串联电弧故障断路器及其串联电弧故障保护的方法技术

本发明专利技术串联电弧故障断路器包括电源电路、电流传感器、电流感测电路、放大滤波电路、电压过零比较电路、微控制器以及脱扣触发电路。电流互感器采集电路中的电流信号，经电流感测电路转换成电压信号，再经放大滤波电路输入微控制器。电压过零比较电路将电压过零脉冲信号输入至微处理器。微处理器经电弧特征分析，判断电弧出现并由触发脱扣电路断开负载电路。所提供的保护方法，利用短时傅氏变换将一维时域信号变换为二维时频信号，并分析每个周波的基波分量、偶次谐波和奇次谐波分量的变化，提取和判断串联电弧故障特征。其优点是：提取多个特征实现故障电弧综合判断，防止了小负荷下串联电弧检测中出现误跳或拒跳，有效提高了判断的可靠性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电源保护
，特别涉及一种。
技术介绍
住宅电气线路或设备，由于电线绝缘层老化或发生破损，或电气连接不良等原因，都可能造成电气线路或设备发生故障电弧，从而导致电气火灾的发生。在低压供配电线路中，有串联、线对线、线对地3类电弧故障。串联电弧由于其电弧故障发生时，电流较其他两种类型的电弧要小，而且故障电弧的特性随负载类型及负载大小变化的影响而更难检测，因而也更具危险性。AFCI技术作为一类电路保护技术，在国外特别是欧美国家已有许多研究。国内近年也有一些可行的电弧检测方法和相应的保护电路，这些方法和保护电路主要依据电弧电流电压波形的以下特征1、 电弧电压和电流中含高频噪声分量；2、 发生电弧时电压有所下降；3 、由于电弧电压降造成同 一 电路中的电弧电流比正常电流小；4、 电流存在突变；5、 在每个半周期电弧电流过零点前后存在一个零电流区间，称为平肩现象；6、 电弧电流的随机性。在电弧故障保护装置实现时， 一般采用单片机采集线路电压和电流数据，依据电弧故障判别方法，判断是否存在电弧故障；在测量结果判定为电弧故障时，通过脱扣装置使断路器脱扣，从而使发生电弧故障的电路与电力线断开。目前，有许多文献依据上述故障电弧特征提出了不同的特征提取方法，从现有故障电弧检测技术来看，国内外专家提出的许多相应的电弧故障检测方法和检测电路大都是在时域上依据上述特征进行的特征提取及故障判别。现有故障电弧检测技术及检测装置主要分为两大类 一类在电弧故障特征提取的方法上主要采用硬件电路实现电弧感测电路，包括检测各个周期的电流累计信号的积分电路，检测电弧事件的比较器电路及计数器电路等。另一类在电弧特征提取方法上主要采用软件方法，6通过A/D采样获取电弧故障电流及电压波形数据，提取各周期电流累计值或电流突变或平肩特征，完成电弧故障的复合判定。上述方案都是基于故障电弧的时域特征进行的电弧检测。对于电弧故障检测方法和检测装置，其难度在于保护装置必须具有区别真正故障电弧电流与具有电弧相似特征的正常负载电流(如调光器、设备启动、笔记本电脑、吸尘器等负载)的能力。因此故障电弧检测技术的关键在于检测技术的可靠性，而提高检测可靠性的关键在于故障电弧电流的特征提取准确性。但由于串联电弧故障电流特征与电路负载类型有关，而电路负载的复杂性和负载大小的变化，以及负载开启的波动等因素，加之电网谐波干扰等等问题，均将影响串联故障电弧特征提取的准确性，从而造成保护装置的误跳或拒跳。串联电弧小负载故障电流条件(0.2A-20A)下，如不能改进电弧故障检测技术的方法，包括小负荷下的串联电弧检测和处理多种扰动负载下的误跳问题，保护装置可靠性的提高就无法得以实现。