专利名称：串联故障电弧预警系统及其检测方法
技术领域：
本发明涉及检测技术，特别涉及一种串联故障电弧预警系统及其检测方法。
背景技术：
据2005年的《中国消防年鉴》的统计，2004年一共发生火灾142568起，其中电气火灾有2948起，占总火灾数的20.7%。电气火灾导致了 398人死亡，427人受伤，直接经济损失达到了 48亿元，占被调查火灾总损失的42%。在特大火灾中，电气火灾有10起，占总数27起的37%，直接经济损失达到21亿元，占了 74%。电气火灾已给人民群众生命安全和国家财产带来了严重威胁。而在引起电气火灾的众多原因中，故障电弧则是最主要的原因之一 O故障电弧的发生方式一般可分为串行电弧，并行电弧及接地电弧三种，串联电弧由于其故障电弧发生时，电流较小，而且故障电弧的特性随负载类型和大小的影响，因而更难准确检测，所以危险性也相对较大。目前，国内外电弧检测的方法大致可以归纳为三类:(I)建立电弧模型，并通过检测相应的参量检测电弧，但由于这种方法使用条件的限制，且需要检测的参数过多，目前，利用此方法来进行故障电弧的检测进展十分缓慢，一般仅仅停留在仿真阶段；(2)根据电弧发生时所产生的物理现象来检测电弧，根据电弧的形成过程可以发现，电弧形成时，会伴随着一些明显的物理现象，如弧光，噪声，辐射，温度变化等等。在配电柜中产生电弧，由于电流较大，这些物理现象非常明显，表现为高温、高压、噪声等，利用此法可以较好的检测出故障电弧的发生。

而在家庭或者公共场所供配电系统中，需要检测的范围很大，且电弧发生时的物理现象相对较弱，用这种方法不容易检测到电弧的发生。所以通过检测故障电弧发生时的物理现象，来达到判断是否有故障电弧发生的方法，不适用于大规模的故障电弧的检测与预防。(3)根据电弧发生时的电流、电压波形变化检测电弧。当发生电弧时，电路中的电压和电流会因为电路中产生了电弧而发生突变，用小波变换、三周期法等对此时的电压电流波形进行分析，特征量提取，可以判断出电弧的发生与否。利用小波变换对电弧的电流信号进行分析，可以反映电流信号突变的时刻，还能够检测到突变的大小。然后再对这些信息进行综合性的分析，可以有效检测故障电弧。但由于在电网中存在一些与故障电弧的波形相似的电流波形，所以能否准确区分故障电弧还是正常波形是小波变换面临的重要问题。在专利《检测电弧故障的设备和方法》中，提供了三周期算法(即TCA)的含义，表达如下: 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]表示与第一线电压周期相应的第一电压测量结果，νω代表与第二线电压周期相应的第二电压测量结果，并且，V[n+1]代表与第三线电压周期相应的第三电压测量结果。TCA可用于确定电压的波动，从而可以区分故障电弧和扰乱负荷。但是，该专利进行采样后，需要对采样信号进行傅氏变换，这就需要时间较长的计算，需要更高性能的微处理器，造成计算复杂和硬件系统成本很高。

发明内容
本发明的目的是克服上述缺陷，提供一种串联故障电弧检测的系统和方法，可以准确区分故障电弧与正常波形，节省计算时间，并采用更为经济的微处理器，实现可靠、有效的串联故障电弧检测，为工作人员提供及时有效的预警信息。为达到上述目的，本发明提供的串联故障电弧预警系统，包括电源电路、电流互感器、电流感测电路和信号调理电路，还包括微处理器、故障输出电路以及与电网相连的电压过零比较电路，所述电流互感器、电流感测电路、信号调理电路与所述微处理器依次相连，所述电压过零比较电路和故障输出电路分别与所述微处理器相连，所述电流互感器采集电网中的电流信号，经过所述电流感测电路将电流信号转化为电压信号，再经过所述信号调理电路输入所述微处理器，所述电压过零比较电路输出电压过零脉冲信号至所述微处理器，所述微处理器的控制序列执行如下步骤:步骤101，微控制器初始化；步骤102，寄存器配置，包括AD寄存器和定时器寄存器；步骤103，判断电网电压幅值从负至正过零点标志位ZeroFlag是否为0，当其为O时，执行步骤104 ;否则，等待，直至ZeroFlag为O ；步骤104，对相邻两个周期的电流值进行差值计算，得Yk=X2(k)_Xl(k)，其中，k=l，2，…，N;步骤105，用均方根法计算系数Z的值:
