CN101696986A

CN101696986A - 故障电弧检测方法及保护装置

Info

Publication number: CN101696986A
Application number: CN200910154087A
Authority: CN
Inventors: 吴为麟; 郑伟彦; 吴晶莹
Original assignee: Individual
Current assignee: JIANGSU KAILONG ELECTRONICS CO Ltd
Priority date: 2009-10-26
Filing date: 2009-10-26
Publication date: 2010-04-21
Anticipated expiration: 2029-10-26
Also published as: CN101696986B

Abstract

本发明公开了一种故障电弧检测方法，先对电流信号进行采样获得采样信号，再从采样信号中分离出高频部分，然后通过检测该高频部分的能量突变来识别出电弧并记录出现电弧次数，最后通过检测电弧次数来识别出故障电弧。本方法利用故障电弧波形中含有高频扰动的特征作为识别电弧的判断条件，有效地检测出交流阻性负荷和直流故障电弧。本发明还公开了采用上述方法的保护装置，可以有效分辨出各种故障电弧并采取相应的保护措施。

Description

故障电弧检测方法及保护装置

技术领域

本发明属于电路保护设备领域，特别是涉及一种用于配电终端***中检测故障电弧的方法以及采用该方法的保护装置。

背景技术

住宅内电气线路和设备，如：电气布线、插座、家用电器内部的电线或电器的电源线等，由于长时间的过负荷运行，或者存在不良的电气连接等情况，使电线的绝缘层出现老化，绝缘效果降低，或者绝缘层发生破损，都可能发生故障电弧。电弧火花引燃线路会造成火灾的发生。现在常用的电路保护装置熔断器和接地故障断路器还不能有效的检测故障电弧并形成断路保护。AFCI(ArcFault Circuit Interrupter)技术是一项最新的电路保护技术，能够提供故障电弧保护，其主要作用是为了在发生故障电弧时及时分断电路，避免负荷损坏，并降低火灾的可能性。

目前，国内外专家提出了一些可行的AFCI检测方法和保护电路，但都是针对50Hz～60Hz交流电路的，典型家用负荷故障电弧电流波形如图6所示，故障电弧电流波形存在幅值降低、正负半周不对称、平肩部和波形陡峭等特征。因为，现在大多AFCI检测方法和保护电路都是通过判断电流波形的导数(di/dt，即波形陡峭程度)或者电弧的平肩部、正负半波不对称等特性是否超过设定阀值并且累积电弧周期是否超过阀值来识别故障电弧电流；然而，对于汽车42v直流供电电弧，或者负载为阻性的交流电弧，如图7、图8所示，电弧的平肩部、正负半波不对称等特征都不是很明显，超出了传统的AFCI检测方法和保护电路的判断故障原理，因此电弧保护装置的无法正确动作，无法有效地将检测出交流阻性负荷和直流故障电弧。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明的目的之一是提供一种故障电弧检测方法，利用故障电弧波形中含有高频扰动的特征作为识别电弧的判断条件，有效地检测出交流阻性负荷和直流故障电弧。

本发明的另一目的是提供一种采用上述方法的保护装置，可以有效分辨出各种故障电弧并采取相应的保护措施。

为了达到上述的目的，本发明采用了以下的技术方案：

一种故障电弧检测方法，先对电流信号进行采样获得采样信号，再从采样信号中分离出高频部分，然后通过检测该高频部分的能量突变来识别出电弧并记录出现电弧次数，最后通过检测电弧次数来识别出故障电弧。