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决现有技术存在的上述问题，提供一种能够更有效、可靠地实施串联电弧故障保护的方法，同时，提供釆用该方法，可以防止在小负荷下的串联电弧检测中和多种扰动负载下出现误跳或拒跳，更有效、可靠地实现串联电弧的故障检测，对电路负载实施及时而可靠保护的串联电弧故障断路器。为达到上述目的，本专利技术提供了一种串联电弧故障保护的方法，该方法执行如下步骤1 )从市电电压幅值从负至正的过零点开始连续采集原始负载电流xi'(n)和通过带通滤波器后的负载谐波电流时域信号xi(n), n-0，l，…,N-l，通过短时傅里叶变换获取各个频率频谱的基波分量Yi，(k), Yi(k)， k = 0,l， ...，N-l;2) 设置第一阈值为基波分量阖值，第二阈值为偶次谐波分量阈值，第三阈值为奇次谐波分量阈值，第四阈值为偶次谐波增量阈值，第五阈值为奇次谐波增量阈值，第六阈值为电弧事件次数阈值；3) 由当前第i周期的基波分量Yi，(l)计算基波分量标志Basescak(i)，并判断所述基波分量标志Bas^aie(i)的值是否小于等于所述第一阈值；4) 计算当前周期xi(n)的频谱分量中各个偶次谐波的总和Even。rder(i)和偶次谐波分量标志Ev叫de(i)，并判断所述偶次谐波分量标志Even^e(i)的值是否大于等于所述第二阈值；5) 计算当前周期xi(n)的频谱分量中从第5次开始的奇次谐波的总和Odd。rder(i)和奇次谐波分量标志OdcUe(i)，并判断所述奇次谐波分量标志Odd^e(i)的值是否大于等于所述第三阈值；6) 计算当前第i周期EVeriOTd (i)与前一个周期Even。他^I)的差值即偶次谐波增量Even一variance(i)，并判断所述偶次谐波增量Even一variance(i)是否大于等于所述第四阈值；7) 计算当前第i周期OddOTdCT(i)与前 一 个周期Odd。rdCT(i-1)的差值即奇次谐波增量Odd_Variance(i)，并判断所述奇次谐波增量Oddjariance(i)是否大于等于所述第五阈值；8) 若当前第i周期满足以下条件.-I .基波分量标志Basescaie(i) <=第一阈值；II. 偶次谐波分量标志Ever^i):^第二阈值；III. 奇次谐波分量标志Od4eaieCi)〉-第三阈值；IV. 偶次谐波增量Even—variance(i)》第四阈值；V. 奇次谐波增量Odd一variance(i)^第五阈值，则判断第i周期为故障电弧周期；9) 若在连续的K个周期中，发生了M个电弧周期，电弧事件次数14>=第六阈值，则判断此时发生了电弧故障，电弧故障发生信号被输出，以切断用户电路。本专利技术所述的方法，其中I .所述短时傅里叶变换获取各个频率频谱的基波分量y,'(/t) = s7^ro,:o))y;(a:) = s:tf:to;())其中k = 0,l,…，N-l，当STFT窗口长度T:20ms时，频率分辨率fl-l/T-50Hz，获取短时傅里叶变换获取各个频率频谱的基波分量Yi'(k),Yi(k)分别为直流分量，50Hz基波分量，以及2th、 3th、 ......、 (N-l)/2th各次频谱分量。n.所述基波分量标志Base,。^(i)为当前第i周期的基波分量除以前q个周期基波分量的式中，Base(i)为当前第i周期的基波分量Yi' (l)的赋值，q为正整数；III.