一種串聯(lián)故障電弧檢測(cè)裝置及檢測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電氣保護(hù)領(lǐng)域，特別是涉及一種串聯(lián)故障電弧檢測(cè)裝置及檢測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和人民生活水平質(zhì)量的不斷提高，各種復(fù)雜建筑大量涌現(xiàn)， 其內(nèi)部線路越來(lái)越復(fù)雜，這都為防火帶來(lái)許多新困難。住宅內(nèi)電氣線路和設(shè)備（插座、家用 電器）存在不良的電氣連接或內(nèi)部線路由于長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)負(fù)荷運(yùn)行等情況，使電線出現(xiàn)絕緣 層老化，絕緣效果降低，都可能發(fā)生故障電弧，故障電弧易引燃線路或周圍可燃物造成電氣 火災(zāi)的發(fā)生。美國(guó)NEC(National Electrical Code)估計(jì)約40%的住宅火災(zāi)是由故障電弧 引起的。
[0003] 由于發(fā)生故障電弧時(shí)，電路中同一點(diǎn)較正常電流小，一般的漏電與過(guò)流斷路器無(wú) 法檢測(cè)，因此需要在電力線路中安裝故障電弧斷路器(AFCI)，若檢測(cè)到故障電弧就切斷電 路。國(guó)外AFCI已經(jīng)十分普遍，而國(guó)內(nèi)少數(shù)公司AFCI產(chǎn)品主要用于出口，且目前大多數(shù)AFCI 產(chǎn)品的適用范圍較小，對(duì)于有類似電弧特征的負(fù)載沒(méi)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(guò)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。
[0004] 根據(jù)發(fā)生故障電弧時(shí)電流特征，提出了多種故障電弧檢測(cè)的方法，目前大多數(shù)故 障電弧檢測(cè)的方法有小波變換法，F(xiàn)FT+神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法以及高頻電流頻譜分析法。其中小波變 換法，檢測(cè)故障電弧的有效性高，但算法復(fù)雜計(jì)算復(fù)雜度為FFT的1. 5倍；FFT+神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)需要用大量的數(shù)據(jù)不斷重復(fù)訓(xùn)練才能達(dá)到較為準(zhǔn)確的檢測(cè)，過(guò)程繁瑣。高頻電 流頻譜分析法，需要采集波形的頻率達(dá)到50kHz~100kHz，這對(duì)采樣頻率要求較高，增加了 成本。因此，研究出一種新型串聯(lián)故障電弧檢測(cè)的方法十分必要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種串聯(lián)故障電弧檢測(cè)裝置及檢測(cè) 方法，提高了檢測(cè)準(zhǔn)確率，降低了成本，安全可靠。
[0006] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是： 一種串聯(lián)故障電弧檢測(cè)裝置，包括： 負(fù)載； 電流連續(xù)采集模塊，與負(fù)載的輸出端連接，用于連續(xù)采集電流數(shù)據(jù)； 信號(hào)預(yù)處理模塊，與電流連續(xù)采集模塊的輸出端連接，用于對(duì)采集電流數(shù)據(jù)進(jìn)行滑動(dòng) 平均處理； 故障電弧處理和分析模塊，與信號(hào)預(yù)處理模塊的輸出端連接，用于計(jì)算每半周期電流 變化率和諧波時(shí)域波形的有效值，以及每周期前N次諧波和，N為固定預(yù)設(shè)值，根據(jù)與預(yù)設(shè) 對(duì)應(yīng)閾值比較的結(jié)果判斷該半周期是否發(fā)生故障電弧，通過(guò)電弧發(fā)生次數(shù)識(shí)別電弧并發(fā)出 相應(yīng)命令。
[0007] 較佳地，所述檢測(cè)裝置還包括聲光報(bào)警模塊，用于根據(jù)故障電弧處理與分析模塊 命令決定是否進(jìn)行聲光報(bào)警。