从图7、图8所示的电流波形中我们可以看出，电弧导致电流波形产生扰动，换句话说，产生电弧是在原来特定频率的低频电流信号中混入了高频扰动杂波，高频扰动杂波所具有的能量使得电流信号的高频能量产生突变，因而，将电流信号的低频部分滤除，高频部分的波形就可以非常明显、清楚地反映出该高频部分能量的变化情况，通过检测高频能量的是否存在突变即可识别出是否存在电弧，通过检测电弧次数就可以识别出故障电弧。因为在电弧的判别过程中将采样信号的高频部分和低频部分分离进行检测，所以，可以有效地检测出包括交流阻性负荷和直流故障电弧在内的多种故障电弧；并且，因为是采样包含高频和低频的完整电流信号，而不是直接采样电流信号中的高频信息，保证了采样信号的真实性和可靠性，避免重要的电弧特征信息被滤除或者忽略。

作为优选，上述高频部分是指采样信号中2.5kHz～100kHz的高频信号。各种故障电弧所产生的高频扰动杂波主要集中在这一频段。

作为优选，上述采样信号通过提升小波包进行多层分解分离出高频部分。采用提升小波包变换，相比常用的傅里叶变换和Mallat小波相比具有运算速度快、完全本位计算，变换后的系数与原信号长度相同而不需占用辅助存储器空间等优点，可利于DSP等硬件编程。

作为优选，在0.5秒内有8个半周期出现电弧则识别为存在故障电弧。电弧的产生有很多种原因，在有些情况诸如开关通断时产生的电弧都是正常范围内的无害电弧，因而上述判别条件可以将故障电弧和无害电弧有效区分开。这里的“半周期”是指半个交流电周期(50Hz交流电的半周期为10ms)。另外，这一基本原则反映了故障电弧产生的高频杂波出现的规律性，不仅适用于交流故障电弧检测也同样适用于直流故障电弧检测。

作为优选，上述从采样信号中分离出的高频部分先经过滤波处理，再进行电弧识别。滤去正常的因AD精度误差以及电路噪声造成的高频干扰信号能量，更有利于有效检测电流信号中高频部分的能量突变。

本方案的具体实施方案包括如下步骤：

(1)采集电流同一采样窗口内同一时间间隔的电流信号采样值组成电流波形数据集合，再对该电流波形数据集合进行提升小波包变换得到小波包系数W[m，n]，然后对小波包系数W[m，n]进行滤波处理，存储计算结果；其中，m为分解层数，n＝1，2…2^m为小波包系数向量编号；

(2)间隔若干个采样窗口或者间隔固定时间，选取一个采样窗口重复步骤(1)获得各个小波包系数W[m，n]_ref作为正常时刻电流的参考数据集合，计算并更新以下参数：正常时刻电流各个小波包系数W[m，n]_ref的最大值W[m，n]_maxref、最小值W[m，n]_minref、平均值W[m，n]_midref和相邻数据差的最大值W[m，n]_Δref；

(3)对当前采样窗口重复步骤(1)获得各个小波包系数W[m，n]_cur作为当前时刻电流的参考数据集合，计算当前时刻电流各个小波包系数W[m，n]_cur的最大值W[m，n]_max、最小值W[m，n]_min、平均值W[m，n]_mid和相邻数据差的最大值W[m，n]_Δ；

(4)满足以下条件之一则指示为当前采样窗口出现电弧：

I、|W[m，n]_max-W[m，n]_mid|/|W[m，n]_maxref-W[m，n]_midref|＞η4或者|W[m，n]_min-W[m，n]_mid|/|W[m，n]_minref-W[m，n]_midref|＞η4；分解获得的各个小波包系数反映了其所指代的频带中的能量分布情况，此判据对应在采样时刻的小波包系数相对于正常时刻的小波包系数的波形幅值突变(绝对值突变)；

