一種串聯(lián)故障電弧檢測裝置及檢測方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及電氣保護領域，特別是涉及一種串聯(lián)故障電弧檢測裝置及檢測方法。
【背景技術】
[0002] 隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展和人民生活水平質(zhì)量的不斷提高，各種復雜建筑大量涌現(xiàn)， 其內(nèi)部線路越來越復雜，這都為防火帶來許多新困難。住宅內(nèi)電氣線路和設備（插座、家用 電器）存在不良的電氣連接或內(nèi)部線路由于長時間的過負荷運行等情況，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 火災的發(fā)生。美國NEC(National Electrical Code)估計約40%的住宅火災是由故障電弧 引起的。
[0003] 由于發(fā)生故障電弧時，電路中同一點較正常電流小，一般的漏電與過流斷路器無 法檢測，因此需要在電力線路中安裝故障電弧斷路器(AFCI)，若檢測到故障電弧就切斷電 路。國外AFCI已經(jīng)十分普遍，而國內(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，對于有類似電弧特征的負載沒有很好的鑒別能力。交流故障電弧電 流波形在時域上存在以下特征：1、由于故障電弧類似于阻性負載，電流幅值較正常運行略 有減?。?、在電流過零點附近存在長度隨機的"平肩部";3、電流波形變化率增大，存在大小 和時刻都具有隨機性的突變；4、波形的對稱性遭到破壞。
[0004] 根據(jù)發(fā)生故障電弧時電流特征，提出了多種故障電弧檢測的方法，目前大多數(shù)故 障電弧檢測的方法有小波變換法，F(xiàn)FT+神經(jīng)網(wǎng)絡法以及高頻電流頻譜分析法。其中小波變 換法，檢測故障電弧的有效性高，但算法復雜計算復雜度為FFT的1. 5倍；FFT+神經(jīng)網(wǎng)絡 法，神經(jīng)網(wǎng)絡需要用大量的數(shù)據(jù)不斷重復訓練才能達到較為準確的檢測，過程繁瑣。高頻電 流頻譜分析法，需要采集波形的頻率達到50kHz~100kHz，這對采樣頻率要求較高，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)有技術的不足，提供一種串聯(lián)故障電弧檢測裝置及檢測 方法，提高了檢測準確率，降低了成本，安全可靠。
[0006] 為了達到上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是： 一種串聯(lián)故障電弧檢測裝置，包括： 負載； 電流連續(xù)采集模塊，與負載的輸出端連接，用于連續(xù)采集電流數(shù)據(jù)； 信號預處理模塊，與電流連續(xù)采集模塊的輸出端連接，用于對采集電流數(shù)據(jù)進行滑動 平均處理； 故障電弧處理和分析模塊，與信號預處理模塊的輸出端連接，用于計算每半周期電流 變化率和諧波時域波形的有效值，以及每周期前N次諧波和，N為固定預設值，根據(jù)與預設 對應閾值比較的結果判斷該半周期是否發(fā)生故障電弧，通過電弧發(fā)生次數(shù)識別電弧并發(fā)出 相應命令。
[0007] 較佳地，所述檢測裝置還包括聲光報警模塊，用于根據(jù)故障電弧處理與分析模塊 命令決定是否進行聲光報警。
[0008] 較佳地，所述聲光報警模塊由揚聲器及發(fā)光二極管組成。
[0009] 較佳地，所述檢測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)動模 塊，驅(qū)動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載，根據(jù)故障電弧 處理與分析模塊命令決定是否斷開負載電路。
[0010] 較佳地，所述檢測裝置還包括通信模塊，用于通過RS485接口與外界通信。
[0011] 較佳地，所述通信模塊上設置RS485接口，通過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)故障電弧檢測裝置的檢測方法，包括如下步驟： 步驟1.所述的串聯(lián)故障電弧檢測裝置上電后，連續(xù)采集前L個周期的電流數(shù)據(jù)，L為 預設定值，根據(jù)需要調(diào)整； 步驟2.對采集的電流數(shù)據(jù)進行滑動平均處理； 步驟3.電流數(shù)據(jù)處理完成后，判斷電網(wǎng)電流幅值從負至正過零點標志位是否為零，若 為零，將從該點以后的數(shù)據(jù)存儲為實時采集數(shù)據(jù)，否則繼續(xù)等待，直至標志位為零； 步驟4.根據(jù)采集前L個周期的電流數(shù)據(jù)計算每個周期電流變化率，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.對采集的電流數(shù)據(jù)同時進行以下處理：計算每半周期電流變化率峰值與均值 的比值D1，設置閾值為第一閾值；計算采集的前L個周期的電流數(shù)據(jù)中，各周期與參考 周期前K次諧波和的比值D2,設置閾值為第二閾值，K的值根據(jù)需要設定；采集的前 L個周期的電流數(shù)據(jù)中，計算半周期與參考周期諧波時域波形的有效值差值D3,設置閾值 為第三閾值； 步驟6.若滿5
【主權項】
1. 一種串聯(lián)故障電弧檢測裝置，其特征在于，包括： 負載； 電流連續(xù)采集模塊，與負載的輸出端連接，用于連續(xù)采集電流數(shù)據(jù)； 信號預處理模塊，與電流連續(xù)采集模塊的輸出端連接，用于對采集電流數(shù)據(jù)進行滑動 平均處理； 故障電弧處理和分析模塊，與信號預處理模塊的輸出端連接，用于計算每半周期電流 變化率和諧波時域波形的有效值，以及每周期前N次諧波和，N為固定預設值，根據(jù)與預設 對應閾值比較的結果判斷該半周期是否發(fā)生故障電弧，通過電弧發(fā)生次數(shù)識別電弧并發(fā)出 相應命令。