[0008] 較佳地，所述聲光報(bào)警模塊由揚(yáng)聲器及發(fā)光二極管組成。
[0009] 較佳地，所述檢測(cè)裝置還包括與故障電弧處理和分析模塊輸出端電連接的驅(qū)動(dòng)模 塊，驅(qū)動(dòng)模塊的輸出端連接脫扣控制模塊，脫扣控制模塊的輸出端連接負(fù)載，根據(jù)故障電弧 處理與分析模塊命令決定是否斷開(kāi)負(fù)載電路。
[0010] 較佳地，所述檢測(cè)裝置還包括通信模塊，用于通過(guò)RS485接口與外界通信。
[0011] 較佳地，所述通信模塊上設(shè)置RS485接口，通過(guò)RS485接口與外界通信。
[0012] 較佳地，所述電流連續(xù)采集模塊由A/D轉(zhuǎn)換器組成，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器以固定采樣率 連續(xù)采集電流。
[0013] 一種基于所述的串聯(lián)故障電弧檢測(cè)裝置的檢測(cè)方法，包括如下步驟： 步驟1.所述的串聯(lián)故障電弧檢測(cè)裝置上電后，連續(xù)采集前L個(gè)周期的電流數(shù)據(jù)，L為 預(yù)設(shè)定值，根據(jù)需要調(diào)整； 步驟2.對(duì)采集的電流數(shù)據(jù)進(jìn)行滑動(dòng)平均處理； 步驟3.電流數(shù)據(jù)處理完成后，判斷電網(wǎng)電流幅值從負(fù)至正過(guò)零點(diǎn)標(biāo)志位是否為零，若 為零，將從該點(diǎn)以后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，否則繼續(xù)等待，直至標(biāo)志位為零； 步驟4.根據(jù)采集前L個(gè)周期的電流數(shù)據(jù)計(jì)算每個(gè)周期電流變化率，求出電流變化率峰 值與均值的比值，把比值小于閾值^的最小值的周期作為參考周期； 步驟5.對(duì)采集的電流數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行以下處理：計(jì)算每半周期電流變化率峰值與均值 的比值D1，設(shè)置閾值為第一閾值；計(jì)算采集的前L個(gè)周期的電流數(shù)據(jù)中，各周期與參考 周期前K次諧波和的比值D2,設(shè)置閾值為第二閾值，K的值根據(jù)需要設(shè)定；采集的前 L個(gè)周期的電流數(shù)據(jù)中，計(jì)算半周期與參考周期諧波時(shí)域波形的有效值差值D3,設(shè)置閾值 為第三閾值； 步驟6.若滿5
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種串聯(lián)故障電弧檢測(cè)裝置，其特征在于，包括： 負(fù)載； 電流連續(xù)采集模塊，與負(fù)載的輸出端連接，用于連續(xù)采集電流數(shù)據(jù)； 信號(hào)預(yù)處理模塊，與電流連續(xù)采集模塊的輸出端連接，用于對(duì)采集電流數(shù)據(jù)進(jìn)行滑動(dòng) 平均處理； 故障電弧處理和分析模塊，與信號(hào)預(yù)處理模塊的輸出端連接，用于計(jì)算每半周期電流 變化率和諧波時(shí)域波形的有效值，以及每周期前N次諧波和，N為固定預(yù)設(shè)值，根據(jù)與預(yù)設(shè) 對(duì)應(yīng)閾值比較的結(jié)果判斷該半周期是否發(fā)生故障電弧，通過(guò)電弧發(fā)生次數(shù)識(shí)別電弧并發(fā)出 相應(yīng)命令。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的串聯(lián)故障電弧檢測(cè)裝置，其特征在于：所述檢測(cè)裝置還包括 聲光報(bào)警模塊，用于根據(jù)故障電弧處理與分析模塊命令決定是否進(jìn)行聲光報(bào)警。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的串聯(lián)故障電弧檢測(cè)裝置，其特征在于：所述聲光報(bào)警模塊由 揚(yáng)聲器及發(fā)光二極管組成。