本发明涉及电弧监测技术领域，特别涉及一种基于电弧脉冲信号时间特性的故障电弧检测方法。
背景技术：
在中国火灾原因分析中，由于电气原因引起的火灾占比在30%以上。
电气火灾发生的原因很多，比如：短路、绝缘老化、过流、接地故障、接触不良、家电或电热设备引燃可燃物等等。从本质上讲，在所有的电气火灾发生过程中，都会伴有电弧发生。
在美国，根据cpsc(美国消费品安全委员会)1998年的统计，每年由于配电线路老化引起电弧造成的火灾有超过40000起，造成直接经济损失16.8亿美元。
目前已经存在电弧故障断路器和故障电弧报警器。其在传统的断路器的基础上添加了对故障电弧起保护作用的功能，以防范由于故障电弧而引发的火灾；或者检测到故障电弧后发出报警信息。
目前的故障电弧的判定方法基本上都是要判定电流信号的畸变和电压信号的畸变，需要同时连接电压和电流回路，需要用到高速的数据采样和复杂的数学计算，如傅立叶变换或者小波分析，这样对处理器计算能力有很高的要求，增加了硬件或者软件的复杂度,以及无法做到无待机功耗。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种基于电弧脉冲信号时间特性的故障电弧检测方法；该方法只需检测故障电弧脉冲信号的时间特性便可实现故障电弧检测，其降低了硬件或者软件的复杂度,可以做到无待机功耗。
本发明采取的技术方案是：一种基于电弧脉冲信号时间特性的故障电弧检测方法，其包括设置可检测电弧脉冲信号时间间隔的电弧检测系统，该电弧检测系统包括至少1个变化磁场检测传感器、与所述变化磁场检测传感器同等数量的幅值比较单元以及一个信号处理单元，所述变化磁场检测传感器、幅值比较单元和信号处理单元依次相互连接，所述变化磁场检测传感器的输出信号经处理后的信号幅值与所述幅值比较单元设定值大小进行比较，若幅值比较单元经比较判断后给出脉冲信号，所述信号处理单元检测该脉冲信号间的时间间隔，并依此进行判定、检测故障电弧信号并输出。
进一步的，所述变化磁场检测传感器为套在待检测回路上的没有磁芯的空心线圈，或者为有磁芯的线圈、且该有磁芯的线圈流过正常负载电流磁芯不饱和，或者为安装在待检测回路合适位置的能够检测磁场强度的高敏度的磁场敏感元件。
进一步的，所述没有磁芯的空心线圈或者有磁芯的线圈的输出端连接有用于对其输出信号进行处理的滤波单元，该滤波单元为低通或者带通滤波器，或者线圈本身作为滤波器电路的元件与电容或电阻配合构成滤波单元。
进一步的，所述磁场敏感元件为高敏度的霍尔器件或者磁通门器件或者磁阻器件或者巨磁阻器件或者隧道磁阻器件，磁场敏感元件安装位置靠近待检测回路以获得更好的灵敏度,且磁场敏感元件的输出端连接有用于对其输出信号进行处理的滤波单元，该滤波单元为带通滤波器或者高通滤波器。经过滤波单元的信号幅值可能较小,可经过放大后,再送入幅值比较器；或者磁场敏感元件输出信号后先经放大器放大再送入滤波单元滤波。
进一步的，所述幅值比较单元用于比较滤波单元输出信号与其设定值的大小，当滤波单元输出输出信号幅值不小于设定值，幅值比较单元脉冲信号输出逻辑1，否则输出逻辑0。
进一步的，所述幅值比较单元为比较器、迟滞比较器、逻辑门电路、双极型三极管、mos型场效应管或者信号处理单元的io口中的任一种。
进一步的，所述幅值比较单元与信号处理单元的电源电路之间设有脉冲展宽电路，该脉冲展宽电路用于控制信号处理单元的电源回路，当幅值比较单元没有脉冲信号输出时，电源回路关断，信号处理单元没有功耗，在有脉冲信号的条件下，电源回路导通，系统电源接通，信号处理单元工作。
进一步的，所述信号处理单元采用单片机，微处理器，可编程逻辑器件，数字信号处理器或者专用集成电路asic中的任一种；且所述信号处理单元至少包含与变化磁场检测传感器数量一致的脉冲时间间隔测量单元，其可测量2个脉冲信号上升沿间的时间间隔或者下降沿间的时间间隔。
