一种交流故障电弧检测方法及其装置与流程

本发明涉及电路保护技术领域，特别涉及一种交流故障电弧检测方法及其装置。

背景技术：

现有的交流故障检测方法存在如下缺点及不足：

(1)、漏判断：在多个负载串并联的综合负载回路中，若额定功率较小的支路发生故障电弧，其故障电弧信号往往很小以至于淹没在正常信号中，导致不能检测到故障信号，造成检测装置的漏判断。

(2)、误判断：当前研究故障电弧的主流方法为检测线路中电流的“零休现象”，当发生电弧故障时，电流波形发生畸变，电流有明显的“零休现象”，采用时域小波变换和fft频谱分析可以提取故障信号，可以对电弧进行辨识，但存在非线性负载检测辨识能力不足问题，当非线性类型负载被施加正弦交流电压时,对于非线性负载正常工作也会出现类似的“零休现象”，以及感性负载启动瞬间引起的大脉冲，都会使检测装置造成一定的误判断。

(3)、检测方法单一：申请号：201610016192.4公开了“一种基于差值计算方式的故障电弧检测方法及其保护装置”专利，通过对正常状态电信号差值与故障状态电信号差值进行比较，若超出设定阈值，则判定故障电弧存在，这样的单一的阈值检测往往容易出现漏判或者误判。

(4)、检测方法复杂、对硬件电路要求较高：申请号：201310376133.4公开了“基于小波变换和时域混合特征的交流故障电弧检测方法”专利，通过对电流信号进行时域和小波变换特征值计算，将两者的特征值作为收敛的bp神经网络的输入，而其输出值作为故障电弧的判据。该方法适用范围广、控制精度高，但也较为复杂且对硬件电路要求较高。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种交流故障电弧检测方法及其装置，本发明解决了交流故障电弧的误判、漏判断问题，且该方法对硬件电路要求低，有效的降低了成本。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种交流故障电弧检测方法，通过将火线、零线一并穿进电流互感器采集电磁耦合信号，当支路线路发生故障电弧时，检测出线路中的电磁耦合信号，并采用四阶累积量计算得到峭度值，以表征信号陡峭程度，从而区分出正常信号与电弧故障信号。

在本发明一实施例中，该方法具体实现如下，

s1、按预定采样频率通过电流互感器对火线零线线路中的电磁耦合信号实时采集，得到实时信号序列x(t)；

s2、设置每隔预定时间对x(t)进行高阶累积量统计，计算其四阶累积量峭度值；计算方式如下：

设x(t)为平稳随机信号，且x1＝x(t),x2＝x(t+τ1),…xk＝x(t+τk-1)，τi为延时量；

随机信号x(t)的k阶矩mk定义为：mk(τ1…τk-1)＝e[x(t)x(t+τ1)…x(t+τk-1)]

随机信号x(t)的高阶累积量可以用高阶矩来表示，对于零均值信号，随机信号x(t)的四阶累积量为

c4(τ1,τ2,τ3)＝m4(τ1,τ2,τ3)-m2(τ1)·m2(τ3-τ2)-m2(τ2)·m2(τ3-τ1)-m2(τ3)·m2(τ2-τ1)

当τ1＝τ2＝τ3＝0时，由上式可得：

c4(0,0,0)＝m4(0,0,0)-3m2²(0)＝e[x⁴(t)]-3{e[x²(t)]}²，即为信号的峭度，零均值随机信号x(t)的峭度定义为：

其中

其中，σx为标准差，n为信号长度；

s3、判断电弧故障：

由步骤s2可知，峭度值k是信号的四阶累积量；任何高斯过程的高阶累积量均为零，所以对于任何高斯过程的峭度值均为3，理论正常情况下峭度值应该在3左右，实际工作时可能由于信号的扰动或外界干扰，计算得到的峭度值不可能完全理想，故而设置峭度值k取阈值4；具体判断电弧故障方式如下：

当峭度值k>4，电弧故障区间数count+1；当峭度值k<＝4，电弧故障区间数count清零，返回步骤s1继续采集电磁耦合信号；

当count>＝2时，即为连续两次检测到峭度异常，即判断为电弧故障，检测装置断开电路；当count<2时，返回步骤s1继续采集电磁耦合信号。

在本发明一实施例中，所述步骤s2中预定时间为250ms。

在本发明一实施例中，该方法中采用matlab高阶统计计量工具箱，计算电磁耦合信号的峭度值四阶累积量。

在本发明一实施例中，该方法还可通过高阶谱的方法对电磁耦合信号进行分析，从而区分出正常信号与电弧故障信号。

本发明还提供了一种基于上述所述方法的交流故障电弧检测装置，包括mcu及与该mcu连接的电流互感器、驱动电路，所述驱动电路与脱扣机构连接，所述电流互感器穿设于火线、零线上，以采集线路中的电磁耦合信号，所述mcu对电流互感器实时采集的电磁耦合信号，进行四阶累积量峭度值计算，当连续两次检测到峭度值异常立即通过驱动电路驱动脱扣电路执行脱扣动作来保护电路。

