一种基于电流零休特征的配电线路串联电弧故障检测方法与流程

本发明涉及一种针对低压配电线路中的串联电弧故障的检测方法，特别是涉及一种以线路电流的零休特征为判定依据的串联电弧故障检测方法。

背景技术：

楼宇电气线路和设备如果长时间过负荷运行，或者存在着不良电气连接情况，电线的绝缘层会加速老化，绝缘效果会下降，甚至绝缘层出现破损，这些情况都可能引发电弧故障。电弧的燃炽是气体电离过程，它可以等效为一种随时间变化的非线性欧姆元件。电弧发生时产生的压力、辐射、弧根效应会严重损害电气设备，造成人身伤害，甚至引起电气火灾。

在配电线路中，电弧故障的模式按其产生的位置可分为并联电弧故障和串联电弧故障。并联电弧故障是一种短路电弧故障，其产生原因有两个方面，一方面是由于外力因素使两条导线或导线与地之间的绝缘破损开裂而造成的，即点接触式并联电弧故障；另一方面是由于电线长期捆扎导致两导线或导线与地之间的绝缘发生碳化而造成的，即碳化路径式并联电弧故障。并联电弧故障的电流波形受负载影响切且明显大于负载电流，产生的能量很大，容易在故障点快速形成导电通道，使金属导体熔断并引燃可燃物。但由于并联电弧故障电流明显大于负载电流，所以传统的过流保护装置可以对其进行有效的保护；串联电弧故障的产生原因也主要有两个方面，一方面是由于振动等原因引起电极之间接触不良、连接松弛或接触处断裂，进而形成了间歇性的电弧，即点接触式串联电弧故障。间歇性的电弧燃烧使导体的热量集聚并导致导体过热，最终引燃导体外层绝缘材料，引发火灾；另一方面是由于线路腐蚀氧化、电缆绝缘碳化、连接端子锈蚀等问题造成的，即碳化路径式串联电弧故障。当线路中存在腐蚀碳化问题时，连接损坏处两端的初始电压仅有几百毫伏，随着导体逐渐缓慢的被氧化和腐蚀，连接处电压逐步升高，当发展到几伏时便产生稳定的电弧，进而引燃导体外层绝缘材料，导致火灾发生。串联电弧受到阻抗负载限制，电弧电流一般略低于正常负载电流，所以传统的以过流或漏电为检测对象的保护电器无法对其进行有效的检测。

由于配电线路中发生串联电弧故障时，线路中的电流波形会发生畸变，而设备正常工作时产生的好弧也会不同程度引起电流波形发生畸变，因此，针对串联电弧故障的检测方法重在如何提取并分析电流中所包含的波形特征，如果该特征符合串联电弧故障特征，即可判定线路中出现了串联电弧故障。在我国低压供配电安全保护领域，针对线路中串联电弧故障检测技术的研究和装置的开发尚不成熟，电弧故障检测与保护装置的市场化生产还处于起步阶段。国外对于串联电弧故障的危害认识比较早，对串联电弧故障检测方法及理论的研究最早始于上世纪二十年代。国外学者利用电弧燃炽过程产生的光、声、热以及电磁辐射等物理过程，提出了串联电弧故障检测方法，如德国Moeller公司的低压开关柜电弧故障保护系统、ABB公司的ARC Guard System电弧故障保护系统、芬兰Vaasa公司的VAMP系统等，由于检测这些电弧特征的传感器都必须固定在电弧发生的准确位置，而供配电线路中的串联电弧故障，其发生的位置是不确定的，这就给供配电线路中的串联电弧故障检测带来了不便。

技术实现要素：

介于国内外已经公开的配电线路串联电弧故障检测方法及检测装置存在的诸多弊端与不足，本发明的主要内容是涉及一种基于电流波形时域特征的配电线路串联电弧故障检测方法。本发明所涉及的配电线路串联电弧故障检测方法实现起来比较简便，不需要采集太多的配电线路参数，实现过程只需要提取配电线路的电流，并对电流的时域特征进行分析，以线路电流的时域特征量作为判定线路中是否出现串联电弧故障的检测依据。

为了实现上述的发明内容，本发明采用的技术方案为：对配电线路的电流进行采集，对采集到的电流进行时域分析，计算电流的时域特征量，以被保护线路的电流时域特征量来判断该线路是否出现串联电弧故障。其特点包含以下步骤：

（1）利用闭环霍尔电流传感器采集被保护线路中的电流，电流传感器输出的电流信号需要经过金属箔精密采样电阻转换成电压信号，得到的电压信号输入到电压跟随器当中，电压跟随器具有高输入阻抗和低输出阻抗，这就使得它在电路中可以起到阻抗匹配的作用，输出电压不受后级电路阻抗影响，能够将后面的电压处理电路与前级的电流采样电路有效的隔离开来，彼此不产生影响；

所述的闭环霍尔电流传感器选用HCS-SYA-10A型号，额定输入电流为10A，额定输出电流为20mA；

所述的金属箔精密采样电阻阻值为250欧姆，当闭环霍尔电流传感器输出额定电流20mA时，采样电阻输出电压为5V；

所述的电压跟随器电路由型号为LM358的运算放大器实现；

（2）将经过电压跟随器输出的稳定的电压采样信号分成两路，一路送给到单片机的检测端口RA0，另一路送给电压过零比较电路，电压过零比较电路的输出信号再送给到单片机的检测端口RA1。电压过零比较电路用于检测电压采样信号的过零时刻，当检测到输入电压采样信号出现过零时刻，该电路输出高电平信号，高电平信号直接送入单片机芯片的RA1端口；