II、|W[m，n]_Δ|/|W[m，n]_Δref|＞η5；此判据对应在采样时刻的小波包系数相对于正常时刻的小波包系数的波形斜率突变(相对值突变)；

其中，η4、η5为给定阀值；

(5)若连续M个采样窗口出现电弧，并且M＞η6，则指示为故障电弧，其中，η6为给定阀值。

本方案由于采用了提升小波包变换，相比常用的傅里叶变换和Mallat小波相比具有运算速度快、完全本位计算、变换后的系数与原信号长度相同而不需占用辅助存储器空间等优点，利于DSP等硬件编程。每个采样窗口的电流波形，经过提升小波包分解后至少有2个小波包系数向量，因为电流信号波形经过小波包变换获得的小波包系数反映了其所指的频带的能量分布和变化情况，所以，分别对小波包系数提取电弧特征就可以识别确认电弧窗口，不同类型的电弧故障与不同的小波包系数里的电弧特征对应，可以用最少的小波包系数提取出其中电弧细节高频特征，使得电弧判断准确率更高。如果连续多个周期同一小波包系数出现电弧特征信号则判定存在某特定类型的故障电弧。

作为优选，上述步骤(1)中的滤波处理包括如下步骤：

(1)对各个小波包系数W[m，n]取模得到其小波包系数模值WA[m，n]的集合，WA[m，n]＝|W[m，n]|，计算平均值得到mean＝∑WA[m，n]/N(N为小波包系数WA[m，n]的个数)；

(2)依次读入各个小波包系数模值WA[m，n]进行判断：

若(WA[m，n]-mean)/mean＞η2成立，则保留该WA[m，n]对应的W[m，n]；

若(WA[m，n]-mean)/mean＞η2不成立，则该WA[m，n]对应的W[m，n]更新为数值零；

(3)存储各个小波包系数W[m，n]。

采用上述的故障电弧检测方法的故障电弧保护装置，包括电源电路，电流传感器，电流传感器连接有信号负载电阻R11，电流传感器一端依次连接有电压跟随电路、信号调理放大电路、A/D采样电路、微处理器和脱扣驱动电路及其控制脱扣组件，其中，电流传感器产生的电压信号通过电压跟随电路传递至调理放大电路转换为适合于A/D采样的直流信号，A/D采样电路对该直流信号进行采样，微处理器对A/D采样的信号进行电弧特性判别并产生脱扣信号给脱扣驱动电路及其控制脱扣组件。所述电流传感器为交流传感器或者直流传感器，其中，所述交流传感器由电流互感器TR1组成；所述直流传感器由分流器S和差分电压转化芯片U6组成。

本方案的优点在于，将电弧信息分解到不同频带的提升小波包系数上，不同电弧故障对应不同的小波包系数，除了能够检测典型的电弧故障，还扩展到交流的阻性负载电弧和直流电弧等其他类型的电弧检测，扩大了传统电弧保护装置的保护范围。

附图说明

图1(a)是本发明实施例1的电路原理图(交流)

图1(b)是本发明实施例2的电路原理图(直流)。

图2(a)是本发明实施例1的原理框图。

图2(b)是本发明实施例2的原理框图。

图3是本发明微处理器的流程图。

图4是模最大值滤波示意图。

图5是图3中电弧判别子程序的流程图。

图6是典型家用负荷故障电弧波形图。

图7是交流阻性负荷故障电弧电流波形图。

图8是直流负荷电路故障电弧电流波形图。

图9是提升小波包分解示意图。

图10是交流阻性负荷提升小波包分解波形图。(为两层分解m＝2，各分解波形图的横坐标表示时间，纵坐标表示小波包系数的赋值)

图11是直流负荷电路提升小波包分解波形图。(为两层分解m＝2，各分解波形图的横坐标表示时间，纵坐标表示小波包系数的赋值)

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步详细的说明。

实施例1：

一种故障电弧检测方法，先对电流信号进行采样获得采样信号，再从采样信号中分离出高频部分，然后通过检测该高频部分的能量突变来识别出电弧并记录出现电弧次数，最后通过检测电弧次数来识别出故障电弧(基本原则是在0.5秒内有8个半周期出现电弧则识别为存在故障电弧)；其中，所述高频部分是指采样信号中2.5kHz～100kHz的高频信号；所述采样信号通过提升小波包进行多层分解分离出高频部分，该高频部分先经过滤波处理(滤去正常时刻因AD精度误差以及电路噪声造成的的高频干扰信号能量)，再进行电弧识别。