在本发明一实施例中，所述脱扣机构与设置于线路中的断路器相连。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明将火线零线一并穿进电流互感器采集电磁耦合信号，当支路线路发生故障电弧时，可以有效检测出线路中的电磁耦合信号，通过四阶累积量计算得到的峭度值可以表征信号陡峭程度，较明显的区分出正常信号与电弧故障信号，从而解决误判、漏判断问题；

(2)在发生电弧故障时，线路中的高频电流产生电磁场耦合到电流互感器，通过对电流互感器的信号采用算法进行识别，该检测方法可以解决非线性负载辨识能力不足的问题，避免传统采集正弦工频电流时对非线性负载类似“零休现象”故障电流信号的处理，解决误判断问题；

(3)本发明通过调用matlab高阶统计量工具箱，计算其四阶累积量峭度值，算法较为简单易于实现在线监测，适用于各类负载及各种组合情况，避免了判断负载性质的复杂过程，并且降低了对硬件电路的要求。

附图说明

图1为电流元沿x轴所产生的磁场，在发生电弧故障时，线路中对外辐射电磁场示意图。

图2零序ct设置方式示意图。

图3为本发明一具体实例流程图。

图4为本发明装置的电路结构原理图，

图5是典型阻性负载200w白炽灯利用本发明方法采集到的波形图。

图6是典型阻感性负载250w冰箱利用本发明方法采集到的波形图。

图7是典型非线性负载1200w吸尘器利用本发明方法采集到的波形图。

图8为白炽灯正常工作电流互感器采集的波形图及其幅值分布直方图。

图9为白炽灯发生电弧故障零序电流波形图及其幅值分布直方图。

图10为冰箱正常工作电流互感器采集的波形图及其幅值分布直方图。

图11为冰箱发生电弧故障零序电流波形图及其幅值分布直方图。

图12为吸尘器正常工作电流互感器采集的波形图及其幅值分布直方图。

图13为吸尘器发生电弧故障零序电流波形图及其幅值分布直方图。

图14为综合负载情况下1800w热水壶和240w手电钻正常工作波形图。

图15为该综合负载情况下240w手电钻支路发生电弧故障波形图。

图16是典型阻感性负载冰箱启动波形图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

本发明的一种交流故障电弧检测方法，通过将火线、零线一并穿进电流互感器采集电磁耦合信号，当支路线路发生故障电弧时，检测出线路中的电磁耦合信号，并采用四阶累积量计算得到峭度值，以表征信号陡峭程度，从而区分出正常信号与电弧故障信号；具体实现如下，

s1、按预定采样频率通过电流互感器对火线零线线路中的电磁耦合信号实时采集，得到实时信号序列x(t)；

s2、设置每隔预定时间(即250ms)对x(t)进行高阶累积量统计，计算其四阶累积量峭度值；计算方式如下：

设x(t)为平稳随机信号，且x1＝x(t),x2＝x(t+τ1),…xk＝x(t+τk-1)，τi为延时量；

随机信号x(t)的k阶矩mk定义为：mk(τ1…τk-1)＝e[x(t)x(t+τ1)…x(t+τk-1)]

随机信号x(t)的高阶累积量可以用高阶矩来表示，对于零均值信号，随机信号x(t)的四阶累积量为

c4(τ1,τ2,τ3)＝m4(τ1,τ2,τ3)-m2(τ1)·m2(τ3-τ2)-m2(τ2)·m2(τ3-τ1)-m2(τ3)·m2(τ2-τ1)

当τ1＝τ2＝τ3＝0时，由上式可得：

c4(0,0,0)＝m4(0,0,0)-3m2²(0)＝e[x⁴(t)]-3{e[x²(t)]}²，即为信号的峭度，零均值随机信号x(t)的峭度定义为：

其中

其中，σx为标准差，n为信号长度；

s3、判断电弧故障：

由步骤s2可知，峭度值k是信号的四阶累积量；任何高斯过程的高阶累积量均为零，所以对于任何高斯过程的峭度值均为3，理论正常情况下峭度值应该在3左右，实际工作时可能由于信号的扰动或外界干扰，计算得到的峭度值不可能完全理想，故而设置峭度值k取阈值4；具体判断电弧故障方式如下：