权利要求
1.一种串联故障电弧预警系统，包括电源电路(I)、电流互感器(CT)、电流感测电路(2)和信号调理电路(3)，其特征在于:还包括微处理器(5)、故障输出电路(6)以及与电网相连的电压过零比较电路(4)，所述电流互感器(CT)、电流感测电路(2)、信号调理电路(3)与所述微处理器(5)依次相连，所述电压过零比较电路(4)和故障输出电路(6)分别与所述微处理器(5)相连，所述电流互感器(CT)采集电网中的电流信号，经过所述电流感测电路(2)将电流信号转化为电压信号，再经过所述信号调理电路(3)输入所述微处理器(5)，所述电压过零比较电路(4)输出电压过零脉冲信号至所述微处理器(5)，所述微处理器(5)的控制序列执行如下步骤: 步骤101，微控制器初始化；步骤102，寄存器配置，包括AD寄存器和定时器寄存器；步骤103，判断电网电压幅值从负至正过零点标志位ZeroFlag是否为0，当其为O时，执行步骤104 ;否则，等待，直至ZeroFlag为O ； 步骤104，对相邻两个周期的电流值进行差值计算，得Yk=X2 (k) -Xl (k)，其中，k=l, 2，…,N； 步骤105，用均方根法计算系数Z的值'Z 二中，Y1" Y2，...，Yn为相邻两周期对应的N个采样点的差值，并设置系数Z的阀值为第一阀值； 步骤106，计算相邻两个Z值之间的变化家S = IZ”+1—Z"l其中，Zn为第η个系数 Zn ，Z的值，Ζη+2为第η+1个系数Z的值，并设置变化率δ的阀值为第二阀值； 步骤107，判断Z的值是否大于等于第一阀值Zb的值，如果大于等于Zb，执行步骤108 ；否则，返回步骤103 ； 步骤108，判断δ的值是否大于等于第二阀值Sb的值，如果大于等于Sb，执行步骤109 ;否则，返回步骤103 ； 步骤109，设置电弧事件次数的阀值为第三阀值，判断计时器是否正在计时，如果计时器正在计时，执行步骤110 ;否则，执行步骤111 ； 步骤110，计数器进行加一，表示出现了一次电弧周期； 步骤111，计时器开始计时，计数器进行加一； 步骤112，判断计时器是否达到0.5s,如果达到0.5s,执行步骤113 ;否则返回步骤103 ； 步骤113，判断计数器是否大于等于第三阀值及发生电弧次数阀值，如果大于等于第三阀值，执行步骤114 ;否则，执行步骤115 ； 步骤114，输出故障电弧发生的预警消息，经所述故障输出电路(6)控制蜂鸣器响； 步骤115，清计时器、计数器。
2.根据权利要求1所述的串联故障电弧预警系统，其特征在于:其中所述电流感测电路(2)包括RC滤波器，所述电流互感器(CT)安装在电网的零线或火线上，其输出信号接至RC滤波器，RC滤波器的输出端与信号调理电路(3)相连。
3.根据权利要求1或2所述的串联故障电弧预警系统，其特征在于:其中所述信号调理电路(3)包括低通滤波器(U31)和与之相连的加法器(U32)，所述低通滤波器(U31)与电流感测电路(2)相连，加法器(U32)的输出端与微处理器(5)相连。
4.根据权利要求3所述的串联故障电弧预警系统，其特征在于:其中所述电压过零比较电路(4)包括依次相连的分压电路、比较器(U41)和整形电路，电网接入分压电路，整形电路输出端与微处理器(5)的输入端相连。
