序的流程如下: 入口一判断C2是否达到G2是t有故障电弧,返回ARCING_FAULT_FLAG=1 —故障电弧诊断子程序出口 ; i判断C2是否达到G3_A^有疑似故障电弧,返回ARCING_FAULT_FLAG=2 —故障电弧诊断子程序出口正常,返回ARCING_FAULT_FLAG=3 —故障电弧诊断子程序出口。
【文档编号】H02H3/50GK103915818SQ201410148130
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2014年4月14日 优先权日:2014年4月14日
【发明者】张冠英, 张晓亮, 刘华, 张涛, 季弘历, 孙莹 申请人:河北工业大学
网友询问留言 已有0条留言
  • 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞!
1