專利名稱：串聯(lián)故障電弧預警系統(tǒng)及其檢測方法
技術領域：
本發(fā)明涉及檢測技術，特別涉及一種串聯(lián)故障電弧預警系統(tǒng)及其檢測方法。
背景技術：
據(jù)2005年的《中國消防年鑒》的統(tǒng)計，2004年一共發(fā)生火災142568起，其中電氣火災有2948起，占總火災數(shù)的20.7%。電氣火災導致了 398人死亡，427人受傷，直接經(jīng)濟損失達到了 48億元，占被調(diào)查火災總損失的42%。在特大火災中，電氣火災有10起，占總數(shù)27起的37%，直接經(jīng)濟損失達到21億元，占了 74%。電氣火災已給人民群眾生命安全和國家財產(chǎn)帶來了嚴重威脅。而在引起電氣火災的眾多原因中，故障電弧則是最主要的原因之一 O故障電弧的發(fā)生方式一般可分為串行電弧，并行電弧及接地電弧三種，串聯(lián)電弧由于其故障電弧發(fā)生時，電流較小，而且故障電弧的特性隨負載類型和大小的影響，因而更難準確檢測，所以危險性也相對較大。目前，國內(nèi)外電弧檢測的方法大致可以歸納為三類:(I)建立電弧模型，并通過檢測相應的參量檢測電弧，但由于這種方法使用條件的限制，且需要檢測的參數(shù)過多，目前，利用此方法來進行故障電弧的檢測進展十分緩慢，一般僅僅停留在仿真階段；(2)根據(jù)電弧發(fā)生時所產(chǎn)生的物理現(xiàn)象來檢測電弧，根據(jù)電弧的形成過程可以發(fā)現(xiàn)，電弧形成時，會伴隨著一些明顯的物理現(xiàn)象，如弧光，噪聲，輻射，溫度變化等等。在配電柜中產(chǎn)生電弧，由于電流較大，這些物理現(xiàn)象非常明顯，表現(xiàn)為高溫、高壓、噪聲等，利用此法可以較好的檢測出故障電弧的發(fā)生。

而在家庭或者公共場所供配電系統(tǒng)中，需要檢測的范圍很大，且電弧發(fā)生時的物理現(xiàn)象相對較弱，用這種方法不容易檢測到電弧的發(fā)生。所以通過檢測故障電弧發(fā)生時的物理現(xiàn)象，來達到判斷是否有故障電弧發(fā)生的方法，不適用于大規(guī)模的故障電弧的檢測與預防。(3)根據(jù)電弧發(fā)生時的電流、電壓波形變化檢測電弧。當發(fā)生電弧時，電路中的電壓和電流會因為電路中產(chǎn)生了電弧而發(fā)生突變，用小波變換、三周期法等對此時的電壓電流波形進行分析，特征量提取，可以判斷出電弧的發(fā)生與否。利用小波變換對電弧的電流信號進行分析，可以反映電流信號突變的時刻，還能夠檢測到突變的大小。然后再對這些信息進行綜合性的分析，可以有效檢測故障電弧。但由于在電網(wǎng)中存在一些與故障電弧的波形相似的電流波形，所以能否準確區(qū)分故障電弧還是正常波形是小波變換面臨的重要問題。在專利《檢測電弧故障的設備和方法》中，提供了三周期算法(即TCA)的含義，表達如下: TCA = I ( I V[n-l]_V[n] I + I V[n+1]-V[n] 1-1 V[n+1]-V[η_!] I )其中，Vtl]表示與第一線電壓周期相應的第一電壓測量結(jié)果，νω代表與第二線電壓周期相應的第二電壓測量結(jié)果，并且，V[n+1]代表與第三線電壓周期相應的第三電壓測量結(jié)果。TCA可用于確定電壓的波動，從而可以區(qū)分故障電弧和擾亂負荷。但是，該專利進行采樣后，需要對采樣信號進行傅氏變換，這就需要時間較長的計算，需要更高性能的微處理器，造成計算復雜和硬件系統(tǒng)成本很高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服上述缺陷，提供一種串聯(lián)故障電弧檢測的系統(tǒng)和方法，可以準確區(qū)分故障電弧與正常波形，節(jié)省計算時間，并采用更為經(jīng)濟的微處理器，實現(xiàn)可靠、有效的串聯(lián)故障電弧檢測，為工作人員提供及時有效的預警信息。