專利名稱：基于時(shí)頻綜合分析的故障電弧檢測(cè)方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種配電線路故障電弧保護(hù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于時(shí)頻綜合分析的故障電弧檢測(cè)方法及其裝置。
背景技術(shù)：
住宅內(nèi)的線路和設(shè)備，比如電氣布線、插座線路、家用電器內(nèi)部線路或電源線等， 由于長(zhǎng)時(shí)間帶載運(yùn)行、過載或受外力影響會(huì)造成電線絕緣層出現(xiàn)老化或者發(fā)生絕緣破損， 容易導(dǎo)致線路間串并聯(lián)電弧故障或線路對(duì)地短路故障。與短路故障相比，故障電弧發(fā)生時(shí)電流較小，以剩余電流保護(hù)斷路器、熔斷器為代表的常規(guī)線路保護(hù)裝置不能對(duì)故障電弧做出準(zhǔn)確判斷。電弧燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生局部高溫，成為引起電氣火災(zāi)的主要原因之一，嚴(yán)重威脅人員的生命財(cái)產(chǎn)安全。故障電弧斷路器(Arc Fault Circuit Interrupter, AFCI)是一種最近發(fā)展起來的電路保護(hù)裝置，有故障電弧發(fā)生時(shí)，它應(yīng)能迅速切斷電路。目前大多數(shù)AFCI產(chǎn)品的適用范圍較小，主要針對(duì)某些特定負(fù)載，對(duì)于有類似電弧特征的負(fù)載沒有很好的鑒別能力。交流故障電弧電流波形在時(shí)域上存在以下特征1、由于故障電弧類似于阻性負(fù)載，電流幅值較正常運(yùn)行略有減??；2、在電流過零點(diǎn)附近存在長(zhǎng)度隨機(jī)的“平肩部”;3、電流波形變化率增大，存在大小和時(shí)刻都具有隨機(jī)性的突變；4、波形的對(duì)稱性遭到破壞。根據(jù)以上故障電弧時(shí)域特征，目前大多數(shù)故障電弧檢測(cè)方法和保護(hù)電路以相鄰半周波電流的“平肩部”時(shí)間、平均值、最大值、最小值、變化率di/dt的變化量超過閾值作為判定故障電弧的復(fù)合判據(jù)。該方法所需的判據(jù)較多，且容易受電力電子開關(guān)電源和負(fù)載變動(dòng)的干擾，誤判率較高。另一方面，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者提出用離散傅里葉變換、小波變換等方法分析故障電弧的頻域特性，雖有較好的效果，但對(duì)保護(hù)裝置的硬件電路要求較高，難以大范圍推廣使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種計(jì)算復(fù)雜度低、 安全性高、成本低的基于時(shí)頻綜合分析的故障電弧檢測(cè)方法及其裝置。本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)一種基于時(shí)頻綜合分析的故障電弧檢測(cè)方法，其特征在于，包括以下步驟1)上電復(fù)位；2)系統(tǒng)初始化；3)參數(shù)初始化，參量賦值；4)開啟定時(shí)中斷，啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換；5)微處理器以時(shí)間Tsample作為采樣間隔，實(shí)時(shí)采集信號(hào)調(diào)理電路和幅值檢測(cè)電路的輸出電壓信號(hào)；6)根據(jù)設(shè)定的閾值八_判斷輸出電壓信號(hào)乂_是否發(fā)生過電流故障，若V_<V。VCT，則電路未發(fā)生過電流，繼續(xù)執(zhí)行步驟7)；若Vamp > V。VCT，則電路發(fā)生過電流，跳轉(zhuǎn)到步驟10)；7)由Vamp設(shè)定故障電弧檢測(cè)子程序中的各閾值Vth，Tmin, Dmin ；8)執(zhí)行故障電弧檢測(cè)子程序；9)若未發(fā)生故障電弧，跳轉(zhuǎn)到步驟5)；若發(fā)生故障電弧，跳轉(zhuǎn)到步驟10)；10)微處理器發(fā)出脫扣信號(hào)驅(qū)動(dòng)脫扣動(dòng)作機(jī)構(gòu)斷開電路，直到復(fù)位按鈕按下，電路
