一种故障电弧的检测方法和故障电弧断路器与流程

本发明涉及一种电路系统保护领域，尤其是涉及一种故障电弧的检测方法和故障电弧断路器。

背景技术：

导致电气火灾的因素可以分为两类：一类是线路故障，这其中包括线路老化，短路，接触不良，漏电等；另一类是电气设备故障，例如设备的过负荷使用，如加热设备的不当使用。故障电弧就是由线路故障引起电气火灾的诱因之一。发生故障电弧时，电流虽然较小，但电弧燃烧的温度高达几千摄氏度，可以燃烧周围的绝缘皮或者其他物质，此时如果不能及时切断电路，那么持续的电弧将会造成更大的破坏力，最终导致电气火灾的产生。因此，对故障电弧的检测非常重要。

电弧故障断路器是一项能有效的防止电气火灾的保护产品，它能够在电路出现故障电弧时，及时切开电路起到保护作用，而电弧故障断路器的核心就是电弧故障检测技术。在现有故障电弧断路器中，通常是对电流信号进行小波变换，然后判断其是否存在高频信号，据此来判断是否存在故障电弧然后进行断路工作。但是对于如卤素灯，吸尘器等用电器来说，其正常工作时也会产生高频信号，仅仅通过高频信号进行检测容易产生误判，影响设备的正常使用。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种故障电弧的检测方法和故障电弧断路器。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种故障电弧的检测方法，具体包括以下步骤：

s1.采集火线上的电流信号，并转化为数字信号；

s2.将数字信号通过小波变换分解为一个低频信号和一个高频信号；

s3.逐点判断高频信号是否超过设定的阈值，若是，则执行步骤s4；若否，则执行步骤s1；

s4.对低频信号的过零点位置信号进行最小二乘法处理拟合成一条坐标上的斜线，得到其过零点处的斜率，判断该斜率是否超过设定的阈值，若是，则执行步骤s1；若否，则判断存在故障电弧。

进一步地，小波的表达式为：

其中，ψa,b(t)是母小波经移位和伸缩所产生的一组函数，b是时移，a是尺度因子，a、b均为常数，且a>0；

连续小波变换cwt的表达式为：

其中，x(t)为给定信号，wtx(a,b)为信号x(t)的连续小波变换。对于一个复合信号进行小波变换，得到：

wtx(a,b)＝wt低频(a,b)+wt高频(a,b)

其中，wt低频(a,b)为纯净低频信号，wt高频(a,b)为高频噪声信号。

进一步地，所述的最小二乘法为线性回归方程：

其拟合直线的斜率为：

其中，y代表采样数据，x代表采样时刻，b代表截距。

一种采用如上述任一所述的故障电弧的检测方法的故障电弧断路器，包括：

传感器，用于采集火线上的电流信号，并转化为低压信号；

模数转换器，用于接收低压信号转化成数字信号传送给控制器；

定时器，用于配置模数转换器的采样频率；

控制器，该控制器执行预设程序时实现以下步骤：

逐点判断高频信号是否超过设定的阈值；若是，则继续对低频信号过零点位置信号进行最小二乘法处理，得到其过零点处的斜率，判断该斜率是否超过设定的阈值，若否，则判断存在故障电弧。

进一步地，还包括脱钩机构，用于接收控制器发出的脱钩命令实现电路断开。

进一步地，当控制器判断存在故障电弧后，根据高频信号以及斜率增加结果值；幅值越大，结果增加越多；多斜率越小，结果增加越多；当结果值达到设定阈值，则控制器发出脱钩命令。

进一步地，12.8khz的定时器触发数模转换器采样数据，20ms采集256次。

进一步地，所述的控制器为单片机。

进一步地，所述的脱扣机构为电磁线圈或继电器。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明通过小波变化将电流信号分解为一个低频信号和一个高频信号，然后在高频信号的基础上增加了对低频信号的分析，通过最小二乘法获取低频信号的过零点位置信号的斜率进一步判断是否发生故障电弧。其原理为故障电弧发生后，除了电流幅值会增加外，还会产生“零休”现象，即电流出现平肩部，其平肩部越明显，累积的电弧故障依据就越高，而低频信号中过零点位置信号的斜率可以准确反映电流的平肩部，由此实现对故障电弧更精准的检测。