进一步的，所述信号处理单元用于检测故障电弧的判定方法，具体可采用以下两种方式：
第一种判定方法为：
系统通过软件或者逻辑电路设置电弧故障计数器和定时器，且设置其初始值均为0；
当一个脉冲信号到达后，测量其与前一个脉冲信号之间的时间间隔t，如果t小于系统用于滤除干扰信号而设定的时间比较值tl1，则丢弃该脉冲，该时间间隔也丢弃，并等待下一个脉冲；
脉冲信号滤除后，将当前的时间间隔记作t1，上一个时间间隔记作t2，经过软件或者逻辑电路比较t1与t2的大小，如果二者差值大于系统设定值tw1且小于tw2，则电弧故障计数器加1，定时器启动计时；
当定时器达到设定的时间tset，电弧故障计数值若大于等于设定值c，则电弧故障信号输出1，否则电弧故障计数器和定时器不输出。
本方法的一个实施中，时间tl1设为200us，时间tw1设为200us，时间tw2设为96ms，设定时间tset设置为96ms，设定值c=3。
第二种判定方法为：
所述信号处理单元用于检测故障电弧的判定方法，包括如下步骤：
设电网的半周波周期为tdw,系统通过软件或者逻辑电路设置电弧故障计数器和定时器，且设置其初始值均为0；
当一个脉冲信号到达后,测量其与前一个脉冲信号之间的时间间隔t，如果t小于系统用于滤除干扰信号而设定的时间比较值tl1，则丢弃该脉冲，该时间间隔也丢弃，并等待下一个脉冲；
如果该时间间隔满足：k1*tdw<t<k2*tdw或者k3*2*tdw<t<k4*2*tdw，则继续测量脉冲间时间间隔，否则，电弧故障计数器加1，定时器启动计时；
当定时器达到设定的时间tset，电弧故障计数值若大于等于设定值c，则电弧故障信号输出1，否则电弧故障计数器和定时器。
本方法的一个实施中,时间tl1设为200us，设定时间tset设置为96ms，设定值c=3，k1=k3=0.98，k2=k4=1.02。
本发明的原理及效果说明如下：
变化磁场检测传感器可以是套在待检测回路上的没有磁芯的空心线圈或者有磁芯的线圈且流过正常负载电流磁芯不饱和,也可以是安装在待检测回路合适位置的能够检测磁场强度的高敏度的霍尔器件或者磁通门器件或者磁阻器件或者巨磁阻器件或者隧道磁阻器件,安装位置极可能靠近待检测回路以获得更好的灵敏度。
根据电磁学原理，套在待检测供电回路上的检测线圈的输出电压正比于其检测的电流变化率，电流变化率正比于电流的值和电流信号频率。套在待检测供电回路上的检测线圈的输出电压在待检测供电回路为低频正弦波电流(如50hz/60hz)或者直流电流时，输出电压很低，为毫伏级信号。有电流发生突变时，突变电流的幅值为负载电流的瞬时值，电流信号带宽在几十khz，或者几百khz甚至更大，检测线圈能够输出较大的脉冲电压，可以达到几伏甚至更高。
由于电力信号一般为低频正弦波信号，其电流变化率低，在检测回路上能够输出的电压值很低，经滤波单元后，其幅值不能驱动启动脉冲比较单元输出信号。
当发生电弧故障时，突变电流的幅值为负载电流的瞬时值，电流信号带宽在几十khz，或者几百khz甚至更大，检测线圈会产生较大的感应脉冲电压信号，经过滤波单元，滤除不必要的干扰信号后，与幅值比较单元的设定值进行比较，其幅值超过设定值，会输出一个或者一串脉冲信号。
设置滤波单元的目的是为了滤除不必要的干扰信号，比如在线路合闸时，线路分布电容充电，会有一个非常大的高频电流，引起干扰；日光灯启辉器放电时，会有一个非常大的高频信号，引起的干扰。经过滤波单元后，这些干扰信号都予以滤除。
能够检测磁场强度的高敏度的霍尔器件或者磁通门器件或者磁阻器件或者巨磁阻器件或者隧道磁阻器件能够感应待检测回路中电流形成的磁场,输出一个电压信号,该信号大小正比于待检测回路电流的大小,该信号经过带通滤波或者高通滤波后,滤除电网频率及其低次谐波的信号,保留高频部分突变信号.该信号幅值较小,需要经过放大后,送入幅值比较器.