重新導(dǎo)通。所述的步驟2)系統(tǒng)初始化包括I/O 口配置、A/D采樣方式、采樣率配置、系統(tǒng)時(shí)鐘、 定時(shí)器配置。所述的步驟7)中的Vth，Tmin, Dmin的含義如下l)Vth為脈沖閾值，當(dāng)脈沖小于脈沖閾值Vth時(shí)，判定不是由電弧故障引起，忽略這些突變點(diǎn)；2)Tmin為相鄰脈沖衰減時(shí)間變化量閾值，當(dāng)被測(cè)信號(hào)衰減時(shí)間變化量小于閾值 Tmin時(shí)，判定電流突變信號(hào)是由正常負(fù)載引起的；3) Dmin為電弧半波數(shù)閾值，從第一個(gè)幅值超過Vth的脈沖開始循環(huán)統(tǒng)計(jì)，在設(shè)定時(shí)間段內(nèi)，大于閾值Vth且相鄰衰減時(shí)間變化量大于閾值Tmin的脈沖個(gè)數(shù)超過閾值Dmin， 則判定發(fā)生故障電弧。所述的Vth，Tmin, Dmin的大小由幅值檢測(cè)電路輸出電壓Vamp高低決定，根據(jù)線路電流等級(jí)選定的閾值，有利于對(duì)不同功率大小、不同種類的負(fù)載提供故障電弧保護(hù)。所述的步驟8)的故障電弧檢測(cè)子程序步驟如下(1)實(shí)時(shí)采樣經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路后的信號(hào)Sample_V，將Sample_V與脈沖閾值Vth 相比較，計(jì)算Sample_V > Vth的時(shí)間長(zhǎng)度Ta[i] ；Sample_V < Vth的時(shí)間長(zhǎng)度Tb[i]；(2)當(dāng)小于閾值的時(shí)間長(zhǎng)度Tb[i] >0. k時(shí)，初始化故障電弧檢測(cè)程序，并返回步驟⑴；否則轉(zhuǎn)到步驟⑶；(3)T[i] = Ta[i]+Tb[i]將所有八組時(shí)間長(zhǎng)度求和 Sum(T
:T[7])；(4)如果Sum(T
:T[7]) < 0. 5s，計(jì)算相鄰脈沖衰減時(shí)間變化量dT[i] = Tb[i] +Tb[i-1]-Tb[i-2]-Tb[i-3]；否則 i = i+1，轉(zhuǎn)到步驟(1)；(5)判斷當(dāng)前半周波是否存在電弧，如果dT[i] >Tmin，則D[i] = 1 ；如果dT[i]
<Tmin，則 D[i] = 0 ；(6)將所有八個(gè)標(biāo)記量相加Sum (DW]: D [7])，如果Sum (DW]: D [7]) > Dmin，即在 0.5s的時(shí)間跨度內(nèi)有多個(gè)周期電路中發(fā)生電弧，則判定存在故障電弧，發(fā)出脫扣信號(hào)；否則i = i+Ι，轉(zhuǎn)到步驟(1)。一種所述的基于時(shí)頻綜合分析的故障電弧檢測(cè)方法的裝置，其特征在于，包括電流互感器、電壓跟隨電路、幅值檢測(cè)電路、電源模塊、信號(hào)調(diào)理電路、微處理器、脫扣驅(qū)動(dòng)電路、脫扣動(dòng)作機(jī)構(gòu)、復(fù)位電路、測(cè)試電路和LED指示電路，所述的電流互感器分別與電壓跟隨電路、幅值檢測(cè)電路連接，所述的電源模塊分別與電壓跟隨電路、信號(hào)調(diào)理電路、微處理器連接，所述的微處理器分別與幅值檢測(cè)電路、信號(hào)調(diào)理電路、脫扣驅(qū)動(dòng)電路、復(fù)位電路、測(cè)試電路和LED指示電路連接，所述的脫扣驅(qū)動(dòng)電路與脫扣動(dòng)作機(jī)構(gòu)連接。所述的信號(hào)調(diào)理電路包括依次連接的整流電路、濾波電路和放大電路。
