专利名称：一种低压电弧故障检测方法
技术领域：
本发明涉及一种低压供配电系统的电弧故障检测方法，特别是一种基于线路电流高次谐波占有率变化特征的电弧故障检测方法。
背景技术：
供电电路因老化、破损引起的断裂、短路以及接触不良都会导致电弧故障。常规负荷下，电弧故障在极短的时间内可产生2000°C以上的局部高温，足以点燃导线周围的易燃易爆物而引起火灾，严重�：Υ笾诘纳撇踩Ｓ捎诜⑸缁」收鲜保芈返缌鞯陀诠鞅；て鞯亩疃ǖ缌鳎拥氐缁⊥猓缁」收喜换岵Ｓ嗟缌鳎糜诠骱褪Ｓ嗟缌鞯奶讲馄鞑荒芷鸬椒婪兜缁⌒曰鹪值淖饔谩Ｏ钟械牡缁」收霞觳庾爸煤头椒ㄎ褂梦⒖刂破骼床饬坑敫涸叵喙氐牡缪梗⒋� 理表示电压测量值的数据以确定电弧的存在。例如，传统的电弧故障检测装置可以被配置以感测交流负载电流，对AC信号进行滤波和整流，并将整流后的信号提供给一个积分电路。传统的电弧故障检测装置可以使用微控制器来测量积分电容上的电压，以及把电压测量值转化为数字量用于后续处理。例如，可以使用一种算法来分析是否是一个电弧故障，如点接触、低电平、或串联电�。蛘呤欠袷且桓鲇泻Φ母涸厝绲鞴獾�、吸尘器等。在电压测量值的特征是电弧故障情况下，传统的电弧故障保护装置一般断开电路断路器以断开电源输出与负载。尽管上述的传统电弧故障保护装置可以被用来检测并区别电弧故障与负载扰动，但是仍存在对具有更高可靠性的电弧故障检测技术的需求。传统的电弧故障检测装置经常不能可靠的区别周期性与非周期性电弧放电事件，导致了误脱扣现象。并且扰动负载如调光器、吸尘器等，当这些设备设置被改变时，可产生高压瞬态，从而在连续的时间周期内产生升高或降低的电弧放电，传统的电弧故障检测装置经�：苣亚鸬缁」收虾偷缁》诺缡录�。因此，传统的电弧故障检测方法存在很多缺点，仍需进一步完善。
发明内容
本发明的主要目的是克服现有技术的缺点，提供一种可实时检测电弧故障发生，不受安装位置限制，并能很好避免由正常分、合电路时产生的操作电弧及开关电源、吸尘器等负载的干扰而发生的误动作，可靠性更高的低压电弧故障检测方法。本发明采用如下技术方案—种低压电弧故障检测方法，通过检测被保护线路的电流高次谐波占有率确定是否产生电弧故障，包括以下步骤①通过霍尔电流传感器采集被保护线路的电流信号并将其转换成电压信号，电压信号再经滤波器电路得到基频与高频两路模拟信号，基频与高频两路模拟信号经过双路精密绝对值电路后得到两路正值模拟信号，两路正值模拟信号经过双路积分电路得到两积分电压信号输入MCU的A/D转换接口 ；
②通过工频电流互感器采集被保护线路的工频电流信号，经信号调理电路转化为工频电压信号输入过零检测电路，经过零检测电路处理后，得到电流过零信号，并以该信号触发MCU产生外部中断，控制双路积分电路的充放电过程，充电过程结束时，启动MCU的A/D转换�？榻值缪怪底至浚虎跰CU检测到A/D转换结束时，调用电弧故障检测算法函数对电弧故障进行判定，用得到的两数字量计算出高次谐波占有率，通过与故障判定阈值进行比较来判定单个电弧事件，利用MCU内的计数器对电弧事件进行记录，当固定周期内检测到的电弧事件个数大于设定阈值时，则判定为被保护电路中有电弧故障产生，设备发出电弧故障报警信号。所述电流过零信号以下降沿触发MCU产生外部中断，外部中断函数中MCU输出积分电路积分控制信号，同时启动内部定时器，定时时间t(t ( 20ms)，双路积分电路开始充电，定时时间到，定时器中断函数中MCU输出积分电路保持控制信号，同时启动A/D转换器，将两积分电压信号转换为数字信号，A/D转换结束后，MCU输出积分电路放电控制信号，双路积分电路开始放电，放电结束，即完成一个完整的工频周期积分过程，MCU等待下一个外 部中断的触发。