CN105445611A - 故障电弧的检测方法和检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种故障电弧的检测方法和检测装置。所述检测方法包括：(a)采样一电路的瞬时电流值；(b)利用所述瞬时电流值预测电流峰值，当预测的电流峰值大于预定的阈值时，确定将要出现第一能量故障电弧；和(c)将所述瞬时电流值的时域特征或频域特征与该电路故障电弧的电流的基准时域特征或频域特征进行比较，当所述瞬时电流的时域特征或频域特征与该电路故障电弧电流的基准时域特征或频域特征的相似度达到预定的范围时，确定出现第二能量故障电弧。根据本发明实施例提供的故障电弧检测方法和装置，能够较早地检测到故障电弧的发生，并能够区分不同类型的故障电弧。

Description

故障电弧的检测方法和检测装置

技术领域

本发明涉及电路技术领域，具体涉及一种故障电路的检测方法和装置。

背景技术

用电引起的电气火灾逐年上升，已成为引发火灾的最主要原因。现有的过电流保护电器和剩余电流保护电器不能降低由于电弧故障引起的电气火灾危险，这类电气火灾事故约占整个电气火灾的30％左右。电弧故障检测装置是一种新颖的电弧故障保护电器，它能检测电气线路中的电弧故障，并在引发电气火灾以前切断电路，有效地防止终端电路的电弧故障引起的电气火灾。电弧故障断路器弥补了其他保护装置的不足，极大地提高了电气火灾的防护水平。

一些现有的电弧故障检测装置和方法是利用弧光的强度等物理特征加上实时检测的过电流幅值、过电流变化率作为故障电弧的识别特征。这种方法存在如下缺陷。

首先，检测过电流幅值或者过电流变化率导致识别出电弧的时间比较晚。同时，一些小能量电弧的弧光强度由于太小而无法识别。因此无法在早期阶段识别这些小能量故障电弧。这些小能量故障电弧会发展成大能量故障电弧，从而带来较大的损害。因此，总是希望及早地检测到故障电弧的发生，以便在故障电弧尚不足以损坏断路器设备时及时地跳闸、灭弧，从而保护工作人员、电力设备和电力***，并延长电力设备和电力***的使用寿命。同时，提高电气火灾的防护水平。

其次，在正常电气线路中，会存在大量正常电弧，例如开关电器操作产生的电弧、电动机电刷产生的电弧、弧焊机产生的电弧、插头插拔过程中产生的电弧等。此外，许多电子设备也会产生类似于故障电弧的电流波形和电压波形。因此，电弧故障断路器必需要能准确地区别正常电弧和故障电弧,这样才能迅速、有效地提供保护，同时防止误动作的发生，这是电弧故障断路器的技术关键。

最后，对于具有ZSI(Zone-SelectiveInterlocking)功能的电力***而言，及早地检测到故障电弧的发生更为重要。在使用了具有ZSI功能的电力***中，断路器对应不同级别的电路，在下游电路内发生故障时，对应该下游电路的断路器迅速跳闸，同时闭锁上游电路，以实现级间选择性的配合。但是，如果不能及早检测到故障电弧的发生，则无法实现提前限流，很可能出现对两个不同级别的电路同时进行保护的情况，影响ZSI功能的实现。

发明内容

本发明实施例提供了一种故障电路的检测方法和装置，能够在故障电弧出现之前及时地预测到故障电弧的发生。

本发明的一个实施例提供一种故障电弧的检测方法，该方法包括：(a)采样一电路的瞬时电流值；(b)利用所述瞬时电流值预测电流峰值，当预测的电流峰值大于预定的阈值时，确定将要出现第一能量故障电弧；和(c)将所述瞬时电流值的时域特征或频域特征与该电路故障电弧的电流的基准时域特征或频域特征进行比较，当所述瞬时电流的时域特征或频域特征与该电路故障电弧电流的基准时域特征或频域特征的相似度达到预定的范围时，确定出现第二能量故障电弧。

上述故障电弧的检测方法能够在电流达到峰值之前，及时地预测故障电弧的发生，并能够区分不同类型的故障电弧。步骤(b)中利用预测电流峰值的方式要比步骤(c)中特征比对的方式需要的时间短，因此上述算法能够较早地通过预测方式检测出短路故障电弧。和现有的实时检测过电流幅值、过电流变化率的方式相比，本发明实施例的上述方法检测到故障电弧的时间更早。由于能够较早地预测故障电弧，所以本发明能够减少大电流故障电弧造成的损害。同时，本发明还能够识别小电流故障电弧，所以能够避免小电流故障电弧发展成大电流故障电弧。并且通过区分短路故障电弧和小电流故障电弧，使得在出现小电流故障电弧时能够避免执行灭弧动作。