所述的放大電路通過RC延時(shí)電路與微處理器連接，通過RC延時(shí)電路將脈沖的強(qiáng)弱轉(zhuǎn)換為衰減時(shí)間的長(zhǎng)短。所述的整流電路可對(duì)小到幾毫伏的信號(hào)進(jìn)行整流，從而減少信號(hào)失真，保證檢測(cè)的準(zhǔn)確性，在整流電路輸出端與地之間并聯(lián)電阻R25和電容C12，在發(fā)生故障電弧時(shí)能夠積分高頻毛刺信號(hào)，保留了故障電弧的特征量。所述的濾波電路包括二階高通濾波器，該二階高通濾波器的截止頻率選為IkHz。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)1)解決了準(zhǔn)確檢測(cè)故障電弧的技術(shù)問題，克服了單純從時(shí)域角度誤判率較高以及單純從頻域角度成本較高不易推廣的缺點(diǎn)。2)借助高頻信號(hào)記錄線路電流的突變點(diǎn)，由在時(shí)域上完全映射突變點(diǎn)的脈沖發(fā)生時(shí)刻和強(qiáng)弱大小變化判斷是否存在故障電弧，其效果與基于小波分析的奇異點(diǎn)檢測(cè)方法很相近，但計(jì)算復(fù)雜度要低得多。3)能夠有效檢測(cè)各類民用負(fù)載情況下的故障電弧，并且當(dāng)線路中存在非故障好弧或者在有類似故障電弧特征的負(fù)載正常運(yùn)行時(shí)不產(chǎn)生誤動(dòng)作。4)基于硬件分立元件的頻域處理降低了對(duì)微處理器的要求，使成本得以降低，便于普及推廣。


圖1為本發(fā)明的硬件結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的具體電路圖；圖3為經(jīng)過整流和高通濾波后的阻性負(fù)載故障電弧信號(hào)波形；圖4為本發(fā)明裝置中微處理器程序流程圖；圖5是圖4中故障電弧檢測(cè)子程序流程圖；圖6是典型民用負(fù)載1500W電水壺故障電弧波形圖；圖7是典型民用負(fù)載1000W調(diào)光燈故障電弧波形圖；圖8是典型民用負(fù)載300W個(gè)人電腦故障電弧波形圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。實(shí)施例如圖1，一種所述的基于時(shí)頻綜合分析的故障電弧檢測(cè)方法的裝置，包括電流互感器1、電壓跟隨電路2、幅值檢測(cè)電路3、電源模塊4、信號(hào)調(diào)理電路5、微處理器6、脫扣驅(qū)動(dòng)電路7、脫扣動(dòng)作機(jī)構(gòu)8、復(fù)位電路9、測(cè)試電路10和LED指示電路11，所述的電流互感器1 分別與電壓跟隨電路2、幅值檢測(cè)電路3連接，所述的電源模塊4分別與電壓跟隨電路2、信號(hào)調(diào)理電路5、微處理器6連接，所述的微處理器6分別與幅值檢測(cè)電路3、信號(hào)調(diào)理電路5、 脫扣驅(qū)動(dòng)電路7、復(fù)位電路9、測(cè)試電路10和LED指示電路11連接，所述的脫扣驅(qū)動(dòng)電路7 與脫扣動(dòng)作機(jī)構(gòu)8連接。所述的信號(hào)調(diào)理電路5包括依次連接的整流電路51、濾波電路52 和放大電路53。具體電路如圖2所示，包括向信號(hào)調(diào)理電路及微處理器提供電源的電源電路，串接在電路零線或火線上的電流互感器TAl，電流互感器TAl 二次側(cè)并聯(lián)負(fù)載電阻R3，輸出端連接電壓跟隨電路提高采樣信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力。電壓跟隨電路輸出端連接幅值檢測(cè)電路以及帶運(yùn)算放大器的精密整流電路。幅值檢測(cè)電路將反映線路電流大小的電壓信號(hào)輸入微處理器 U3。經(jīng)過精密整流電路后的信號(hào)輸入二階高通濾波器，濾波后的信號(hào)經(jīng)過放大和RC延時(shí)電路輸入微處理器采樣端口。