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的串聯(lián)故障電弧檢測(cè)裝置，其特征在于：所述檢測(cè)裝置還包括 與故障電弧處理和分析模塊輸出端電連接的驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)模塊的輸出端連接脫扣控制模 塊，脫扣控制模塊的輸出端連接負(fù)載，根據(jù)故障電弧處理與分析模塊命令決定是否斷開(kāi)負(fù) 載電路。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的串聯(lián)故障電弧檢測(cè)裝置，其特征在于：所述檢測(cè)裝置還包括 通信模塊，用于通過(guò)RS485接口與外界通信。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的串聯(lián)故障電弧檢測(cè)裝置，其特征在于：所述通信模塊上設(shè)置 RS485接口，通過(guò)RS485接口與外界通信。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的串聯(lián)故障電弧檢測(cè)裝置，其特征在于：所述電流連續(xù)采集模 塊由A/D轉(zhuǎn)換器組成，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器以固定采樣率連續(xù)采集電流。
8. -種基于權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的串聯(lián)故障電弧檢測(cè)裝置的檢測(cè)方法，其特征 在于，包括如下步驟： 步驟1.權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的串聯(lián)故障電弧檢測(cè)裝置上電后，連續(xù)采集前L個(gè) 周期的電流數(shù)據(jù)，L為預(yù)設(shè)定值，根據(jù)需要調(diào)整； 步驟2.對(duì)采集的電流數(shù)據(jù)進(jìn)行滑動(dòng)平均處理； 步驟3.電流數(shù)據(jù)處理完成后，判斷電網(wǎng)電流幅值從負(fù)至正過(guò)零點(diǎn)標(biāo)志位是否為零，若 為零，將從該點(diǎn)以后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，否則繼續(xù)等待，直至標(biāo)志位為零； 步驟4.根據(jù)采集前L個(gè)周期的電流數(shù)據(jù)計(jì)算每個(gè)周期電流變化率，求出電流變化率峰 值與均值的比值，把比值小于閾值&的最小值的周期作為參考周期； 步驟5.對(duì)采集的電流數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行以下處理：計(jì)算每半周期電流變化率峰值與均值 的比值D1，設(shè)置閾值Dlih為第一閾值；計(jì)算采集的前L個(gè)周期的電流數(shù)據(jù)中，各周期與參考 周期前K次諧波和的比值D2,設(shè)置閾值為第二閾值，K的值根據(jù)需要設(shè)定；采集的前 L個(gè)周期的電流數(shù)據(jù)中，計(jì)算半周期與參考周期諧波時(shí)域波形的有效值差值D3,設(shè)置閾值 0?為第三閾值； 步驟6.若滿足(別>!^1^3>仍111)門/?2>乃28>，02為判斷整個(gè)周期是否發(fā)生故 障電弧的參數(shù)，Dl與D3則是判斷半周期是否發(fā)生故障電弧的參數(shù)，當(dāng)D2>D2th時(shí)，判定 該周期發(fā)生故障電弧，然后判斷該周期的兩個(gè)半周期是否發(fā)生故障電??；當(dāng)DDDlth或者 D3>D3h時(shí)，判定某半周期發(fā)生故障電弧，設(shè)置故障電弧次數(shù)為M，計(jì)數(shù)器M加1，否則返回步 驟5 ; 步驟7.若1秒內(nèi)M214，則發(fā)出聲光報(bào)警與斷開(kāi)開(kāi)關(guān)信號(hào)，M清零，否則返回步驟5 ; 步驟8.聲光報(bào)警模塊與脫扣控制模塊，根據(jù)故障電弧處理與分析模塊命令進(jìn)行聲光 報(bào)警以及斷開(kāi)電路。