為達到上述目的，本發(fā)明提供的串聯(lián)故障電弧預警系統(tǒng)，包括電源電路、電流互感器、電流感測電路和信號調(diào)理電路，還包括微處理器、故障輸出電路以及與電網(wǎng)相連的電壓過零比較電路，所述電流互感器、電流感測電路、信號調(diào)理電路與所述微處理器依次相連，所述電壓過零比較電路和故障輸出電路分別與所述微處理器相連，所述電流互感器采集電網(wǎng)中的電流信號，經(jīng)過所述電流感測電路將電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，再經(jīng)過所述信號調(diào)理電路輸入所述微處理器，所述電壓過零比較電路輸出電壓過零脈沖信號至所述微處理器，所述微處理器的控制序列執(zhí)行如下步驟:步驟101，微控制器初始化；步驟102，寄存器配置，包括AD寄存器和定時器寄存器；步驟103，判斷電網(wǎng)電壓幅值從負至正過零點標志位ZeroFlag是否為0，當其為O時，執(zhí)行步驟104 ;否則，等待，直至ZeroFlag為O ；步驟104，對相鄰兩個周期的電流值進行差值計算，得Yk=X2(k)_Xl(k)，其中，k=l，2，…，N;步驟105，用均方根法計算系數(shù)Z的值:
權利要求
1.一種串聯(lián)故障電弧預警系統(tǒng)，包括電源電路(I)、電流互感器(CT)、電流感測電路(2)和信號調(diào)理電路(3)，其特征在于:還包括微處理器(5)、故障輸出電路(6)以及與電網(wǎng)相連的電壓過零比較電路(4)，所述電流互感器(CT)、電流感測電路(2)、信號調(diào)理電路(3)與所述微處理器(5)依次相連，所述電壓過零比較電路(4)和故障輸出電路(6)分別與所述微處理器(5)相連，所述電流互感器(CT)采集電網(wǎng)中的電流信號，經(jīng)過所述電流感測電路(2)將電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，再經(jīng)過所述信號調(diào)理電路(3)輸入所述微處理器(5)，所述電壓過零比較電路(4)輸出電壓過零脈沖信號至所述微處理器(5)，所述微處理器(5)的控制序列執(zhí)行如下步驟: 步驟101，微控制器初始化；步驟102，寄存器配置，包括AD寄存器和定時器寄存器；步驟103，判斷電網(wǎng)電壓幅值從負至正過零點標志位ZeroFlag是否為0，當其為O時，執(zhí)行步驟104 ;否則，等待，直至ZeroFlag為O ； 步驟104，對相鄰兩個周期的電流值進行差值計算，得Yk=X2 (k) -Xl (k)，其中，k=l, 2，…,N； 步驟105，用均方根法計算系數(shù)Z的值'Z 二中，Y1" Y2，...，Yn為相鄰兩周期對應的N個采樣點的差值，并設置系數(shù)Z的閥值為第一閥值； 步驟106，計算相鄰兩個Z值之間的變化家S = IZ”+1—Z"l其中，Zn為第η個系數(shù) Zn ，Z的值，Ζη+2為第η+1個系數(shù)Z的值，并設置變化率δ的閥值為第二閥值； 步驟107，判斷Z的值是否大于等于第一閥值Zb的值，如果大于等于Zb，執(zhí)行步驟108 ；否則，返回步驟103 ； 步驟108，判斷δ的值是否大于等于第二閥值Sb的值，如果大于等于Sb，執(zhí)行步驟109 ;否則，返回步驟103 ； 步驟109，設置電弧事件次數(shù)的閥值為第三閥值，判斷計時器是否正在計時，如果計時器正在計時，執(zhí)行步驟110 ;否則，執(zhí)行步驟111 ； 步驟110，計數(shù)器進行加一，表示出現(xiàn)了一次電弧周期； 步驟111，計時器開始計時，計數(shù)器進行加一； 步驟112，判斷計時器是否達到0.5s,如果達到0.5s,執(zhí)行步驟113 ;否則返回步驟103 ； 步驟113，判斷計數(shù)器是否大于等于第三閥值及發(fā)生電弧次數(shù)閥值，如果大于等于第三閥值，執(zhí)行步驟114 ;否則，執(zhí)行步驟115 ； 步驟114，輸出故障電弧發(fā)生的預警消息，經(jīng)所述故障輸出電路(6)控制蜂鳴器響； 步驟115，清計時器、計數(shù)器。
2.根據(jù)權利要求1所述的串聯(lián)故障電弧預警系統(tǒng)，其特征在于:其中所述電流感測電路(2)包括RC濾波器，所述電流互感器(CT)安裝在電網(wǎng)的零線或火線上，其輸出信號接至RC濾波器，RC濾波器的輸出端與信號調(diào)理電路(3)相連。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的串聯(lián)故障電弧預警系統(tǒng)，其特征在于:其中所述信號調(diào)理電路(3)包括低通濾波器(U31)和與之相連的加法器(U32)，所述低通濾波器(U31)與電流感測電路(2)相連，加法器(U32)的輸出端與微處理器(5)相連。