帶有復(fù)位電路的微處理器模塊經(jīng)過故障電弧判別，輸出脫扣信號(hào)給脫扣驅(qū)動(dòng)電路控制脫扣電路動(dòng)作。此外保護(hù)裝置還包括LED指示電路等。上述電源電路由阻容降壓方式構(gòu)成。Cl的耐壓等級(jí)至少為電路額定電壓等級(jí)的2 倍，并聯(lián)電阻Rl為Cl提供電荷泄放通道。Cl 一端連接交流電線，另一端作為由D1、D2、D3、 D4組成整流橋的輸入。整流橋輸出端并聯(lián)平滑電容C2，C2的電壓加載于分壓電阻R2與穩(wěn)壓管D5、D6上。D5、D6兩端分別并聯(lián)濾波電容C3、C4，為信號(hào)調(diào)理電路提供電源。D6的輸出還作為三端穩(wěn)壓芯片U2的輸入，U2的輸出與地之間連接濾波電容C5，輸出與輸入之間連接二極管D7。上述電壓跟隨電路由運(yùn)算放大器U1A、并聯(lián)于UlA輸出端與負(fù)向輸入端的電阻R5、 一端連接UlA正向輸入端的電阻R4構(gòu)成。R4的另一端連接電流互感器二次側(cè)輸出端。上述精密整流電路適用于處理幅值較小的信號(hào)，可對(duì)小到幾毫伏的信號(hào)進(jìn)行整流，保證檢測(cè)的準(zhǔn)確性。它由2個(gè)運(yùn)算放大器U1B、U1C，2個(gè)二極管D8、D9、7個(gè)電阻R6、R7、 R8、R9、R10、R11、R12構(gòu)成。D8的負(fù)端連接UlB的負(fù)向輸入端、正端連接UlB的輸出端，D9 的負(fù)端連接UlB的輸出端、正端連接RlO的一端。電壓跟隨電路的輸出信號(hào)連接到R6和R9 的連接點(diǎn)。在精密整流電路輸出端與地之間并聯(lián)電阻R25和電容C12。上述二階高通濾波電路由串接電容C6、C7和接地電阻R13、R14構(gòu)成。運(yùn)算放大器 UlD與并接于其反相輸入端與輸出端的電阻R16、串接于其反相輸入端與地之間的R15 —起構(gòu)成同相比例放大電路。放大電路輸出端連接二極管DlO的正端，DlO的負(fù)端連接由電阻 R17和電容C8構(gòu)成的延時(shí)電路，起到脈沖信號(hào)緩降的作用。二極管Dll使輸入微處理器的信號(hào)電壓幅值在允許范圍內(nèi)。以上三部分電路共同組成濾波、放大、RC延時(shí)電路，與精密整流電路共同構(gòu)成本發(fā)明保護(hù)裝置的信號(hào)調(diào)理電路。上述的微處理器模塊帶有由電阻R18、電容C9和按鈕開關(guān)S2構(gòu)成復(fù)位電路。微處理器U3內(nèi)部自帶高速AD轉(zhuǎn)換功能，實(shí)時(shí)采集經(jīng)過調(diào)理的故障電弧電流信號(hào)以及幅值檢測(cè)信號(hào)，由預(yù)先編制的故障電弧檢測(cè)程序判別是否發(fā)生故障電弧，向脫扣驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出脫扣信號(hào)。上述LED指示電路分為兩組，分別由電阻R23和發(fā)光二極管D16以及電阻RM和發(fā)光二極管D17組成，分別指示故障電弧發(fā)生以及保護(hù)裝置工作情況。上述脫扣驅(qū)動(dòng)電路由電阻R21、R22、光耦U4、三極管Ql組成。R21—端連接微處理器的脫扣信號(hào)發(fā)出端，另一端連接光耦U4的輸入端。R22 —端連接U4的輸出端，另一端連接Ql的基極。二極管D14、D15反接于繼電器二個(gè)控制端，能夠有效保護(hù)三極管Ql免受繼電器開閉時(shí)大電流的影響。按鈕開關(guān)Sl和電容Cll構(gòu)成測(cè)試電路，可定期驗(yàn)證脫扣驅(qū)動(dòng)電路及脫扣動(dòng)作電路有效性。上述幅值檢測(cè)電路由電阻R19、R20，電容C10，二極管D12、D13構(gòu)成。D12正端與電壓跟隨電路輸出端相連，防止電流反相。二極管D13使輸入微處理器的信號(hào)電壓幅值在允許范圍內(nèi)。