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的串聯(lián)故障電弧檢測(cè)裝置的檢測(cè)方法，其特征在于，步驟2所述 的對(duì)采集的電流數(shù)據(jù)進(jìn)行滑動(dòng)平均處理包括： 步驟201.獲取步驟1采集的前L個(gè)周期的電流數(shù)據(jù)； 步驟202.設(shè)每個(gè)周期采集N個(gè)點(diǎn)采集的電流數(shù)據(jù)為4*]; 步驟203.進(jìn)行滑動(dòng)平均處理，滑動(dòng)平均處理后的數(shù)據(jù)為，滑動(dòng)平均處理的公式 為：
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的串聯(lián)故障電弧檢測(cè)裝置的檢測(cè)方法，其特征在于，步驟5具 體包括，對(duì)采集的數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行以下處理： 步驟SI.計(jì)算每半周期電流變化率峰值與均值的比值Dl : SlL半個(gè)周期內(nèi)各點(diǎn)電流變化率為
512. 半周期電流變化率峰值
513. 半個(gè)周期內(nèi)各點(diǎn)電流變化率均值為
514. 電流變化率峰值與電流變化率均值商，設(shè)定為比值Dl，計(jì)算公式為
步驟S2.采集的前L個(gè)周期的電流數(shù)據(jù)中，各周期與參考周期前15次諧波和之差D2， 前15次諧波的次數(shù)根據(jù)需要可設(shè)定為其他值：
521. 對(duì)各周期進(jìn)行FFT快速傅里葉變換，求得每個(gè)周期的1~15次諧波幅值序列 (k=l，2…，15)，其中％為基波的幅值，采集數(shù)據(jù)各周期諧波相對(duì)分量：
，參 考周期諧波相對(duì)分量
，其中k=l，2, 3···，15 ;
522. 采集數(shù)據(jù)的各周期前15次諧波和
，參考周期的前15次諧 波和：
； S23.各周期和參考周期的前15次諧波和比值
步驟S3.采集的前L個(gè)周期的電流數(shù)據(jù)中，計(jì)算半周期與對(duì)應(yīng)參考半周期諧波時(shí)域波 形的有效值D3:
531. 首先對(duì)每個(gè)周期進(jìn)行FFT快速傅里葉變換，令基波幅值為0,再進(jìn)行IFFT離散傅 里葉逆變換，得到諧波的時(shí)域波形；
532. 每半周期內(nèi)有效值
533. 每半周與參考周期諧波時(shí)域波形的有效值分別為A、Τ，則兩者的差值為
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種串聯(lián)故障電弧檢測(cè)裝置與檢測(cè)方法，所述裝置包括：電流連續(xù)采集模塊，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器以固定采樣率連續(xù)采集電流；信號(hào)預(yù)處理模塊，對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行滑動(dòng)平均處理；故障電弧處理和分析模塊，計(jì)算電流變化率、前N次諧波和以及諧波時(shí)域波形有效值，根據(jù)以上三個(gè)變量識(shí)別電弧并發(fā)出相應(yīng)命令；聲光報(bào)警模塊、驅(qū)動(dòng)模塊與脫扣控制模塊，根據(jù)故障電弧處理與分析模塊命令決定是否進(jìn)行聲光報(bào)警以及斷開(kāi)電路；通信模塊，通過(guò)RS485接口與外界通信。本發(fā)明利用時(shí)域和頻域共同判定是否發(fā)生故障電弧，通過(guò)分析與試驗(yàn)，該方法操作簡(jiǎn)便、易于實(shí)現(xiàn)，成本與誤判率低且檢測(cè)概率高。
【IPC分類】G01R31-12
【公開(kāi)號(hào)】CN104678265
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510049113
【發(fā)明人】湯曉宇
【申請(qǐng)人】廣東雅達(dá)電子股份有限公司
【公開(kāi)日】2015年6月3日
【申請(qǐng)日】2015年1月30日