2、本发明在当控制器判断存在故障电弧后，进一步根据高频幅值以及斜率增加结果值，当结果值达到设定阈值，控制器才发出脱钩命令，使得断路器的工作更加稳定，降低误报的可能。

附图说明

图1为实施例的结构示意图。

图2为实施例工作原理的结构示意图。

附图标记：1、传感器，2、控制器，3、模数转换器，4、脱钩机构。

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。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例提供了一种故障电弧断路器，包括传感器1、模数转换器3、定时器(图中未示出)、控制器2和脱钩机构4。其中，传感器1用于连接电路系统中的火线(l)。

传感器1使用电流传感器1用于采集电流经过火线上的电流信号，该传感器1结合电路将通过火线的电流信号转化成可给模数转换器3采样的低压信号。

模数转换器3(adc)接收低压信号转化成数字信号传送给控制器2。

定时器用于配置模数转换器3的采样频率，12.8khz的定时器触发数模转换器采样数据，使得20ms正好采集256次。

控制器2采用市售单片机，可以使用cortex-m4内核单片机，可执行本发明中一系列算法，并且输出控制信号给脱扣机构。

脱钩机构4一般采用电磁线圈或者继电器，本实施例中采用继电器，脱扣机构得到单片机发出的脱扣命令后可实现电路的断开。

本实例对故障电弧的检测方法具体为：

步骤s1.采集火线上的电流信号，并转化为数字信号；

步骤s2.将数字信号通过小波变换分解为一个低频信号和一个高频信号；

小波的表达式为：

其中，ψ(t)为给定的一个基本函数，又称为基本小波，或母小波。式中a，b均为常数，且a>0。b是时移(位移)，a是尺度因子(伸缩)。ψa,b(t)是母小波经移位(b)和伸缩(a)所产生的一组函数，称之为小波基函数，或简称小波基。

连续小波变换(cwt)的表达式为：

其中，x(t)为给定信号，wtx(a,b)为信号x(t)的连续小波变换。对于一个复合信号f(t)＝f低频(t)+f高频(t)进行小波变换，得到：

wtx(a,b)＝wt低频(a,b)+wt高频(a,b)其中，wt低频(a,b)为纯净低频信号，因低频部分信号经正交小波变换后在各个尺度下的模极大值。而wt高频(a,b)为高频噪声信号，因高频部分信号经正交小波变换后仍然是白噪声。

步骤s3.逐点判断高频信号是否超过设定的阈值，若是，则执行步骤s4；若否，则执行步骤s1；

步骤s4.对低频信号的过零点位置信号进行最小二乘法处理拟合成一条坐标上的斜线，得到其过零点处的斜率，判断该斜率是否超过设定的阈值，若是，则执行步骤s1；若否，则判断存在故障电弧。

最小二乘法为线性回归方程：

其拟合直线的斜率为：

其中，y代表采样数据，x代表采样时刻，b代表截距。

步骤s5.根据高频幅值以及斜率增加结果(result)值；幅值越大，结果值增加越多；多斜率越小，结果值增加越多；当结果值达到设定阈值，则控制器2发出脱钩命令。结果值r的表达式为：

其中，f高频(t)为高频信号，k为过零点斜率。

将上述检测方法转化为程序预载至故障电弧断路器的控制器中，其具体的工作原理如图2所示。

1、单片机启动后，配置adc、定时器的采样频率和、直接内存存取数据传输模块(dma)；

2、12.8khz定时器触发adc采样数据；256次正好20ms；

3、dma将adc采样数据连续存于一个256*16bits的缓存区；

4、当存满256*16bits时，将缓存区数据复制到另一缓存区buffer[256]；

5、将buffer[256]数据做dwt(小波变换)，得到低频部分dwt_l_data[256]，和高频部分dwt_h_data[256]；

6、逐点比较高频部分dwt_h_data[256]是否超过阈值limit_h(该值需要反复试验得到，受电路影响)；

7、计算低频部分dwt_l_data[256]过零点处的斜率，是否小于阈值limit_k(该值需要反复试验得到，受电路影响)；

8、如果高频幅值超阈值limit_h，同时过零点斜率小于阈值limit_k，则判断该周期有电弧故障；

9、如果有故障电弧，根据高频幅值大小，斜率大小，增加result值；幅值越大，result增加越多，斜率越小，result增加越多；

10、当result值达到一个阈值(该值由第9步骤增加比率调整)，则执行脱扣。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。