圖3是經(jīng)過精密整流和高通濾波后的阻性負(fù)載故障電弧信號(hào)波形。電流互感器采集的電流信號(hào)經(jīng)過精密整流、高通濾波、幅值放大等處理步驟后，信號(hào)在濾除基波的同時(shí)很好地保留了突變信息，并將不同大小的突變以不同高低的脈沖形式表現(xiàn)。高低不同的脈沖經(jīng)過RC延時(shí)電路后，其衰減時(shí)間差異明顯，基于這一特征，記錄高于閾值Vth的時(shí)間長(zhǎng)度 Ta
:Ta[7]和低于閾值Vth的時(shí)間長(zhǎng)度lH0]:Tb[7]作為故障電弧判斷的判據(jù)。圖4是本發(fā)明裝置中微處理器程序流程圖。如圖4所示，微處理器的工作流程如下1)上電復(fù)位；2)系統(tǒng)初始化；3)參數(shù)初始化，參量賦值；4)開啟定時(shí)中斷，啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換；5)微處理器以時(shí)間Tsample作為采樣間隔，實(shí)時(shí)采集信號(hào)調(diào)理電路和幅值檢測(cè)電路的輸出電壓信號(hào)；6)根據(jù)設(shè)定的閾值V。VCT判斷輸出電壓信號(hào)Vamp是否發(fā)生過電流故障，若Vamp < V。VCT，則電路未發(fā)生過電流，繼續(xù)執(zhí)行步驟7)；若Vamp > V。VCT，則電路發(fā)生過電流，跳轉(zhuǎn)到步驟10)；7)由Vamp設(shè)定故障電弧檢測(cè)子程序中的各閾值Vth，Tmin, Dmin ；8)執(zhí)行故障電弧檢測(cè)子程序；9)若未發(fā)生故障電弧，跳轉(zhuǎn)到步驟5)；若發(fā)生故障電弧，跳轉(zhuǎn)到步驟10)；10)微處理器發(fā)出脫扣信號(hào)驅(qū)動(dòng)脫扣動(dòng)作機(jī)構(gòu)斷開電路，直到復(fù)位按鈕按下，電路
重新導(dǎo)通。所述的步驟幻系統(tǒng)初始化包括I/O 口配置、A/D采樣方式、采樣率配置、系統(tǒng)時(shí)鐘、 定時(shí)器配置。所述的步驟7)中的Vth，Tmin, Dmin的含義如下l)Vth為脈沖閾值，當(dāng)脈沖小于脈沖閾值Vth時(shí)，判定不是由電弧故障引起，忽略這些突變點(diǎn)；2)Tmin為相鄰脈沖衰減時(shí)間變化量閾值，當(dāng)被測(cè)信號(hào)衰減時(shí)間變化量小于閾值 Tmin時(shí)，判定電流突變信號(hào)是由正常負(fù)載引起的；3) Dmin為電弧半波數(shù)閾值，從第一個(gè)幅值超過Vth的脈沖開始循環(huán)統(tǒng)計(jì)，在設(shè)定時(shí)間段內(nèi)，大于閾值Vth且相鄰衰減時(shí)間變化量大于閾值Tmin的脈沖個(gè)數(shù)超過閾值Dmin， 則判定發(fā)生故障電弧。所述的Vth，Tmin, Dmin的大小由幅值檢測(cè)電路輸出電壓Vamp高低決定，根據(jù)線路電流等級(jí)選定的閾值，有利于對(duì)不同功率大小、不同種類的負(fù)載提供故障電弧保護(hù)。如圖5所示，所述的步驟8)的故障電弧檢測(cè)子程序步驟如下(1)實(shí)時(shí)采樣經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路后的信號(hào)Sample_V，將Sample_V與脈沖閾值Vth 相比較，計(jì)算Sample_V > Vth的時(shí)間長(zhǎng)度Ta[i] ；Sample_V < Vth的時(shí)間長(zhǎng)度Tb[i]；(2)當(dāng)小于閾值的時(shí)間長(zhǎng)度Tb[i] >0. k時(shí)，初始化故障電弧檢測(cè)程序，并返回步驟⑴；否則轉(zhuǎn)到步驟⑶；(3)T[i] = Ta [i]+Tb [i]，將所有八組時(shí)間長(zhǎng)度求和 Sum (Τ W]: T [7])；
(4)如果Sum(T