5.根据权利要求4所述的串联故障电弧预警系统，其特征在于:其中所述故障输出电路(6)包括蜂鸣器。
6.一种串联电弧故障检测方法，其特征在于:该方法设置电源电路(I)、电流互感器(CT)、电流感测电路(2)、信号调理电路(3)、电压过零比较电路(4)、微处理器(5)和故障输出电路(6)，该方法包括: 1)由电网电压幅值从负至正的过零点开始采集原始负载电流Xi(η),其中:η=0，I, 2，3，…，Ν-1，N为采集点数，N=T/Ts, T为电网电压周期，Ts为采样周期； 2)计算相邻两个周期采集到的每个采样点电流值的差值； 3)由N个采样点电流值的差值利用均方根公式计算系数Z值； 4)对相邻两个周期的Z值进行变化率分析，计算系数Z变化率δ； 5)设置系数Z的阀值为第一阀值，系数Z变化率δ的阀值为第二阀值，电弧事件次数M的阀值为第三阀值； 6)判断由第i周期和i+Ι周期计算出的Z值是否大于等于所述第一阀值； 7)判断由Z值变化率δ是否大于等于所述第二阀值； 8)若当前第i周期满足以下条件:a)系数Ζ>=第一阀值，b)变化率δ>=第二阀值，则判断第i周期为故障电弧周期 ； 9)若在规定时间t内，电弧事件次数M>=第三阀值，则判断此时发生了故障电弧，输出故障电弧发生信号。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于:其中所述步骤I)包括: a)判断电网电压幅值从负至正过零点标志位ZeroFlag是否为I,如果ZeroFlag为I,执行步骤b)； b)启动A/D采样，采集负载电流信号，每个周期均采集N个点，则第i个周期电流采样值为Xi (n)，其中，n=0，I, 2，…，N_l，N=T/Ts, T为电网周期，Ts为采集周期； c)当信号采集的个数达到N时，执行步骤d)，否则，中断返回； d)对η和ZeroFlag清零,准备下一周期采样。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于:其中所述步骤2)包括将第二个周期的第一个采样点的值减去第一个周期第一个采样点的值，设为Yk=X2(k)-Xl(k)，其中，X2(l)为第二个周期第一个点的数值，Xl(I)为第一个周期第一个点的数值，以此类推，得到Y1,，Y2，...，Yn共N 个值。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于:其中所述步骤3)计算系数Z采用下述公式:
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于:其中所述步骤4)计算相邻两个Z值之间的变化率采用下述公式:
全文摘要
本发明提供的串联故障电弧预警系统，包括电源电路、电流互感器、电流感测电路、信号调理电路、电压过零比较电路、微处理器和故障输出电路。电流互感器、电流感测电路、信号调理电路与微处理器依次相连，电压过零比较电路和故障输出电路分别与微处理器相连，电流互感器采集电网中的电流信号，经过电流感测电路将电流信号转化为电压信号，再经过信号调理电路输入微处理器，电压过零比较电路输出电压过零脉冲信号至微处理器。本发明还提供了串联电弧故障的检测方法。其优点在于由于采样后直接对信号在时域上进行处理，省去了复杂的傅氏变换，可以准确区分故障电弧与正常波形，节省了计算时间，可以采用更为经济的微处理器来实现串联故障电弧检测，检测可靠、有效，为工作人员提供及时有效的预警信息。
文档编号G01R31/00GK103116093SQ201310025980
公开日2013年5月22日 申请日期2013年1月22日 优先权日2013年1月22日
发明者卢其威, 巫海东, 王肃珂, 王润楠, 孔德煜 申请人:中国矿业大学(北京)