通过电弧故障检测算法函数对电弧故障进行判定时，首先根据基频信号积分电压值的大小对负载是否运行进行判断，负载运行，则求取高频信号与基频信号积分电压比值，得到高次谐波占有率hr,以hr值的大小作为单个电弧事件的判定依据，当hr大于故障判定阈值时，当前电弧事件记为1，否则为0，保存本次计算结果hr作为后续比较参考值和阈值变更参考值。通过高次谐波占有率统计数组对当前Ts时间内计算的高次谐波占有率进行统计，当前值置前，本周期的高次谐波占有率统计结束后，计算本周期内的电弧事件统计数组中高次谐波占有率平均值hravg及最大值与最小值的差值hrdif，若为首次调用故障判定函数，则需由hravg计算出故障判定阈值K ;若非首次调用，则比较hrdif与设定阈值大�。鬶rdif超过设定阈值，则认定为负载变更，重新计算故障判定阈值K，再通过高次谐波占有率hr与故障判定阈值K比较来对电弧事件进行判定。通过电弧事件统计数组对当前Ts内的电弧事件判定结果进行统计，通过数组求和计算出Ts内的电弧事件数，当Ts内的电弧事件数大于等于设定值m时，则发出电弧故障报
警信号。一种实现所述低压电弧故障检测方法的低压电弧故障检测装置，包括有用于采集线路电流信号并将其转换为电压信号的霍尔电流传感器、用于采集线路工频电流的工频电流互感器、用于将工频电流信号转换为工频电压信号的信号调理电路、用于将线路的工频电压信号转换为电流过零信号的过零检测电路、用于将线路电流信号转化为基频与高频两路模拟信号的滤波器电路、用于将基频与高频两路模拟信号转化为正值模拟信号的双路精密绝对值电路、用于得出两路正值模拟信号的积分电压信号的双路积分电路、MCU及电弧故障声光报警装置。所述工频电流互感器的信号输出端藉由信号调理电路连接过零检测电路的信号输入端，过零检测电路的信号输出端连接于MCU，所述霍尔电流传感器的信号输出端连接滤波器电路的信号输入端，滤波器电路的信号输出端连接双路精密绝对值电路的信号输入端，双路绝对值电路的信号输出端连接双路积分电路的信号输入端，双路积分电路的信号输出端连接于MCU。所述滤波器电路采用精密开关电容四阶契比雪夫带通滤波器。所述双路积分电路采用低噪声、双开关控制积分芯片。由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明的有益效果是通过实时监测线路电流高次谐波占有率的变化特征及对高次谐波占有率超限次数统计来判断是否产生电弧故障，通过判断电弧故障所引发的高次谐波占有率变化是否具有周期性及发生频率来区别一些特殊电器负载及正常的开关动作产生的正常电弧与故障电�。墒凳奔觳獾缁」收戏⑸皇馨沧拔恢孟拗疲⒛芎芎帽苊庥烧７�、合电路时产生的操作电弧及开关电源、吸尘器等负载的干扰而发生的误动作，可靠性更高。
图I是本发明具体实施方式
的硬件整体结构图； 图2是本发明具体实施方式
的MCU外部中断函数流程图；图3是本发明具体实施方式
的MCU定时器中断函数流程图；图4是本发明具体实施方式
电弧故障检测算法函数的算法流程图。图中1.霍尔电流传感器，2.工频电流互感器，3.信号调理电路，4.过零检测电路，5.基频带通滤波器，6.高频带通滤波器，7.双路精密绝对值电路，8.双路积分电路，9. MCU, 10.电弧故障声光报警装置。
具体实施例方式以下通过具体实施方式