4.根據(jù)權利要求3所述的串聯(lián)故障電弧預警系統(tǒng)，其特征在于:其中所述電壓過零比較電路(4)包括依次相連的分壓電路、比較器(U41)和整形電路，電網(wǎng)接入分壓電路，整形電路輸出端與微處理器(5)的輸入端相連。
5.根據(jù)權利要求4所述的串聯(lián)故障電弧預警系統(tǒng)，其特征在于:其中所述故障輸出電路(6)包括蜂鳴器。
6.一種串聯(lián)電弧故障檢測方法，其特征在于:該方法設置電源電路(I)、電流互感器(CT)、電流感測電路(2)、信號調(diào)理電路(3)、電壓過零比較電路(4)、微處理器(5)和故障輸出電路(6)，該方法包括: 1)由電網(wǎng)電壓幅值從負至正的過零點開始采集原始負載電流Xi(η),其中:η=0，I, 2，3，…，Ν-1，N為采集點數(shù)，N=T/Ts, T為電網(wǎng)電壓周期，Ts為采樣周期； 2)計算相鄰兩個周期采集到的每個采樣點電流值的差值； 3)由N個采樣點電流值的差值利用均方根公式計算系數(shù)Z值； 4)對相鄰兩個周期的Z值進行變化率分析，計算系數(shù)Z變化率δ； 5)設置系數(shù)Z的閥值為第一閥值，系數(shù)Z變化率δ的閥值為第二閥值，電弧事件次數(shù)M的閥值為第三閥值； 6)判斷由第i周期和i+Ι周期計算出的Z值是否大于等于所述第一閥值； 7)判斷由Z值變化率δ是否大于等于所述第二閥值； 8)若當前第i周期滿足以下條件:a)系數(shù)Ζ>=第一閥值，b)變化率δ>=第二閥值，則判斷第i周期為故障電弧周期 ； 9)若在規(guī)定時間t內(nèi)，電弧事件次數(shù)M>=第三閥值，則判斷此時發(fā)生了故障電弧，輸出故障電弧發(fā)生信號。
7.根據(jù)權利要求6所述的方法，其特征在于:其中所述步驟I)包括: a)判斷電網(wǎng)電壓幅值從負至正過零點標志位ZeroFlag是否為I,如果ZeroFlag為I,執(zhí)行步驟b)； b)啟動A/D采樣，采集負載電流信號，每個周期均采集N個點，則第i個周期電流采樣值為Xi (n)，其中，n=0，I, 2，…，N_l，N=T/Ts, T為電網(wǎng)周期，Ts為采集周期； c)當信號采集的個數(shù)達到N時，執(zhí)行步驟d)，否則，中斷返回； d)對η和ZeroFlag清零,準備下一周期采樣。
8.根據(jù)權利要求6或7所述的方法，其特征在于:其中所述步驟2)包括將第二個周期的第一個采樣點的值減去第一個周期第一個采樣點的值，設為Yk=X2(k)-Xl(k)，其中，X2(l)為第二個周期第一個點的數(shù)值，Xl(I)為第一個周期第一個點的數(shù)值，以此類推，得到Y(jié)1,，Y2，...，Yn共N 個值。
9.根據(jù)權利要求8所述的方法，其特征在于:其中所述步驟3)計算系數(shù)Z采用下述公式:
10.根據(jù)權利要求9所述的方法，其特征在于:其中所述步驟4)計算相鄰兩個Z值之間的變化率采用下述公式:
全文摘要
本發(fā)明提供的串聯(lián)故障電弧預警系統(tǒng)，包括電源電路、電流互感器、電流感測電路、信號調(diào)理電路、電壓過零比較電路、微處理器和故障輸出電路。電流互感器、電流感測電路、信號調(diào)理電路與微處理器依次相連，電壓過零比較電路和故障輸出電路分別與微處理器相連，電流互感器采集電網(wǎng)中的電流信號，經(jīng)過電流感測電路將電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，再經(jīng)過信號調(diào)理電路輸入微處理器，電壓過零比較電路輸出電壓過零脈沖信號至微處理器。本發(fā)明還提供了串聯(lián)電弧故障的檢測方法。其優(yōu)點在于由于采樣后直接對信號在時域上進行處理，省去了復雜的傅氏變換，可以準確區(qū)分故障電弧與正常波形，節(jié)省了計算時間，可以采用更為經(jīng)濟的微處理器來實現(xiàn)串聯(lián)故障電弧檢測，檢測可靠、有效，為工作人員提供及時有效的預警信息。
文檔編號G01R31/00GK103116093SQ201310025980
公開日2013年5月22日 申請日期2013年1月22日 優(yōu)先權日2013年1月22日
發(fā)明者盧其威, 巫海東, 王肅珂, 王潤楠, 孔德煜 申請人:中國礦業(yè)大學(北京)