所述偶次谐波分量标志Even娃(i)为当前周期xi (n)的频谱分量中各个偶次谐波总和除以前q个周期偶次谐波总和的平均值平均值:式中，^e。*(!) = Z丄:r, (AO ， k = 2，4,.N/2，为前q个周期偶次谐波的总和，q为正整数；IV.所述奇次谐波分量标志OdcUi)为当前周期xi (n)的频谱分量中从第5次开始的奇次谐波总和除以前q个周期从第5次开始的式中，0^力)=2]4=5《(，k = 5,7,...，N/2，为当前周期xi，，(n)的频谱分量中从第5次开始的奇次谐波的总和，q为正整数。本专利技术所述的方法，其中所述步骤l)中从市电电压幅值从负至正的过零点开始连续采集原始负载电流xi'(n)和通过带通滤波器后的负载谐波电流时域信号xi(n)，执行如下步骤1-1)判断市电电压幅值从负至正过零点标志位Flag一zero是否为l，如果Flag一zero为1 ，执行步骤l-2)，否则，中断返回；1-2)启动A/D采样，采集两路负载电流信号，每个周期均采集N点，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种串联电弧故障保护的方法，其特征在于：该方法包括：１）从市电电压幅值从负至正的过零点开始连续采集原始负载电流ｘｉ’（ｎ）和通过带通滤波器后的负载谐波电流时域信号ｘｉ”（ｎ），ｎ＝０，１，．．．，Ｎ－１，通过短时傅里叶变换获取各个频率频谱的基波分量Ｙｉ’（ｋ），Ｙｉ”（ｋ），ｋ＝０，１，．．．，Ｎ－１；２）设置：第一阈值为基波分量阈值，第二阈值为偶次谐波分量阈值，第三阈值为奇次谐波分量阈值，第四阈值为偶次谐波增量阈值，第五阈值为奇次谐波增量阈值，第六阈值为电弧事件次数阈值；３）由当前第ｉ周期的基波分量Ｙｉ’（１）计算基波分量标志Ｂａｓｅ↓［ｓｃａｌｅ］（ｉ），并判断所述基波分量标志Ｂａｓｅ↓［ｓｃａｌｅ］（ｉ）的值是否小于等于所述第一阈值；４）计算当前周期ｘｉ”（ｎ）的频谱分量中各个偶次谐波的总和Ｅｖｅｎ↓［ｏｒｄｅｒ］（ｉ）和偶次谐波分量标志Ｅｖｅｎ↓［ｓｃａｌｅ］（ｉ），并判断所述偶次谐波分量标志Ｅｖｅｎ↓［ｓｃａｌｅ］（ｉ）的值是否大于等于所述第二阈值；５）计算当前周期ｘｉ”（ｎ）的频谱分量中从第５次开始的奇次谐波的总和Ｏｄｄ↓［ｏｒｄｅｒ］（ｉ）和奇次谐波分量标志Ｏｄｄ↓［ｓｃａｌｅ］（ｉ），并判断所述奇次谐波分量标志Ｏｄｄ↓［ｓｃａｌｅ］（ｉ）的值是否大于等于所述第三阈值；６）计算当前第ｉ周期Ｅｖｅｎ↓［ｏｒｄｅｒ］（ｉ）与前一个周期Ｅｖｅｎ↓［ｏｒｄｅｒ］（ｉ－１）的差值即偶次谐波增量Ｅｖｅｎ＿ｖａｒｉａｎｃｅ（ｉ），并判断所述偶次谐波增量Ｅｖｅｎ＿ｖａｒｉａｎｃｅ（ｉ）是否大于等于所述第四阈值；７）计算当前第ｉ周期Ｏｄｄ↓［ｏｒｄｅｒ］（ｉ）与前一个周期Ｏｄｄ↓［ｏｒｄｅｒ］（ｉ－１）的差值即奇次谐波增量Ｏｄｄ＿ｖａｒｉａｎｃｅ（ｉ），并判断所述奇次谐波增量Ｏｄｄ＿ｖａｒｉａｎｃｅ（ｉ）是否大于等于所述第五阈值；８）若当前第ｉ周期满足以下条件：Ⅰ．基波分量标志Ｂａｓｅ↓［ｓｃａｌｅ］（ｉ）≤＝第一阈值；Ⅱ．偶次谐波分量标志Ｅｖｅｎ↓［ｓｃａｌｅ］（ｉ）＞＝第二阈值；Ⅲ．奇次谐波分量标志Ｏｄｄ↓［ｓｃａｌｅ］（ｉ）＞＝第三阈值；Ⅳ．偶次谐波增量Ｅｖｅｎ＿ｖａｒｉａｎｃｅ（ｉ）＞＝第四阈值；Ⅴ．奇次谐波增量Ｏｄｄ＿ｖａｒｉａｎｃｅ（ｉ）＞＝第五阈值，则判断第ｉ周期为故障电弧周期；９）若在连续的Ｋ个周期中，发生了Ｍ个电弧周期，电弧事件次数Ｍ＞＝第六阈值，则判断此时发生了电弧故障，电弧故障发生信号被输出，...