首先，介绍一下提升小波包的物理含义：

小波变换的过程就是一个滤波的过程，小波变换的公式就是一个卷积公式，在用不同小波函数卷积，我们将得到不同的频段上信号的相应特征，根据采样定律：以采样率Fs采样得到的信号包含0-Fs/2的频率信息。对原信号S进行提升小波变换相当于：1、将原信号S通过带有小波特征的低通滤波器LPF得到包含0-Fs/4频段信息的低频信号a；2、将原信号S通过带有小波特征的高通滤波器HPF得到包含Fs/4-Fs/2频段信息的高频信号d。

提升小波包就是将原始的频段信息一分为二分别占据一半宽的频带，得到低频信息a和高频信息d，然后在对a，d分别再用提升小波分解，把高低频部分进一步二分，以此类推，可以对原始信号的按频段均匀分成2^m份的信息(m为分解层数)。

基于提升小波包的故障电弧检测方法，包括如下步骤：(1)采集电流同一采样窗口内同一时间间隔的电流信号采样值组成电流波形数据集合，再对该电流波形数据集合进行提升小波包变换得到小波包系数W[m，n]，然后对小波包系数W[m，n]进行滤波处理，存储计算结果；其中，m为分解层数，n＝1，2…2^m为小波包系数向量编号；(m＝1，分解1层可以得到2个小波包系数，因此给予编号为n＝1，2；m＝2，分解2层可以得到4个小波包系数，因此n＝1，2，3，4；以此类推)；

(4)满足以下条件之一则指示为当前采样窗口出现电弧：

I、|W[m，n]_max-W[m，n]_mid|/|W[m，n]_maxref-W[m，n]_midref|＞η4或者|W[m，n]_min-W[m，n]_mid|/|W[m，n]_minref-W[m，n]_midref|＞η4；

II、|W[m，n]_Δ|/|W[m，n]_Δref|＞η5；

其中，η4、η5为给定阀值；(η4和η5的取值通过实验测试获得，表现为故障电弧能量足以引起线路绝缘线皮碳化形成电弧碳化路径情况下的临界值，各种故障电弧情况下η4和η5都不应小于4，本实施例取η4＝4，η5＝10)

(5)若连续M个采样窗口出现电弧，并且M＞η6，则指示为故障电弧，其中，η6为给定阀值。(考虑到一般采样窗口为半个工频周期，应用“在0.5秒内有8个半周期出现电弧则识别为存在故障电弧”的基本原则以避开正常开关切断和电器启动产生的正常短时线路电弧，η6至少应不小于8，本实施例取η6＝8)

上述步骤(1)中的滤波处理包括如下步骤：

(2)依次读入各个小波包系数模值WA[m，n]进行判断：

(3)存储各个小波包系数W[m，n]。(η2为正常电路工作时小波包系数的能量峰值相对能量均值的比值，一般为2～4，本实例取η2＝2)