对本发明作进一步的描述。参照图I，一种低压电弧故障检测装置，包括有用于采集线路电流信号并将其转换为电压信号的霍尔电流传感器I、用于采集线路工频电流的工频电流互感器2、用于将工频电流信号转换为工频电压信号的信号调理电路3、用于将线路的工频电压信号转换为电流过零信号的过零检测电路4、用于将线路电流信号转化为基频与高频两路模拟信号的滤波器电路、用于将基频与高频两路模拟信号转化为正值模拟信号的双路精密绝对值电路7、用于得出两路正值模拟信号的积分电压信号的双路积分电路8、MCU9及电弧故障声光报警装置10。所述工频电流互感器2的信号输出端连接于信号调理电路3的信号输入端，信号调理电路3的信号输出端连接过零检测电路4的信号输入端，过零检测电路4的信号输出端连接于MCU9，所述霍尔电流传感器I的信号输出端连接滤波器电路的信号输入端，滤波器电路的信号输出端连接双路精密绝对值电路7的信号输入端，双路绝对值电路7的信号输出端连接双路积分电路8的信号输入端，双路积分电路8的信号输出端连接于MCU9。所述滤波器电路采用精密开关电容四阶契比雪夫带通滤波器，包括有一用于得到工频模拟信号的40 60Hz的基频带通滤波器5及一用于得到高频模拟信号的100 500Hz的高频带通滤波器6。所述双路积分电路8采用低噪声、双开关控制积分芯片。参照图I、图2、图3和图4，研究和实验发现，当电弧发生时，回路电流会出现暂态的平肩现象，该电流畸变必然导致电流基频分量的减少和高频分量的增加，这种变化具有其规律性。基于此规律，本发明提出一种通过所述低压电弧故障检测装置来检测电弧故障的低压电弧故障检测方法，通过检测被保护线路的电流高次谐波占有率确定是否产生电弧故障，包括以下步骤①通过霍尔电流传感器I采集被保护线路的电流信号并将其转换成电压信号，电压信号再经滤波器电路得到基频与高频两路模拟信号，基频与高频两路模拟信号经过双路精密绝对值电路7后得到两路正值模拟信号，两路正值模拟信号经过双路积分电路8得到两积分电压信号输入MCU9的A/D转换接口 ；②通过工频电流互感器2采集被保护线路的工频电流信号，经信号调理电路3转化为工频电压信号输入过零检测电路4，经过零检测电路4处理后，得到电流过零信号，并以该信号触发MCU9产生外部中断，控制双路积分电路8的充放电过程，充电过程结束时，启动MCU9的A/D转换�？榻值缪怪底至浚虎跰CU9检测到A/D转换结束时，调用电弧故障检测算法函数对电弧故障进行判定，用得到的两数字量计算出高次谐波占有率，通过与故障判定阈值进行比较来判定单个电弧事件，利用MCU9内的计数器对电弧事件进行记录，当固定周期内检测到的电弧事件个 数大于设定阈值时，则判定为被保护电路中有电弧故障产生，设备发出电弧故障报警信号。参照图I、图2和图3，所述电流过零信号以下降沿触发MCU9产生外部中断，外部中断函数中MCU9输出积分电路积分控制信号，同时启动内部定时器，定时时间19. 80ms，双路积分电路8开始充电，定时时间到，定时器中断函数中MCU9输出积分电路保持控制信号，同时启动A/D转换器，将两积分电压信号转换为数字信号，A/D转换结束后，MCU9输出积分电路放电控制信号，双路积分电路8开始放电，放电结束，即完成一个完整的工频周期积分过程，MCU9等待下一个外部中断的触发。参照图4，本发明的电弧故障检测算法流程如下①采样A/D转换器输出的工频积分电压值AD1及高频积分电压值AD2，根据AD1对负载是否运行进行判断，如负载运行，则到流程②，否则退出电弧故障检测算法函数；②计算出高次谐波占有率hr = AD2AD1,同时计数器n自加1，然后到流程③；③通过高次谐波占有率统计数组H[10]对当前0. 5s内计算的高次谐波占有率进行统计，数组H[10]右移一位，当前的hr值置入H