设置幅值比较单元，主要是为了区分与待检测回路的电弧故障和并联回路电弧故障。通过设置幅值比较单元设定值，使得待检测回路发生电弧故障时，能够输出脉冲信号；而并联回路发生电弧故障时，不能输出脉冲信号。试验证明，待检测回路发生故障时，输出信号的幅值为并联回路发生电弧故障时输出信号的3倍以上，通过设置幅值比较单元的设定值，能够避免并联回路电弧故障引起的误动。
电弧故障信号是一个非周期性粉红噪声信号，经过比较器输出后，其脉冲信号是非周期性的。
附图所示的检测框图中，其受到的干扰主要包括设备接通瞬间，导致电流突变，引起的脉冲输出；周期性非线性负载引起的脉冲输出；电弧性负载引起的脉冲输出。
线性负载设备，如电炉，加热器，交流电动机等，由于本发明的检测线圈仅仅检测高频突变信号，在正常工作时，输出电压信号很小，不足以使得幅值比较器有脉冲信号输出。接通瞬间引起的电流突变信号，一般会引起1个或者多个电弧脉冲信号，但是持续时间很短，一般维持电力信号的半个周期时间或者一个周期时间。由于单次接通时产生的电弧所输出的脉冲信号称为单周期电弧干扰信号。
一般的非线性负载，比如计算机，大功率开关电源，微波炉，变频器等，由于本发明的检测线圈仅仅检测高频突变信号，在正常工作时，输出电压信号很小，不足以使得幅值比较器有脉冲信号输出，只有在接通电源的瞬间会有脉冲信号输出，一般维持时间半个周期或者1个周期的时间，与单周期电弧干扰信号类似。
通过调整可控硅的导通角进行调压调功的非线性负载会产生连续的脉冲信号输出。这种类型的脉冲信号输出都是连续的，按照电力信号的周期，呈严格的周期性，称为周期性干扰信号。
电弧性负载，如带有碳刷的手电钻，吸尘器等，在正常工作时，由于电枢感生的反生电动势的原因，以及电枢是一个感性元件的原因，其电弧信号幅值不足以引起脉冲信号输出。我们试验了手电钻，吸尘器等负载，都证实了上述观点。即使在其启动时，都不足以引起脉冲信号输出，只有合闸瞬间，会有脉冲信号输出，其特性与单周期电弧干扰信号类似。
真正的故障电弧电流，其能量大，能够在检测线圈上产生较高的电压输出，并且脉冲信号呈现非周期性的特点。
采用磁场传感器时,通过带通或者高通滤波器和放大器后,可以实现与检测线圈类似的效果。
本专利提出的检测方法就是基于其信号非周期性原理实现的。
根据试验发现，故障电弧发生时，可检测的脉冲信号呈现非周期性，而可控硅类干扰性负载是周期性的。为了区分故障电弧输出的脉冲信号和单周期电弧干扰信号，周期性干扰信号，本发明采取下述的判别方法。两种判别方法都可以使用。
判定方法1：
系统通过软件或者逻辑电路设置电弧故障计数器和定时器,设置其初始值均为0；
当一个脉冲到达后,测量与前一个脉冲之间的时间间隔t,如果t小于时间tl1,则丢弃该脉冲,等待下一个脉冲,该时间间隔也丢弃；
当前的时间间隔记作t1,上一个时间间隔记作t2.软件或者逻辑电路中,比较t1与t2的大小,如果二者差值大于tw1且小于tw2,则电弧故障计数器加1,定时器启动计时；
当定时器达到设定的时间tset,电弧故障计数值若大于等于设定值c,则电弧故障信号输出1,否则电弧故障计数器和定时器设置为初始值0。
本方法的一个实施中，时间tl1设为200us，时间tw1设为200us，时间tw2设为96ms，设定时间tset设置为96ms，设定值c=3。
判定方法2：
设电网的半周波周期为tdw,系统通过软件或者逻辑电路设置电弧故障计数器和定时器,设置其初始值均为0；
当一个脉冲到达后,测量与前一个脉冲之间的时间间隔t,如果t小于时间tl1,则丢弃该脉冲,等待下一个脉冲,该时间间隔也丢弃；
如果该时间间隔满足k1*tdw<t<k2*tdw或者k3*2*tdw<t<k4*2*tdw,则继续测量脉冲间时间间隔；
否则,电弧故障计数器加1,定时器启动计时；
当定时器达到设定的时间tset,电弧故障计数值若大于等于设定值c,则电弧故障信号输出1,否则电弧故障计数器和定时器设置为初始值0。
本方法的一个实施中,时间tl1设为200us，设定时间tset设置为96ms，设定值c=3，k1=k3=0.98，k2=k4=1.02。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1是本发明采用检测线圈的检测原理框图。