如图1(a)、图2(a)所示，本实施例为一应用于交流的故障电弧保护装置，包括电源电路7和电流传感器，电流传感器连接有信号负载电阻R11，电流传感器输出端依次连接有电压跟随电路4、信号调理放大电路6、A/D采样电路5、微处理器2和脱扣驱动电路1及其控制脱扣组件3，其中，电流传感器产生的电压信号通过电压跟随电路4传递至调理放大电路6转换为适合于A/D采样的直流信号，A/D采样电路5对该直流信号进行采样，微处理器2对A/D采样的信号进行电弧特性判别并产生脱扣信号给脱扣驱动电路1及其控制脱扣组件3。图1(a)中的电流互感器TR1是将交流电流信号转为电压信号，电流互感器TR1两端并联有信号负载电阻R11，其中一端接在交流电源的火线或者零线上。上述电压跟随电路4由电阻R2、电阻R3和运放U5A组成，运放U5A的同相输入端接电阻R2，电阻R2接信号负载电阻R11，运放U5A的反向输入端和输出端之间接电阻R3，将电压信号隔离传递至信号调理放大电路6。上述信号调理放大电路6由变阻器VR2、电阻R12和运放U5B组成，运放U5B的同相输入端接电压跟随电路4的输出端，运放U5B的反向相输入端接电阻R12，运放U5B的反向输入端和输出端之间接变阻器VR2，运放U5B输出端连接由电阻R4和电阻R10组成的上拉电路，上拉电路的接出端连接A/D采样电路5。上述A/D采样电路5可以与微处理器2独立分开，也可以选用自带A/D采样电路的微处理器。微处理器2中芯片U1和A/D芯片U2间通过数据总线P0.0-P0.7进行数据传输，每隔一固定时间，U1进入定时中断，从U2获取当前的信号复制，U1的地址线通过控制芯片X2A和X2B(X2A和X2B是型号为SN74HCO2N的控制芯片的两个通道)产生控制信号，对U2进行同步、读写控制。上述脱扣驱动电路1由相串联的电阻R1和光耦01组成；脱扣组件3为连接光耦01的脱扣器K1。微处理器中芯片U1的I/O口P1.7通过电阻R1接光耦01的输入端，工作后U1若检测到故障电弧，则将此I/O口置高电平，光耦01工作，光耦01的输出三极管短接，脱扣器K1的线圈通电，吸合触头，将接到负荷上的开关断开。上述电源电路7包括：电容C4和C5跨接在交流电源两端，二极管D2、D3、D4、D5组成整流电路，将电容C5上的交流电源整流成直流，通过稳压芯片U4输出直流电源；电容C2、C3并联在稳压芯片U4的输入端和接地端之间，起到滤波的作用；二极管D6、D7跨接在进线端，防止过电压。电源电路7为各电路模块提供稳定的直流电。

下面对本实例的故障电弧检测方法步骤进行详细、具体的说明：

(一)采集交流电流同一采样窗口内同一时间间隔的电流信号采样值组成电流波形数据集合I＝{I1 I2 I3…In}(在时域上取窗口的宽度为1/2工频周期10ms，每次移动的为1/2工频周期10ms)，对I进行提升小波包变换，以最简单的db1小波包(harr小波)为例：

1、将信号按其序数奇偶性分为两个子集奇数集合odd和偶数集合even：

odd＝{I1，I3，I5…}

even＝{I2，I4，I6…}

2、将db1小波对应的更新算子U(db1小波更新算子U＝-1)与偶数集合相乘，与奇数集合相减的结果赋值给奇数集合：

odd＝odd-U*even

3、将db1小波对应的预测算子P(db1小波预测算子P＝0.5)与奇数集合相乘，与偶数集合相加的结果赋值给偶数集合：

even＝even+P*odd

4、输出数据到小波包系数W[m n]，其中m＝1为分解层数，n＝1，2…2^m为小波包系数向量编号：W[1，1]＝p*even，W[1，2]＝q*odd

其中p，q为db1提升小波的归一化系数(对于db1小波p＝1.41421356，q＝0.70710678)；

5、设分解层数m＝m+1，小波包系数编号n＝1，2，...2^m，对上层的小波包系数W[m n]继续分解：

对W[1，1]重复步骤1～4得到新的小波包系数W[2，1]W[2，2]；

对W[1，2]重复步骤1～4得到新的小波包系数W[2，3]W[2，4]；

6、重复步骤5，直到m＞η1为止，其中η1为设定分解层数，取η1＝2，具体操作步骤图示见图9。

以上操作中步骤2更新计算和步骤3预测计算执行的先后顺序和次数以及算子U和P具体数值是由具体对应小波函数决定。如果采用bior4.4小波(正交小波)，计算顺序是P1预测计算，U1更新计算，P2预测计算，U2更新计算，z表示左移位计算，z-1表示右移位计算，bior4.4对应归一化系数p＝-1.14960440，q＝-0.86986445。