:T[7]) < 0. 5s，計(jì)算相鄰脈沖衰減時(shí)間變化量dT[i] = Tb[i] +Tb[i-1]-Tb[i-2]-Tb[i-3]；否則 i = i+1，轉(zhuǎn)到步驟(1)；(5)判斷當(dāng)前半周波是否存在電弧，如果dT[i] > Tmin，則D[i] = 1 ；如果dT[i] < Tmin，則 D[i] = 0 ；(6)將所有八個(gè)標(biāo)記量相加Sum (DW]: D [7])，如果Sum (DW]: D [7]) > Dmin，即在 0.5s的時(shí)間跨度內(nèi)有多個(gè)周期電路中發(fā)生電弧，則判定存在故障電弧，發(fā)出脫扣信號(hào)；否則i = i+Ι，轉(zhuǎn)到步驟(1)。注i的取值為0 7，當(dāng)i = 8時(shí)，將i的值設(shè)為0。程序使用循環(huán)存儲(chǔ)的方式儲(chǔ)存剛D [7]，Ta
Ta [7]，Tb
Tb [7]，T
T [7]，能夠有效節(jié)省內(nèi)存。Vth, Tmin, Dmin為根據(jù)電路電流等級(jí)選定的閾值，具有自適應(yīng)調(diào)節(jié)特性的閾值選定有利于對(duì)不同功率大小、不同種類的負(fù)載提供故障電弧保護(hù)。圖6是1500W電水壺故障電弧波形圖，通道1為負(fù)載電流波形；通道2為經(jīng)過精密整流和高通濾波的脈沖信號(hào)，作為微處理器故障電弧檢測(cè)程序的判據(jù)；通道3為微處理器脫扣信號(hào)輸出，高電平對(duì)應(yīng)脫扣，繼電器動(dòng)作；通道4為電弧兩端電壓波形。如圖所示，在正常運(yùn)行時(shí)負(fù)載電流波形為正弦波，經(jīng)過調(diào)理電路的作用，通道2顯示為零電平的直線；在發(fā)生故障電弧時(shí)負(fù)載電流波形存在“平肩部”和突變，在通道2中存在反映“平肩部”大小和突變程度的脈沖信號(hào)。微處理器實(shí)時(shí)采集通道2中的信號(hào)，在發(fā)生第八個(gè)半周波電弧時(shí)，微處理器發(fā)出脫扣信號(hào)驅(qū)動(dòng)斷路機(jī)構(gòu)動(dòng)作。圖7是1000W調(diào)光燈故障電弧波形圖，圖8是300W個(gè)人電腦故障電弧波形圖。調(diào)光燈和個(gè)人電腦是典型的電力電子開關(guān)電源，在正常運(yùn)行時(shí)負(fù)載電流波形就存在周期性的 “平肩部”和突變。如圖7所示，正常運(yùn)行時(shí)在通道2中存在脈沖信號(hào)。通過故障電弧檢測(cè)程序中相鄰脈沖衰減時(shí)間變化量閾值能夠有效區(qū)分故障電弧和有著類似故障電弧特征的正常運(yùn)行負(fù)載，從而避免誤動(dòng)作。當(dāng)電路中發(fā)生八個(gè)半周波故障電弧后，微處理器才發(fā)出脫扣信號(hào)，這點(diǎn)可由圖7得到驗(yàn)證。本發(fā)明不局限于以上具體實(shí)施方式
，只要采用了本發(fā)明提出的基于時(shí)頻綜合分析的故障電弧檢測(cè)方法，無論采用何種信號(hào)調(diào)理電路或者脫扣驅(qū)動(dòng)電路或者脫扣動(dòng)作機(jī)構(gòu)或者微處理器等其它同等替換，都落入本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于時(shí)頻綜合分析的故障電弧檢測(cè)方法，其特征在于，包括以下步驟1)上電復(fù)位；2)系統(tǒng)初始化；3)參數(shù)初始化，參量賦值；4)開啟定時(shí)中斷，啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換；5)微處理器以時(shí)間Tsample作為采樣間隔，實(shí)時(shí)采集信號(hào)調(diào)理電路和幅值檢測(cè)電路的輸出電壓信號(hào)；6)根據(jù)設(shè)定的閾值V。VCT判斷輸出電壓信號(hào)Vamp是否發(fā)生過電流故障，若Vamp< Vover,則電路未發(fā)生過電流，繼續(xù)執(zhí)行步驟7)；若Vamp >V。