所述的单片机采用PIC18F4520型号，单片机RA0端口用于检测采集到的电压信号，并对该信号进行特征值计算。单片机RA1端口用于接收电压采样信号的过零指令，该指令为电压过零比较电路发出的高电平信号；

所述的电压过零比较电路包括电压跟随器和电压比较器两部分，电压跟随器由型号为LM358的运算放大器实现，用于稳定输入的电压信号；电压比较器由型号为LM393的运算放大器实现，用于检测输入电压的过零点，当检测到电压过零时刻，电路输出+5V高电平信号；

（3）单片机将RA0端口输入的电压模拟信号转换为数字信号，再对该信号进行放大，使其峰值达到Um。当单片机RA1端口接收到电压过零比较电路输出的+5V高电平触发时，单片机内部时钟开始计时，计时时间长度为t，在计时时间段内，计算RA0端口输入的电压信号平均值，当计算出的电压信号平均值低于门限电压U0时，单片机驱动RC0端口与RC1端口输出低电平；

所述的RA0端口输入电压放大之后达到的峰值为单片机端口的最大电压值，即Um=5V；

所述的计时时间长度为正弦波周期长度的十分之一，即t=0.002s；

所述的门限电压幅值为电压峰值的五分之一，即U0=1V；

所述的单片机RC0端口与RC1端口输出的高电平为+5V；

（4）单片机RC0端口连接蜂鸣器，单片机RC1端口连接LED灯。当RC0与RC1端口输出+5V电压时，驱动蜂鸣器和LED灯工作，起到报警作用。

附图说明

附图1为检测系统结构框图，系统包括十个功能模块，其中四个功能模块由单片机内部功能来实现；附图2为检测系统计算程序流程图，计算程序中包含了三个判断环节，分别是单片机RA1端口高电平的判断、计时时间大于100微秒的判断、采样电压平均值小于门限电压值的判断。

实施过程

参考附图对本发明进行进一步的详细说明，如图1所示，本发明的硬件部分主要是利用霍尔电流传感器和精密取样电阻对被保护线路的电流进行采样，并将采集的电流信号转为电压信号，所选用的霍尔电流传感器型号为HCS-SYA-10A，所以本发明适用于额定电流为10A的线路中，当线路电流为10A时，霍尔电流传感器输出电流为20mA。本发明中所选用的精密取样电阻阻值为250欧姆，即当线路电流为额定电流10A时，精密取样电阻输出电压信号为5V。由于线路中电流为工频交流，所以精密取样电阻输出的电压信号也是工频交流，因此本发明的硬件部分还有绝对值运算电路，绝对值电路对精密取样电阻输出的电压信号进行取绝对值计算，取绝对值后的电压信号输入单片机RA0端口。本发明的硬件部分还有电压过零检测电路，精密取样电阻输出的电压信号还要输入到电压过零检测电路中，当电压过零检测电路检测到精密取样电阻输出的电压信号过零时，该电路向单片机的RA1端口发出高电平。

本发明的运算芯片选用PIC18F4520型号的单片机，系统的程序流程图如图2所示。单片机的RA0端口接收经绝对值运算后的采样电压信号，单片机的RA1端口接收电压过零检测电路输入的高电平触发脉冲。单片机运行后先进行初始化，完成初始化后设一个变量i并赋值为0，之后单片机执行中断，在中断过程中单片机一直在监测端口RA1的状态，当RA1端口输入为高电平时，单片机启动计时器开始计时，同时单片机的RA0端口开始对输入的数据进行采样。RA0端口接收到采样电压后，单片机首先要识别采样电压峰值，并设电压峰值为Umax，之后单片机要将采集到的电压信号的幅值乘以5/Umax，即将采样电压信号扩大5/Umax倍，那么经过放大之后的采样电压信号的峰值统一为5V。接着单片机需要对采样电压信号进行A/D转换，将RA0端口输入的0-5V的模拟电压信号转换为数字信号，并且将转换获得的数字信号存入数组data[i]当中。当单片机完成一次RA0端口输入采样电压的运算与存储之后，系统需要对计时器进行判断，如果计时时间小于100微秒，那么系统会再次执行对RA0端口的数据采样与运算，并将运算后的数据继续存入数组data[i]当中，该循环一直持续到计时时间达到100微秒，当系统判断计时时间达到100微秒，单片机系统对存入数组data[i]中的数据进行平均值计算并将结果赋予变量UAV，单片机将变量UAV的幅值与预设门限电压U0进行比较计算，如果UAV大于U0则单片机的运行程序跳转至第二步，对系统进行初始化，重新开始下一轮的采样计算；如果UAV小于U0则单片机驱动端口RC0和RC1输出高电平，此轮程序运行结束。单片机的RC0端口驱动蜂鸣器工作，RC1端口驱动LED灯工作，当这两个端口输出+5V高电平时，蜂鸣器和LED灯开始工作，并起到报警作用。