;如果计数器n = 10，则到流程④，否则到流程⑦；④计算器n清零，计算数组H[10]中的hr平均值hravg与H[10]中最大值与最小值的差值hrdif，然后到流程⑤；⑤判断是否为首次调用故障判定函数，若为首次调用，则计算故障判定阈值K，K=hravg+0. 2，然后到流程⑥；⑥通过判定hrdif是否超过设定阈值来判断是否负载变更，若为负载变更，则重新计算故障判定阈值K，然后到流程⑦；⑦通过比较高次谐波占有率hr与故障判定阈值K的大小来对单个电弧事件进行判定，若hr > K,则令电弧事件标志State = I,警示灯黄灯亮,否则State = 0，黄灯灭，保存本次计算结果hr作为后续比较参考值和阈值变更参考值，然后到流程⑧；⑧通过电弧事件统计数组S [25]对0. 5s内的电弧事件标志State进行统计，数组S [25]右移一位，当前的State值置入S
，然后到流程⑨；⑨通过对数组S [25]求和D = sum(S),计算出0. 5s内的电弧事件数,然后到流程⑩；
⑩若D > 8，则发出电弧故障报警信号，然后退出电弧故障检测算法函数，否则直接退出电弧故障检测算法函数。上述仅为本发明的一个具体实施方式
，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利 用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。
权利要求
1.一种低压电弧故障检测方法，其特征在于通过检测被保护线路的电流高次谐波占有率确定是否产生电弧故障，包括以下步骤 ①通过霍尔电流传感器采集被保护线路的电流信号并将其转换成电压信号，电压信号再经滤波器电路得到基频与高频两路模拟信号，基频与高频两路模拟信号经过双路精密绝对值电路后得到两路正值模拟信号，两路正值模拟信号经过双路积分电路得到两积分电压信号输入MCU的A/D转换接口 ； ②通过工频电流互感器采集被保护线路的工频电流信号，经信号调理电路转化为工频电压信号输入过零检测电路，经过零检测电路处理后，得到电流过零信号，并以该信号触发MCU产生外部中断，控制双路积分电路的充放电过程，充电过程结束时，启动MCU的A/D转换�？榻值缪怪底至浚� ③MCU检测到A/D转换结束时，调用电弧故障检测算法函数对电弧故障进行判定，用得到的两数字量计算出高次谐波占有率，通过与故障判定阈值进行比较来判定单个电弧事件，利用MCU内的计数器对电弧事件进行记录，当固定周期内检测到的电弧事件个数大于设定阈值时，则判定为被保护电路中有电弧故障产生，设备发出电弧故障报警信号。
2.如权利要求I所述的一种低压电弧故障检测方法，其特征在于所述电流过零信号以下降沿触发MCU产生外部中断，外部中断函数中MCU输出积分电路积分控制信号，同时启动内部定时器，定时时间t(t< 20ms)，双路积分电路开始充电，定时时间到，定时器中断函数中MCU输出积分电路保持控制信号，同时启动A/D转换器，将两积分电压信号转换为数字信号，A/D转换结束后，MCU输出积分电路放电控制信号，双路积分电路开始放电，放电结束，即完成一个完整的工频周期积分过程，MCU等待下一个外部中断的触发。