VCT，則電路發(fā)生過電流，跳轉(zhuǎn)到步驟10)；7)由Vamp設(shè)定故障電弧檢測(cè)子程序中的各閾值Vth，Tmin,Dmin ；8)執(zhí)行故障電弧檢測(cè)子程序；9)若未發(fā)生故障電弧，跳轉(zhuǎn)到步驟5)；若發(fā)生故障電弧，跳轉(zhuǎn)到步驟10)；10)微處理器發(fā)出脫扣信號(hào)驅(qū)動(dòng)脫扣動(dòng)作機(jī)構(gòu)斷開電路，直到復(fù)位按鈕按下，電路重新導(dǎo)通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于時(shí)頻綜合分析的故障電弧檢測(cè)方法，其特征在于， 所述的步驟2)系統(tǒng)初始化包括I/O 口配置、A/D采樣方式、采樣率配置、系統(tǒng)時(shí)鐘、定時(shí)器配置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于時(shí)頻綜合分析的故障電弧檢測(cè)方法，其特征在于， 所述的步驟7)中的Vth，Tmin, Dmin的含義如下1)Vth為脈沖閾值，當(dāng)脈沖小于脈沖閾值Vth時(shí)，判定不是由電弧故障引起，忽略這些突變點(diǎn)；2)Tmin為相鄰脈沖衰減時(shí)間變化量閾值，當(dāng)被測(cè)信號(hào)衰減時(shí)間變化量小于閾值Tmin 時(shí)，判定電流突變信號(hào)是由正常負(fù)載引起的；3)Dmin為電弧半波數(shù)閾值，從第一個(gè)幅值超過Vth的脈沖開始循環(huán)統(tǒng)計(jì)，在設(shè)定時(shí)間段內(nèi)，大于閾值Vth且相鄰衰減時(shí)間變化量大于閾值Tmin的脈沖個(gè)數(shù)超過閾值Dmin，則判定發(fā)生故障電弧。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于時(shí)頻綜合分析的故障電弧檢測(cè)方法，其特征在于， 所述的Vth，Tmin, Dmin的大小由幅值檢測(cè)電路輸出電壓Vamp高低決定，根據(jù)線路電流等級(jí)選定的閾值，有利于對(duì)不同功率大小、不同種類的負(fù)載提供故障電弧保護(hù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于時(shí)頻綜合分析的故障電弧檢測(cè)方法，其特征在于， 所述的步驟8)的故障電弧檢測(cè)子程序步驟如下(1)實(shí)時(shí)采樣經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路后的信號(hào)Sample_V，將Sample_V與脈沖閾值Vth相比較，計(jì)算Sample_V > Vth的時(shí)間長(zhǎng)度Ta[i] ；Sample_V < Vth的時(shí)間長(zhǎng)度Tb[i]；(2)當(dāng)小于閾值的時(shí)間長(zhǎng)度Tb[i]>0』s時(shí)，初始化故障電弧檢測(cè)程序，并返回步驟 (1)；否則轉(zhuǎn)到步驟⑶；(3)T[i]=Ta[i]+Tb[i]，將所有八組時(shí)間長(zhǎng)度求和 Sum(TW]:T[7])；(4)如果Sum(T
:T[7]) < 0. 5s，計(jì)算相鄰脈沖衰減時(shí)間變化量dT[i] = Tb[i] +Tb[i-1]-Tb[i-2]-Tb[i-3]；否則 i = i+1，轉(zhuǎn)到步驟(1)；(5)判斷當(dāng)前半周波是否存在電弧，如果dT[i]> Tmin, PJ D [i] = 1;如果dT[i]< Tmin，則 D[i] = 0 ；(6)將所有八個(gè)標(biāo)記量相加Sum(D
:D[7])，如果Sum(D
:D[7]) > Dmin,即在0. 5s 的時(shí)間跨度內(nèi)有多個(gè)周期電路中發(fā)生電弧，則判定存在故障電弧，發(fā)出脫扣信號(hào)；否則i = i+Ι，轉(zhuǎn)到步驟(1)。