2. 根據(jù)權利要求1所述的串聯(lián)故障電弧檢測裝置，其特征在于：所述檢測裝置還包括 聲光報警模塊，用于根據(jù)故障電弧處理與分析模塊命令決定是否進行聲光報警。
3. 根據(jù)權利要求2所述的串聯(lián)故障電弧檢測裝置，其特征在于：所述聲光報警模塊由 揚聲器及發(fā)光二極管組成。
4. 根據(jù)權利要求1所述的串聯(lián)故障電弧檢測裝置，其特征在于：所述檢測裝置還包括 與故障電弧處理和分析模塊輸出端電連接的驅(qū)動模塊，驅(qū)動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載，根據(jù)故障電弧處理與分析模塊命令決定是否斷開負 載電路。
5. 根據(jù)權利要求1所述的串聯(lián)故障電弧檢測裝置，其特征在于：所述檢測裝置還包括 通信模塊，用于通過RS485接口與外界通信。
6. 根據(jù)權利要求5所述的串聯(lián)故障電弧檢測裝置，其特征在于：所述通信模塊上設置 RS485接口，通過RS485接口與外界通信。
7. 根據(jù)權利要求1所述的串聯(lián)故障電弧檢測裝置，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A/D轉(zhuǎn)換器以固定采樣率連續(xù)采集電流。
8. -種基于權利要求1-7中任一項所述的串聯(lián)故障電弧檢測裝置的檢測方法，其特征 在于，包括如下步驟： 步驟1.權利要求1-7中任一項所述的串聯(lián)故障電弧檢測裝置上電后，連續(xù)采集前L個 周期的電流數(shù)據(jù)，L為預設定值，根據(jù)需要調(diào)整； 步驟2.對采集的電流數(shù)據(jù)進行滑動平均處理； 步驟3.電流數(shù)據(jù)處理完成后，判斷電網(wǎng)電流幅值從負至正過零點標志位是否為零，若 為零，將從該點以后的數(shù)據(jù)存儲為實時采集數(shù)據(jù)，否則繼續(xù)等待，直至標志位為零； 步驟4.根據(jù)采集前L個周期的電流數(shù)據(jù)計算每個周期電流變化率，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.對采集的電流數(shù)據(jù)同時進行以下處理：計算每半周期電流變化率峰值與均值 的比值D1，設置閾值Dlih為第一閾值；計算采集的前L個周期的電流數(shù)據(jù)中，各周期與參考 周期前K次諧波和的比值D2,設置閾值為第二閾值，K的值根據(jù)需要設定；采集的前 L個周期的電流數(shù)據(jù)中，計算半周期與參考周期諧波時域波形的有效值差值D3,設置閾值 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D2>D2th時，判定 該周期發(fā)生故障電弧，然后判斷該周期的兩個半周期是否發(fā)生故障電弧；當DDDlth或者 D3>D3h時，判定某半周期發(fā)生故障電弧，設置故障電弧次數(shù)為M，計數(shù)器M加1，否則返回步 驟5 ; 步驟7.若1秒內(nèi)M214，則發(fā)出聲光報警與斷開開關信號，M清零，否則返回步驟5 ; 步驟8.聲光報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行聲光 報警以及斷開電路。
9. 根據(jù)權利要求8所述的串聯(lián)故障電弧檢測裝置的檢測方法，其特征在于，步驟2所述 的對采集的電流數(shù)據(jù)進行滑動平均處理包括： 步驟201.獲取步驟1采集的前L個周期的電流數(shù)據(jù)； 步驟202.設每個周期采集N個點采集的電流數(shù)據(jù)為4*]; 步驟203.進行滑動平均處理，滑動平均處理后的數(shù)據(jù)為，滑動平均處理的公式 為：
10. 根據(jù)權利要求9所述的串聯(lián)故障電弧檢測裝置的檢測方法，其特征在于，步驟5具 體包括，對采集的數(shù)據(jù)同時進行以下處理： 步驟SI.計算每半周期電流變化率峰值與均值的比值Dl : SlL半個周期內(nèi)各點電流變化率為
512. 半周期電流變化率峰值
513. 半個周期內(nèi)各點電流變化率均值為
514. 電流變化率峰值與電流變化率均值商，設定為比值Dl，計算公式為
步驟S2.采集的前L個周期的電流數(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)需要可設定為其他值：
521. 對各周期進行FFT快速傅里葉變換，求得每個周期的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)各周期諧波相對分量：
，參 考周期諧波相對分量
，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個周期的電流數(shù)據(jù)中，計算半周期與對應參考半周期諧波時域波 形的有效值D3:
531. 首先對每個周期進行FFT快速傅里葉變換，令基波幅值為0,再進行IFFT離散傅 里葉逆變換，得到諧波的時域波形；
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)明公開了一種串聯(lián)故障電弧檢測裝置與檢測方法，所述裝置包括：電流連續(xù)采集模塊，通過A/D轉(zhuǎn)換器以固定采樣率連續(xù)采集電流；信號預處理模塊，對采集數(shù)據(jù)進行滑動平均處理；故障電弧處理和分析模塊，計算電流變化率、前N次諧波和以及諧波時域波形有效值，根據(jù)以上三個變量識別電弧并發(fā)出相應命令；聲光報警模塊、驅(qū)動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行聲光報警以及斷開電路；通信模塊，通過RS485接口與外界通信。本發(fā)明利用時域和頻域共同判定是否發(fā)生故障電弧，通過分析與試驗，該方法操作簡便、易于實現(xiàn)，成本與誤判率低且檢測概率高。
【IPC分類】G01R31-12
【公開號】CN104678265
【申請?zhí)枴緾N201510049113
【發(fā)明人】湯曉宇
【申請人】廣東雅達電子股份有限公司
【公開日】2015年6月3日
【申請日】2015年1月30日