图2是本发明采用磁场敏感元件的检测原理框图。
图3是实施例二的状态示意图。
图4是实施例三的状态示意图。
图5，6是实施例四的电路连接图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例一。
如图1和图2所示，一种基于电弧脉冲信号时间特性的故障电弧检测方法，其包括设置可检测电弧脉冲信号时间间隔的电弧检测系统，该电弧检测系统包括至少1个变化磁场检测传感器、与所述变化磁场检测传感器同等数量的幅值比较单元以及一个信号处理单元，所述变化磁场检测传感器、幅值比较单元和信号处理单元依次相互连接，所述变化磁场检测传感器的输出信号经处理后的信号幅值与所述幅值比较单元设定值大小进行比较，若幅值比较单元经比较判断后给出脉冲信号，所述信号处理单元检测该脉冲信号间的时间间隔，并依此进行判定、检测故障电弧信号并输出。
在本实施例中，所述变化磁场检测传感器为套在待检测回路上的没有磁芯的空心线圈，或者为有磁芯的线圈、且该有磁芯的线圈流过正常负载电流磁芯不饱和，或者为安装在待检测回路合适位置的能够检测磁场强度的高敏度的磁场敏感元件。
当采用线圈作为变化磁场检测传感器时，没有磁芯的空心线圈或者有磁芯的线圈的输出端连接有用于对其输出信号进行处理的滤波单元，该滤波单元为低通或者带通滤波器，或者线圈本身作为滤波器电路的元件与电容配合构成滤波单元。
当采用磁场敏感元件作为变化磁场检测传感器时，所述磁场敏感元件可以为高敏度的霍尔器件或者磁通门器件或者磁阻器件或者巨磁阻器件或者隧道磁阻器件，磁场敏感元件安装位置靠近待检测回路以获得更好的灵敏度,且磁场敏感元件的输出端连接有用于对其输出信号进行处理的滤波单元，该滤波单元为带通滤波器或者高通滤波器。经过滤波单元的信号幅值可能较小,可经过放大后,再送入幅值比较器；或者磁场敏感元件输出信号后先经放大器放大再送入滤波单元滤波。
在本实施例中，所述幅值比较单元用于比较滤波单元输出信号与其设定值的大小，当滤波单元输出输出信号幅值不小于设定值，幅值比较单元脉冲信号输出逻辑1，否则输出逻辑0。考虑信号的幅值,信号可能需要经过放大后或者衰减后再进行比较。幅值比较单元可以是比较器、滞比较器、逻辑门电路、双极型三极管、mos型场效应管或者信号处理单元的io口中的任一种。
所述幅值比较单元与信号处理单元的电源电路之间设有脉冲展宽电路，该脉冲展宽电路用于控制信号处理单元的电源回路，当幅值比较单元没有脉冲信号输出时，电源回路关断，信号处理单元没有功耗，在有脉冲信号的条件下，电源回路导通，系统电源接通，信号处理单元工作。
所述信号处理单元采用单片机，微处理器，可编程逻辑器件，数字信号处理器或者专用集成电路asic中的任一种；且所述信号处理单元至少包含与变化磁场检测传感器数量一致的脉冲时间间隔测量单元，其可测量2个脉冲信号上升沿间的时间间隔或者下降沿间的时间间隔。
实施例二。
在实施例一搭建的系统基础上，所述信号处理单元用于检测故障电弧的判定方法，包括如下步骤：
系统通过软件或者逻辑电路设置电弧故障计数器和定时器，且设置其初始值均为0；
当一个脉冲信号到达后，测量其与前一个脉冲信号之间的时间间隔t，如果t小于系统用于滤除干扰信号而设定的时间比较值tl1，则丢弃该脉冲，该时间间隔也丢弃，并等待下一个脉冲；
脉冲信号滤除后，将当前的时间间隔记作t1，上一个时间间隔记作t2，经过软件或者逻辑电路比较t1与t2的大小，如果二者差值大于系统设定值tw1且小于tw2，则电弧故障计数器加1，定时器启动计时；
当定时器达到设定的时间tset，电弧故障计数值若大于等于设定值c，则电弧故障信号输出1，否则电弧故障计数器和定时器不输出。
本实施例中，时间tl1设为200us，时间tw1设为200us，时间tw2设为96ms，设定时间tset设置为96ms，设定值c=3。
实施例三。
在实施例一搭建的系统基础上，所述信号处理单元用于检测故障电弧的判定方法，包括如下步骤：