6.一種如權(quán)利要求1所述的基于時(shí)頻綜合分析的故障電弧檢測(cè)方法的裝置，其特征在于，包括電流互感器、電壓跟隨電路、幅值檢測(cè)電路、電源模塊、信號(hào)調(diào)理電路、微處理器、 脫扣驅(qū)動(dòng)電路、脫扣動(dòng)作機(jī)構(gòu)、復(fù)位電路、測(cè)試電路和LED指示電路，所述的電流互感器分別與電壓跟隨電路、幅值檢測(cè)電路連接，所述的電源模塊分別與電壓跟隨電路、信號(hào)調(diào)理電路、微處理器連接，所述的微處理器分別與幅值檢測(cè)電路、信號(hào)調(diào)理電路、脫扣驅(qū)動(dòng)電路、復(fù)位電路、測(cè)試電路和LED指示電路連接，所述的脫扣驅(qū)動(dòng)電路與脫扣動(dòng)作機(jī)構(gòu)連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于時(shí)頻綜合分析的故障電弧檢測(cè)方法的裝置，其特征在于，所述的信號(hào)調(diào)理電路包括依次連接的整流電路、濾波電路和放大電路。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種基于時(shí)頻綜合分析的故障電弧檢測(cè)方法的裝置，其特征在于，所述的放大電路通過RC延時(shí)電路與微處理器連接，通過RC延時(shí)電路將脈沖的強(qiáng)弱轉(zhuǎn)換為衰減時(shí)間的長(zhǎng)短。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種基于時(shí)頻綜合分析的故障電弧檢測(cè)方法的裝置，其特征在于，所述的整流電路可對(duì)小到幾毫伏的信號(hào)進(jìn)行整流，從而減少信號(hào)失真，保證檢測(cè)的準(zhǔn)確性，在整流電路輸出端與地之間并聯(lián)電阻R25和電容C12，在發(fā)生故障電弧時(shí)能夠積分高頻毛刺信號(hào)，保留了故障電弧的特征量。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種基于時(shí)頻綜合分析的故障電弧檢測(cè)方法的裝置，其特征在于，所述的濾波電路包括二階高通濾波器，該二階高通濾波器的截止頻率選為1kHz。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于時(shí)頻綜合分析的故障電弧檢測(cè)方法及其裝置，其中方法包括1)上電復(fù)位；2)系統(tǒng)初始化；3)參數(shù)初始化，參量賦值；4)開啟定時(shí)中斷，啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換；5)微處理器以時(shí)間Tsample作為采樣間隔，實(shí)時(shí)采集信號(hào)調(diào)理電路和幅值檢測(cè)電路的輸出電壓信號(hào)等步驟；其中裝置包括電流互感器、電壓跟隨電路、幅值檢測(cè)電路、電源模塊、信號(hào)調(diào)理電路、微處理器、脫扣驅(qū)動(dòng)電路、脫扣動(dòng)作機(jī)構(gòu)、復(fù)位電路、測(cè)試電路和LED指示電路。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有計(jì)算復(fù)雜度低、安全性高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01R31/08GK102375107SQ20111028083
公開日2012年3月14日 申請(qǐng)日期2011年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月20日
發(fā)明者張士文, 張峰, 曹潘亮, 陳洪亮, 顧昊英 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)