当峭度值k>4，电弧故障区间数count+1；当峭度值k<＝4，电弧故障区间数count清零，返回步骤s1继续采集电磁耦合信号；

当count>＝2时，即为连续两次检测到峭度异常，即判断为电弧故障，检测装置断开电路；当count<2时，返回步骤s1继续采集电磁耦合信号。

该方法中采用matlab高阶统计计量工具箱，计算电磁耦合信号的峭度值四阶累积量。

该方法还可通过高阶谱的方法对电磁耦合信号进行分析，从而区分出正常信号与电弧故障信号。

本发明还提供了一种基于上述所述方法的交流故障电弧检测装置，包括mcu及与该mcu连接的电流互感器、驱动电路，所述驱动电路与脱扣机构连接，所述电流互感器穿设于火线、零线上，以采集线路中的电磁耦合信号，所述mcu对电流互感器实时采集的电磁耦合信号，进行四阶累积量峭度值计算，当连续两次检测到峭度值异常立即通过驱动电路驱动脱扣电路执行脱扣动作来保护电路。所述脱扣机构与设置于线路中的断路器相连。

以下为本发明的具体实现原理及具体实现实例。

本发明将火线零线一并穿进电流互感器采集电磁耦合信号，当支路线路发生故障电弧时，可以有效检测出线路中的电磁耦合信号，通过四阶累积量计算得到的峭度值可以表征信号陡峭程度，较明显的区分出正常信号与电弧故障信号，从而解决误判、漏判断问题。

本发明原理如下：

电流元沿x轴产生的磁场，如图1所示。在距离为r处，由一长度为δ的电流元在沿x轴方向所产生的电场大小可表示为

式中，θ为电流与r向量之间的夹角；i为电流；ε0为介电常数；c为光速；从式中可以看出电流变化率越大，向周围激发的电场越大；在一项电极为银的电弧放电实验中发现：放电初始阶段的辐射信号频率高达10mhz，电弧阶段将超过100mhz。

按照位移电流的概念，任何随时间而变化的电场，都要在邻近空间激发磁场。根据麦克斯韦第一方程

式中，h为磁场强度；j为电流密度；为位移电流密度；一般来说，随时间变化的电场所激发的磁场也随时间变化。概括的讲：充满变化电场的空间，同时也充满变化的磁场。这两种变化的场，电场和磁场永远互相联系着形成统一的电磁场。

随时间变化的磁场产生电场的现象称为电磁感应，是法拉第于1831年发现的。根据大量的实验结果总结出电磁感应定律：当穿过闭合导体回路中的磁通量发生变化时，回路中将产生感应电动势及感应电流。而且，所产生的感应电动势等于磁通对时间的变化率的负值，电磁感应用以下公式表示

其中e是单位为伏特的电动势；n是线圈匝数；φ为磁通量。进一步由楞次定律可以知道感应电动势的方向：电路上产生的感应电动势方向使得所产生的感应电流阻碍原先产生电动势的磁通量之变化。

经理论分析与实验结果，如图2所示，在发生电弧故障时，需要电弧提供电磁能量释放的通道，其电弧一般要经历起弧、电弧拉长、电弧能量的增加、直径变粗、弧根在电极上运动、电弧在外力下运动弯曲变形以及反复的熄灭和重燃等阶段。伴随上述电弧的物理过程，电弧电压、电流等端口参数也发生剧烈的变化，电弧的熄灭和重燃，在母线上产生一系列的高频电流和电压。快速瞬变电压和电流一方面沿着开关导体结构以及载流线路向外传导，同时通过触头及连接电缆向周围空间产生高频的电磁耦合，电磁场耦合到电流互感器在其二次侧产生感应电动势，从而对故障电弧信号进行分析与判断。

本发明识别方法通过调用matlab高阶统计量工具箱，计算其四阶累积量峭度值，算法较为简单易于实现在线监测，适用于各类负载及各种组合情况，避免了判断负载性质的复杂过程，并且降低了对硬件电路的要求。

本发明具体实施实例：如图3所示，首先系统初始化上电工作，按既定采样频率通过电流互感器对线路中的电磁耦合信号实时采集，得到实时信号序列x(t)。设置程序为每隔250ms对x(t)进行高阶累积量统计，特别计算其四阶累积量峭度值。计算公式如下：

设x(t)为平稳随机信号，且x1＝x(t),x2＝x(t+τ1),…xk＝x(t+τk-1)，τi为延时量；

随机信号x(t)的k阶矩mk定义为：mk(τ1…τk-1)＝e[x(t)x(t+τ1)…x(t+τk-1)]

随机信号x(t)的高阶累积量可以用高阶矩来表示，对于零均值信号，随机信号x(t)的四阶累积量为

c4(τ1,τ2,τ3)＝m4(τ1,τ2,τ3)-m2(τ1)·m2(τ3-τ2)-m2(τ2)·m2(τ3-τ1)-m2(τ3)·m2(τ2-τ1)

