[发明专利]一种基于高频特征的故障电弧检测方法与装置

说明书

技术领域

本发明涉及电气消防保护领域，特别是涉及一种基于高频特征的故障电弧检测方法与装置。

背景技术

电弧是两个电极之间跨越某种介质的持续放电现象。典型的电弧是在阴、阳极之间的空气间隙中形成。电弧具有突发性、隐蔽性和随机性。电弧可分为“好弧”与“坏弧”。电力系统在正常工作时的电弧(比如电机旋转和插拔开关都会产生单次电弧)，称为“好弧”，这些电弧不会影响线路正常工作，一般不会引起火灾。而低压配电线路和设备中，如电气布线、插座、工业设备、家电等内部线路，由于长时间运行，或存在不良的电气连接等原因，使线路绝缘层老化，导致绝缘效果降低，或者绝缘层发生破损，而引起的电弧都称为“坏弧”。电弧中心温度可达5000至15000度，足以引然任何可燃物，导致电气火灾。

由于产生故障电弧时，电流变小，低压线路中的典型保护装置，如漏电保护和过流保护等，均不能检测出电路中的故障电弧，且根据公安部沈阳消防所统计，全国将近40％的电气火灾由故障电弧引起，用电电路安装故障电弧探测装置十分必要。

目前大多数故障电弧的检测方法包括：时域特征法、小波变换法、FFT+神经网络法、谐波含量法等等，以上检测方法均属于纯软件算法，需高速采样率。在电路中发生故障电弧时，其电流高频带通状特征分量明显增加，且主要分布在10kHz～200kHz频段内，这使得纯软件方法存在以下局限：

1.需要2倍带宽以上的采样率，才能保证波形不失真，并在后续处理中完整提取故障电弧的特征，使得ADC与CPU运算量太高，开销大，总成本高。

2.电流的动态范围超过60dB，需要对前级进行AGC动态控制增益，才能保证幅度上低失真的转换为数字信号，这对电路的前级放大以和AGC控制提出了较高的要求。

3.在高速ADC采样之前，还需要设计比较陡峭的抗混叠滤波器，增加了一定的电路复杂度。

发明内容

为提高故障电弧检测方法的通用性并降低成本，本发明提出了一种基于高频特征的故障电弧检测方法与装置。通过电流滤波整形电路提取电弧等效的高频特征，将高频特征转换为脉冲密度，再辅助结合低采样率时域波形联合识别故障电弧。

根据发明的一方面，本发明提出一种基于高频特征的故障电弧检测装置，包括：

电压过零检测单元，检测电压的过零点，并输出对应的脉冲信号；

电流滤波整形单元，包括滤波电路和高速比较电路，由高带宽CT分出的一路电流信号进入滤波电路，提取出高频分量，然后经过高速比较电路，输出密度不同的脉冲信号；

电流波形采集单元，由高带宽CT分出的另一路电流信号经过可变增益放大电路，通过控制电流的放大倍数，使得电流信号幅值低失真进入低速ADC；

检测分析单元，通过I/O和A/D分别采集电流滤波整形单元输出的脉冲信号和电流波形采集单元输出的电流波形，利用脉冲密度和电弧时域特征联合分析并判决，当每秒识别出的故障电弧个数达到标准规定，输出对应的声光报警、外部通信和脱扣信号；此外，利用电压过零检测相位与电流波形相位计算功率因数，并计算电流谐波；

液晶显示单元，与检测分析单元连接，根据检测分析单元输出的数据，动态显示谐波分量、THD和故障电弧个数；

声光报警单元，与检测分析单元连接，根据检测分析单元输出的声光报警信号决定是否执行声光报警；

控制单元，与检测分析单元连接，根据检测分析单元输出的脱扣信号决定是否执行切断电路；

通信单元，与检测分析单元连接，用于通过RS485接口与外界通信。

根据发明的另一方面，本发明提出一种基于高频特征的故障电弧检测方法，包括：

步骤1：电流由带宽CT分出两路，分别经过电流滤波整形单元和电流波形采集单元，输出脉冲信号和电流波形；

步骤2：分析检测单元通过I/O和A/D分别采集脉冲信号和电流波形，进行同步处理；

步骤3：将两路计算的参量与预设阈值进行比较，进行联合判决，判断是否发生故障电弧，若发生故障电弧，则M加1；

步骤4：若1秒内M≥14，则判定该电路发生故障电弧，立即发出声光报警与断开开关信号，M清零。