设电网的半周波周期为tdw,系统通过软件或者逻辑电路设置电弧故障计数器和定时器，且设置其初始值均为0；
当一个脉冲信号到达后,测量其与前一个脉冲信号之间的时间间隔t，如果t小于系统用于滤除干扰信号而设定的时间比较值tl1，则丢弃该脉冲，该时间间隔也丢弃，并等待下一个脉冲；
如果该时间间隔满足：k1*tdw<t<k2*tdw或者k3*2*tdw<t<k4*2*tdw，则继续测量脉冲间时间间隔，否则，电弧故障计数器加1，定时器启动计时；
当定时器达到设定的时间tset，电弧故障计数值若大于等于设定值c，则电弧故障信号输出1，否则电弧故障计数器和定时器。
本实施例中，时间tl1设为200us，设定时间tset设置为96ms，设定值c=3，k1=k3=0.98，k2=k4=1.02。
实施例四。
如图5所示，本实施例采用探测线圈作为变化磁场检测传感器。检测线圈绕在相对导磁率为75的磁环上，外径约39mm，内径约21mm，厚度11mm的磁环的绕制200匝，构成探测线圈。
滤波单元采用一个简单的高频陶瓷电容器，容量470p，与检测线圈的电感一起构成一个谐振选频回路，为带通滤波器，接近其谐振频率的信号会有较大的输出。
比较单元采用一个保护二极管和比较简单的电阻分压回路，然后接一个三极管，调节门限电阻1的大小，使得发生故障电弧时，滤波电容两端最高电压为u，q1能够导通，而滤波电容两端最高电压为u/3时，q1不导通。二极管起到保护作用。
当有电弧脉冲信号时，c2会快速放电,使得q2导通,给信号处理单元供电,没有脉冲信号时,r4对c2进行充电,到达q2的关断阈值电压后,q2关断,信号处理单元断电。
cpu可以通过io口接电阻r5接q3的基极,io口为高电平时,q3导通后,q2导通,信号处理单元供电；当io口为低电平时，q3截止，r4对c2进行充电，到达q2的关断阀值电压后，q2关断，信号处理单元断电。
如图6所示，系统另外配置一个电流互感器，20a/20ma，电流互感器输出通过整流，滤波，限压后通过能量搜集电路给电池充电，同时检测互感器电流输出。电池给整个系统供电。
被检测回路的火线同时穿过探测线圈和电流互感器。
信号处理单元采用st公司低功耗m0内核的处理器stm32l071rb的单片处理器，外围电路包括晶体振荡器，复位电路等。通过spi接口，连接无线通信芯片，为semitech公司的sx1278，sx1278外围包括晶体振荡器，收发天线开关，滤波器和天线等。
图中所标“电弧检测脉冲”，直接接入stm32l071rb的捕获定时器对应的io口。
stm32l071rb的ad输入接电流检测电阻一端，如上图标注的微处理器ad输入。
stm32l071rb的一个输出io口，接一个mos管的栅极，控制声光报警器输出。
stm32l071rb的i2c接口，接温湿度传感器。
对stm32l071rb微处理器编写程序，实现无线的通信底层代码，按照本发明给定的判定方法2编写电弧故障检测软件,在50hz电网频率下,tdw取10ms,时间tl1设为200us,设定时间tset设置为96ms,设定值c=3，k1=k3=0.98,k2=k4=1.02。并在检测到故障电弧后，输出信号，驱动mos管，驱动声光报警器输出，同时通过无线通信发电弧故障报警信息发送给相应的接收设备，处理，显示，报警等。
stm32l071rb是一个基于cotexm0的32位单片微控制器，lqfp64封装，192kbflash存储器，20kbram，51个io引脚，16路12bitad转换器，具有rtc和外部晶振电路，7个16位定时器/计数器单元，2路spi接口，3路i2c接口，其存储空间，处理能力，外围接口数量可以满足本发明专利的需要。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的普通技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明的保护范围，凡采用等同替换等方式所获得的技术方案，均落于本发明的保护范围内。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。