【技术特征摘要】
1、一种串联电弧故障保护的方法，其特征在于该方法包括1)从市电电压幅值从负至正的过零点开始连续采集原始负载电流xi’(n)和通过带通滤波器后的负载谐波电流时域信号xi”(n)，n＝0，1，...，N-1，通过短时傅里叶变换获取各个频率频谱的基波分量Yi’(k)，Yi”(k)，k＝0，1，...，N-1；2)设置第一阈值为基波分量阈值，第二阈值为偶次谐波分量阈值，第三阈值为奇次谐波分量阈值，第四阈值为偶次谐波增量阈值，第五阈值为奇次谐波增量阈值，第六阈值为电弧事件次数阈值；3)由当前第i周期的基波分量Yi’(1)计算基波分量标志Basescale(i)，并判断所述基波分量标志Basescale(i)的值是否小于等于所述第一阈值；4)计算当前周期xi”(n)的频谱分量中各个偶次谐波的总和Evenorder(i)和偶次谐波分量标志Evenscale(i)，并判断所述偶次谐波分量标志Evenscale(i)的值是否大于等于所述第二阈值；5)计算当前周期xi”(n)的频谱分量中从第5次开始的奇次谐波的总和Oddorder(i)和奇次谐波分量标志Oddscale(i)，并判断所述奇次谐波分量标志Oddscale(i)的值是否大于等于所述第三阈值；6)计算当前第i周期Evenorder(i)与前一个周期Evenorder(i-1)的差值即偶次谐波增量Even_variance(i)，并判断所述偶次谐波增量Even_variance(i)是否大于等于所述第四阈值；7)计算当前第i周期Oddorder(i)与前一个周期Oddorder(i-1)的差值即奇次谐波增量Odd_variance(i)，并判断所述奇次谐波增量Odd_variance(i)是否大于等于所述第五阈值；8)若当前第i周期满足以下条件I.基波分量标志Basescale(i)≤＝第一阈值；II.偶次谐波分量标志Evenscale(i)＞＝第二阈值；III.奇次谐波分量标志Oddscale(i)＞＝第三阈值；IV.偶次谐波增量Even_variance(i)＞＝第四阈值；V.奇次谐波增量Odd_variance(i)＞＝第五阈值，则判断第i周期为故障电弧周期；9)若在连续的K个周期中，发生了M个电弧周期，电弧事件次数M＞＝第六阈值，则判断此时发生了电弧故障，电弧故障发生信号被输出，以切断用户电路。2、根据权利要求l所述的方法，其特征在于其中 I .所述短时傅里叶变换获取的各个频率频谱的基波分量<formula>formula see original document page 3</formula>其中k = 0,l, ...,N-l，当STFT窗口长度T-20ms时，频率分辨率fl-l/T-50Hz,短时傅里 叶变换获取的各个频率频谱的基波分量为Yi'(k),Yi(k)分别为直流分量，50Hz基波分量， 以及2th、 3th、 ....... (N-l)/2th各次频谱分量；II. 所述基波分量标志Base—。(i)为当前第i周期的基波分量除以前q个周期基波分量的 平均值<formula>formula see original document page 3</formula>式中，Base(i)为当前第i周期的基波分量Yi' (l)的赋值，q为正整数；III. 所述偶次谐波分量标志EverWe(i)为当前周期xi (n)的频谱分量中各个偶次谐波总 和除以前q个周期偶次谐波总和的平均值<formula>formula see original document page 3</formula>式中，￡。*力')=1^=2:^ (A) , k = 2,4,...N/2,为前q个周期偶次谐波的总和， q为正整数；IV.所述奇次谐波分量标志OdcUji)为当前周期xi(n)的频谱分量中从第5次开始的奇 次谐波总和除以前q个周期基波分量的平均值<formula>formula see original document page 3</formula>式中，OtW。^r(Z) = 2^=5y; (...

【专利技术属性】
技术研发人员：王聪，程红，卢其威，邹甲，胡少英，李童，刘景剑，
申请(专利权)人：王聪，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]