p₁(z)＝α(z+1) α＝-1.586134342060

u₁(z)＝β(1+z^-1)β＝-0.052980118573

p₂(z)＝γ(z+1) γ＝0.882911075531

u₂(z)＝δ(1+z^-1)δ＝1.149604398860

(二)对小波包系数W[m，n]进行滤波处理：

1、对小波系数W[m，n]取模得到小波系数模值的集合WA[m，n]＝|W[m，n]|，计算平均值得到mean＝∑WA/N(N为小波系数WA的个数)；

2、依次读入WA[m，n]的系数进行判断：

若(WA [m，n]-mean)/mean＞η2成立，将保留WA[m，n]对应W[m，n]位置的系数符号和模值；

若(WA[m，n]-mean)/mean＞η2不成立，将WA[m，n]对应W[m，n]位置的系数用数值零代替；

其中，η2＝2；

3、存储滤波以后的计算结果，具体操作步骤图示见图4。

(三)间隔若干个采样窗口或者间隔固定时间(本实例为1小时)，选取一个采样窗口的电流波形数据集合作为正常时刻的参考数据集合，做提升小波包变换，滤波处理后获得小波包系数W[m，n]_ref，并更新参考参数：计算出正常时刻电流各个小波包系数的最大值W[m，n]_maxref和小波包系数最小值W[m，n]_minref，小波包系数平均值W[m，n]_midref以及相邻数据差的最大值W[m，n]_Δref；

其中：W[m，n]_maxref＝max(W[m，n]_ref)，W[m，n]_minref＝min(W[m，n]_ref)

W[m，n]_midref＝∑W[m，n]_ref/N，W[m，n]_Δref＝max(|W[m，n-1]_ref-W[m，n]_ref|)

(四)采集当前窗口的电流波形数据，做提升小波包变换，滤波处理后获得小波包系数W[m，n]_cur，计算当前窗口电流值的各个小波包系数的最大值W[m，n]_max和最小值W[m，n]_min，平均值W[m，n]_mid，相邻数据差的最大值W[m，n]_Δ；

其中：W[m，n]_max＝max(W[m，n]_cur)，W[m，n]_min＝min(W[m，n]_cur)

W[m，n]_mid＝∑W[m，n]_cur/N，W[m，n]_Δ＝max(|W[m，n-1]_cur-W[m，n]_cur|)

(五)小波包系数W[m，n]_cur，n＝2，3，…2^m时满足以下条件之一则指示为交流阻性负荷电弧或直流负荷故障电弧时间窗口：

II、|W[m，n]_Δ|/|W[m，n]_Δref|＞η5；

其中，η4＝4、η5＝10；

(六)若连续M个窗口指示为故障电弧窗口，并且M＞η6，则指示为故障电弧。其中，η6＝8。

下面对故障电弧保护装置的程序流程做详细的说明。

如图3所示，微处理器的工作流程如下：

1、上电复位；

2、程序初始化，所有标志位置为0，所有I/O口清零；

3、设定定时时间参数，开启定时中断；

4、启动A/D转换；

5、采集同一采样窗口内同一时间间隔的电流信号采样值；

6、间隔若干个采样窗口或者间隔固定时间，更新参考参数：计算出正常时刻电流各个小波包系数的最大值W[m，n]_maxref和小波包系数最小值W[m，n]_minref，小波包系数平均值W[m，n]_midref以及相邻数据差的最大值W[m，n]_Δref；