3.如权利要求I所述的一种低压电弧故障检测方法，其特征在于通过电弧故障检测算法函数对电弧故障进行判定时，首先根据基频信号积分电压值的大小对负载是否运行进行判断，负载运行，则求取高频信号与基频信号积分电压比值，得到高次谐波占有率hr，以hr值的大小作为单个电弧事件的判定依据，当hr大于故障判定阈值时，当前电弧事件记为1，否则为0，保存本次计算结果hr作为后续比较参考值和阈值变更参考值。
4.如权利要求3所述的一种低压电弧故障检测方法，其特征在于通过高次谐波占有率统计数组对当前Ts时间内计算的高次谐波占有率进行统计，当前值置前，本周期的高次谐波占有率统计结束后，计算本周期内的电弧事件统计数组中高次谐波占有率平均值hravg及最大值与最小值的差值hrdif，若为首次调用故障判定函数，则需由hravg计算出故障判定阈值K ;若非首次调用，则比较hrdif与设定阈值大小,若hrdif超过设定阈值,则认定为负载变更，重新计算故障判定阈值K，再通过高次谐波占有率hr与故障判定阈值K比较来对电弧事件进行判定。
5.如权利要求3所述的一种低压电弧故障检测方法，其特征在于通过电弧事件统计数组对当前Ts内的电弧事件判定结果进行统计，通过数组求和计算出Ts内的电弧事件数，当Ts内的电弧事件数大于等于设定值m时，则发出电弧故障报警信号。
6.一种实现权利要求I所述低压电弧故障检测方法的低压电弧故障检测装置，其特征在于包括有用于采集线路电流信号并将其转换为电压信号的霍尔电流传感器、用于采集线路工频电流的工频电流互感器、用于将工频电流信号转换为工频电压信号的信号调理电路、用于将线路的工频电压信号转换为电流过零信号的过零检测电路、用于将线路电流信号转化为基频与高频两路模拟信号的滤波器电路、用于将基频与高频两路模拟信号转化为正值模拟信号的双路精密绝对值电路、用于得出两路正值模拟信号的积分电压信号的双路积分电路、MCU及电弧故障声光报警装置。
7.如权利要求6所述的低压电弧故障检测装置，其特征在于所述工频电流互感器的信号输出端藉由信号调理电路连接过零检测电路的信号输入端，过零检测电路的信号输出端连接于MCU，所述霍尔电流传感器的信号输出端连接滤波器电路的信号输入端，滤波器电路的信号输出端连接双路精密绝对值电路的信号输入端，双路绝对值电路的信号输出端连接双路积分电路的信号输入端，双路积分电路的信号输出端连接于MCU。
8.如权利要求6所述的低压电弧故障检测装置，其特征在于所述滤波器电路采用精密开关电容四阶契比雪夫带通滤波器。
9.如权利要求6所述的低压电弧故障检测装置，其特征在于所述双路积分电路采用低噪声、双开关控制积分芯片。
全文摘要
一种低压电弧故障检测方法，通过电流传感器采集回路中的电流信号，通过滤波器电路获得基频及高频两路模拟信号，通过积分电路、中断触发和定时器实现对工频周期基频及高频两路模拟信号的累积计算，进而求得高次谐波占有率。本发明通过实时监测线路电流高次谐波占有率的变化特征及对高次谐波占有率超限次数统计来判断是否产生电弧故障，通过判断电弧故障所引发的高次谐波占有率变化是否具有周期性及发生频率来区别一些特殊电器负载及正常的开关动作产生的正常电弧与故障电�。墒凳奔觳獾缁」收戏⑸皇馨沧拔恢孟拗疲⒛芎芎帽苊庥烧７�、合电路时产生的操作电弧及开关电源、吸尘器等负载的干扰而发生的误动作，可靠性更高。
文档编号G01R31/00GK102749533SQ20121011978
公开日2012年10月24日 申请日期2012年4月23日 优先权日2012年4月23日
发明者张认成, 李夏河, 杨建红 申请人:华侨大学
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