当τ1＝τ2＝τ3＝0时，由上式可得：

c4(0,0,0)＝m4(0,0,0)-3m2²(0)＝e[x⁴(t)]-3{e[x²(t)]}²，即为信号的峭度，零均值随机信号x(t)的峭度定义为：

其中

其中，σx为标准差，n为信号长度；

从上述定义式可知，峭度值k是信号的四阶累积量。任何高斯过程的高阶累积量均为零，所以对于任何高斯过程的峭度值均为3，理论正常情况下峭度值应该在3左右，实际工作时可能由于信号的扰动或其他一些外界干扰，计算得到的峭度值不可能完全理想，所以本文设置峭度值k取阈值4。当发生电弧故障时，采集的信号中出现冲击信号，使得x(t)的概率密度发生变化，其幅值分布偏离正态分布，正态曲线变得尖锐。四阶累积量峭度值正是对正态曲线陡峭度的反映，当曲线变得尖锐，峭度值变大。

当峭度值k>4，电弧故障区间数count+1；当峭度值k<＝4，电弧故障区间数count清零，返回继续采集零序电流；

当count>＝2时，即为连续两次检测到峭度异常，则脱扣信号trip置1，检测装置断开电路；当count<2时，返回继续采集电磁耦合信号。

设置连续两次检测到峭度值异常判断为电弧故障，是由于某些负载(如冰箱)启动时会有瞬时脉冲，造成其峭度值很大使得检测装置可能产生误动作，但是启动脉冲发生在较短时间内，对其加以二次检测则可以大大降低误动作。

如图4所示，为本发明装置的电路结构原理图，在火线和零线上串接上电流互感器以此检测线路中的电磁耦合信号，电流互感器与微处理器mcu相连接，该mcu主要进行实时电信号的采集并每隔250ms进行四阶累积量峭度值计算，当连续两次检测到峭度值异常立即驱动脱扣电路执行脱扣动作来保护电路。脱扣机构与断路器相连，此也可以防止实验中出现的意外过电流等事件带来的安全问题。图中的电弧发生器为根据ul1699标准制作的起弧装置，具有使用操作简单、安全等特点。图中负载端通过在线路中串接排插以此可以接各种负载。

图5、图6、图7分别是典型阻性负载200w白炽灯、阻感性负载250w冰箱、非线性负载1200w吸尘器利用本发明方法采集到的波形图。从图中可以看出，单从时域上就能较好的区分出正常工作区间和电弧故障区间：正常工作时电流波形近似平稳零均值，电弧故障时伴随一系列脉冲波。实验采样频率为100khz,电流互感器并1kω电阻，幅值表现为电压v。

图8为白炽灯正常工作电流互感器采集的波形图及其幅值分布直方图。从图中可以看出其幅值分布直方图近似为高斯分布，matlab高阶累积量计算结果如下：

均值＝0.000435655

方差＝4.41346e-007

斜度＝0.240963

峭度＝3.61257

图9为白炽灯发生电弧故障零序电流波形图及其幅值分布直方图。从图中可以看出其幅值分布直方图不再是高斯分布，matlab高阶累积量计算结果如下：

均值＝0.000489189

方差＝1.2775e-006

斜度＝3.39328

峭度＝1201.91

同理图10、图11、图12、图13计算结果分别如下：

图10：

均值＝0.000439698

方差＝1.38384e-007

斜度＝-0.0207585

峭度＝2.85661

图11：

均值＝0.00042595

方差＝0.000244943

斜度＝-4.94197

峭度＝191.103

图12：

均值＝0.000525978

方差＝4.0078e-007

斜度＝0.161077

峭度＝2.72361

图13：

均值＝0.000412635

方差＝0.000140312

斜度＝-12.2337

峭度＝564.333

从以上实验结果可以证明本发明提出的四阶累积量峭度分析法在电弧故障识别中的可行性以及优越性。

图14为综合负载情况下1800w热水壶和240w手电钻正常工作波形图。其中上小图为传统正弦工频电流采集，下小图为本发明零序采集。

图15为该综合负载情况下240w手电钻支路发生电弧故障波形图。从图中可以看出，小功率支路(240w手电钻)发生电弧故障时，传统方式采集到的干路电流并无异常，即小功率支路故障信号埋没在大功率干路中，这也正是本文开头提到的造成漏判断问题。而基于本发明的电流互感器采集方式可以较清晰的发映出电弧故障信号，从而大大降低漏判率。

图16是典型阻感性负载冰箱启动波形图。从图中可以看出冰箱启动脉冲是瞬时的，只要对其加以多次检测即可有效防止将其误判断为电弧故障。本发明中的每隔250ms计算一次峭度值并进行连续多次检测正是基于这个出发点。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。