7、调用电弧判别子程序，电弧判别的逻辑方法如图5所示；

8、如果返回脱扣信号，则微处理器发出脱扣指令，切断电源，如果没有脱扣信号，返回数据采集程序，继续对上一采样窗口的电流波形数据进行处理。

如图5所示，电弧检测子程序的流程如下：

1、采集交流电流同一采样窗口内同一时间间隔的电流信号采样值组成电流波形数据集合I＝{I1 I2 I3…In}；

2、对I进行提升小波包变换，m层提升小波包得到W[m，n]，n＝1，2，...2^m；

3、对小波包系数W[m，n]，n＝2，3，…2^m，进行滤波处理；

4、计算当前窗口电流值的各个小波包系数的最大值W[m，n]_max和最小值W[m，n]_min，平均值W[m，n]_mid，相邻数据差的最大值W[m，n]_Δ；

5、如果|W[m，n]_max-W[m，n]_mid|/|W[m，n]_maxref-W[m，n]_midref|＞η4，电弧次数加1，跳转到电弧次数判别步骤8，否则跳转到步骤6，其中，η4为给定阀值；

6、如果|W[m，n]_min-W[m，n]_mid|/|W[m，n]_minref-W[m，n]_midref|＞η4，电弧次数加1，跳转到电弧次数判别步骤8，否则跳转到步骤7，η4为给定阀值；

7、如果|W[m，n]_Δ|/|W[m，n]_Δref|＞η5，电弧次数加1，跳转到电弧次数判别步骤8，否则判断电弧次数是否已经清零，其中，η5为给定阀值；

8、如果最后电弧次数M＞η6，则指示为故障电弧，发送脱扣指令，否则返回主程序，其中，η6为给定阀值；

9、判断电弧次数是否已经清零，如果电弧次数已经清零，返回主程序，否则电弧次数减1并返回主程序。

本技术方案，通过电流传感器对电流信号进行采集，经过信号调理放大电路，送入A/D转换芯片，微处理器通过提升小波包将电流信号分解到不同小波包系数向量，不同负荷下的故障电弧特征分布在不同频率段多小波包系数特征量正负、数值都是不同的。如图10所示，是交流阻性负荷提升小波包分解波形图，电阻性负荷在发生电弧故障时，W[2，2]包含2.5kHz～5kHz信号频率信息，每个采样窗口有一正一负2个特征值；W[2，3]包含5kHz～7.5kHz信号频率信息每个采样窗口中有一个特征值，可正可负；W[2，4]包含7.5kHz～10kHz信号频率信息每个采样窗口有2个特征值，都为负值。需要说明的是因为受到采样频率的限制，本实例(每个采样窗口200个采样点)所能分辨的频率信息范围是0～10kHz，根据实验分析，各种故障电弧的所导致的杂波主要分布在2.5kHz～100kHz。交流故障电弧和直流故障电弧的分布频带基本相同。

实施例2：

如图1(b)、图2(b)所示，本实施例为一应用于直流的故障电弧保护装置，与实施例1的区别仅在于，采用直流传感器采样直流电流信号，该直流传感器由分流器S和差分电压转化芯片U6组成(直流传感器还可以是霍尔直流传感器)，其他均与实施例1相同。

图1(b)中的直流传感器是将直流电流I_dc转化成可供AD方便采样直流电压装置U_dc，输入输出关系为U_dc＝R(I_dc)，其中R为函数映射关系，可以是线性关系也可以非线性映射关系。直流传感器是由分流器S将直流电流转化为差分电压，再由差分电压转化芯片U6将差分电压转化成对地电压。

本实施例的故障电弧检测方法与实施例1相同，在时域上取采样窗口的宽度为10ms，每次移动的为10ms，各给定阀值取值不变。

如图11所示，是直流负荷电路提升小波包分解波形图，分解滤波后相对原来变化明显，滤波后有很多突变值，但相比交流阻性负荷而言，没有周期性概念，不能分类电弧，但是仍可以采用判断交流故障电弧的方法来识别直流故障电弧，即采用在0.5秒内连续8个采样窗口出现电弧则识别为存在故障电弧。

交流阻性负荷和直流负荷都通过小波系数特征量来判断是否发生故障电弧以及电弧类型，脱扣组件会在检测到故障电弧的情况下动作，切断电源，达到对负载的保护，避免火灾的发生。

本发明不局限于以上具体实施方式，只要采用了本发明的基于提升小波包的故障电弧检测方法，无论采用何种电源电路或者信号采样处理电路或者微处理芯片或者脱扣驱动电路或者脱扣组件或者其他等同替换，都落入本发明的保护范围之内。本发明的故障电弧保护装置既可以作为一个独立的***，其电弧检测方法和保护电路也可以与其它现有的电路断路器如接地故障断路器或者电流保护器或者过电流保护器相结合，组成多功能的电路保护装置。

Claims

1.一种故障电弧检测方法，其特征在于，先对电流信号进行采样获得采样信号，再从采样信号中分离出高频部分，然后通过检测该高频部分的能量突变来识别出电弧并记录出现电弧次数，最后通过检测电弧次数来识别出故障电弧。

2.根据权利要求1所述的一种故障电弧检测方法，其特征在于，所述高频部分是指采样信号中2.5kHz～100kHz的高频信号。

3.根据权利要求1所述的一种故障电弧检测方法，其特征在于，所述采样信号通过提升小波包进行多层分解分离出高频部分。

4.根据权利要求1所述的一种故障电弧检测方法，其特征在于，在0.5秒内有8个半周期出现电弧则识别为存在故障电弧。

5.根据权利要求1所述的一种故障电弧检测方法，其特征在于，所述从采样信号中分离出的高频部分先经过滤波处理，再进行电弧识别。

6.根据权利要求1所述的一种故障电弧检测方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

(2)间隔若干个采样窗口或者间隔固定时间，选取一个采样窗口重复步骤(1)获得各个小波包系数W[m，n]_ref作为正常时刻电流的参考数据集合，计算并更新以下参数：正常时刻电流各个小波包系数W[m，n]_ref的最大值W[m，n]_maxref、最小值W[m，n]_minref、平均值W[m，n]_midref和相邻数据差的最大值W[m，n]_Δref；(3)对当前采样窗口重复步骤(1)获得各个小波包系数W[m，n]_cur作为当前时刻电流的参考数据集合，计算当前时刻电流各个小波包系数W[m，n]_cur的最大值W[m，n]_max、最小值W[m，n]_min、平均值W[m，n]_mid和相邻数据差的最大值W[m，n]_Δ；(4)满足以下条件之一则指示为当前采样窗口出现电弧：

II、|W[m，n]_Δ|/|W[m，n]_Δref|＞η5；

其中，η4、η5为给定阀值；

7.根据权利要求6所述的一种故障电弧检测方法，其特征在于，所述步骤(1)中的滤波处理包括如下步骤：

(2)依次读入各个小波包系数模值WA[m，n]进行判断：

(3)存储各个小波包系数W[m，n]。

8.采用权利要求1所述的故障电弧检测方法的故障电弧保护装置，其特征在于，包括电流传感器，电流传感器连接有信号负载电阻R11，电流传感器输出端依次连接有电压跟随电路(4)、信号调理放大电路(6)、A/D采样电路(5)、微处理器(2)和脱扣驱动电路(1)及其控制脱扣组件(3)，其中，电流传感器产生的电压信号通过电压跟随电路(4)传递至调理放大电路(6)转换为适合于A/D采样的直流信号，A/D采样电路(5)对该直流信号进行采样，微处理器(2)对A/D采样的信号进行电弧特性判别并产生脱扣信号给脱扣驱动电路(1)及其控制脱扣组件(3)。

9.根据权利要求8所述的故障电弧保护装置，其特征在于，所述电流传感器为交流传感器，所述交流传感器由电流互感器TR1组成。

10.根据权利要求8所述的故障电弧保护装置，其特征在于，所述电流传感器为直流传感器，所述直流传感器由分流器S和差分电压转化芯片U6组成。