优选，所述方法还包括：采样所述电路电弧的物理特征，将采样的电路电弧的物理特征与该电路故障电弧的基准物理特征库进行比较，当采样的物理特征与该电路故障电弧的基准物理特征的相似度达到预定的范围并且在所述步骤(b)中确定将要出现第一能量故障电弧时，使所述电路上的断路器和灭弧器动作。短路电流不一定会产生大能量的故障电弧，上述实施例将预测的峰值电流和电弧的物理特征结合起来能够更加准确地确定是否会发生大能量的故障电弧。

本发明的另外一个实施例提供一种故障电路的检测装置，该装置包括：电流采样模块，用于采样一电路的瞬时电流值；第一能量故障电弧确定模块，用于利用所述瞬时电流值预测电流峰值，当预测的电流峰值大于预定的阈值时，确定将要出现第一能量故障电弧；第二能量故障电弧确定模块，用于将所述瞬时电流值的时域特征或频域特征与该电路故障电弧的电流的基准时域特征或频域特征进行比较，当所述瞬时电流的时域特征或频域特征与该电路故障电弧电流的基准时域特征或频域特征的相似度达到预定的范围时，确定出现第二能量故障电弧。

附图说明

图1是应用本发明故障电弧检测方法的一种电力***的结构示意图；

图2是本发明实施例中一种故障电弧的检测方法的流程图；

图3A和3B示出了本发明的另外一个优选实施例；

图4是应用本发明故障电弧检测方法的另外一种电力***的结构示意图；

图5为本发明实施例中故障电路检测装置的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，以下举例对本发明实施例进行进一步的详细说明。

图1是应用本发明故障电弧检测方法的一种电力***的示意图。电流从上方流入该电力***，从下方流出该电力***。为下文描述方便，这里将该电力***上游的支路称为电路1，下游的两个支路分别称为电路2和电路3。这里所谓的“上游”和“下游”是相对于电流的方向而言的。电路1、电路2、电路3上均设置有用于断开或者闭合该电路的断路器1和检测该电路瞬时电流的电流传感器2。断路器1可为空气断路器(ACB)、塑壳断路器等低压断路器(MCCB)和微型断路器(MCB)等。电流传感器2可以为空芯电流互感器，铁芯电流互感器或者霍尔电流传感器，其可以安装在各个断路器1上。该电力***还设有灭弧装置3，其为能够在发生故障电弧时快速灭弧的任何装置，例如可以为能够产生金属短路的灭弧装置。当灭弧装置3接收到某个电路上发送的灭弧指令时，其会动作。

图2是本发明实施例中一种故障电弧的检测方法的流程图。该故障电弧的检测方法包括如下步骤：步骤(a)，采样一电路的瞬时电流值；步骤(b)，利用所述瞬时电流值预测电流峰值，当预测的电流峰值大于预定的阈值时，确定将要出现第一能量故障电弧，这里第一能量故障电弧为短路故障导致的大能量故障电弧；和步骤(c)，将所述瞬时电流值的时域特征或频域特征与该电路故障电弧的电流的基准时域特征或频域特征进行比较，当瞬时电流的时域特征或频域特征与该电路故障电弧电流的基准时域特征或频域特征的相似度达到预定的范围时，确定出现第二能量故障电弧。

这里需要说明的是，在本发明中，步骤(b)和(c)的执行顺序可以调换，即可以先执行步骤(b)，在执行步骤(c)，反之亦可。另外，在步骤(c)中，也可以对瞬时电流值的时域特征和频域特征与该电路故障电弧的电流的基准时域特征和频域特征进行比较，权利要求中的“或”也包括两种特征都比较的方式。

具体而言，在步骤(a)中，采用图1中示出的电流传感器2分别检测电路1、电路2和电路3上的瞬时电流。即对电路中的电流进行n次连续采样，获取n个瞬时电流值，即确定i(t)的值。其中n为大于或等于3的整数。在步骤(b)中，基于现有的电流峰值预测算法，利用采样的n个瞬时电流值预测电流峰值。现有多种预测电流峰值的预测算法。例如，可以采用本申请人在先申请的中国专利CN102798753A(公开日为2012年11月28日)中公开的确定电流峰值I_peak的算法。这里全文引用的方式包含上述专利申请说明书中的全部内容。概括而言，该算法是利用瞬时电流值，基于针对电路的欧姆定律等式，预测电路的电流峰值I_peak，经过推导，可以得出如下公式：

$I_{\mathrm{peak}}=\sqrt{\frac{P^2+Q^2}{1+{\mathrm{\γ}}^2}}---\left(1\right)$

公式(1)中包括三个未知量的组合P、Q、γ，利用在至少三个时间采样点获得的瞬时电流i(t)和相应的i(t)积分值I(t)＝∫i(t)dt就可以计算出P、Q、γ的值。进而可以算出与上述时间采样点对应的电流峰值I_peak。另外，还可以采用利用非线性微分的动态模型，灰色预测模型中的Verhulst算法等，这里不再一一举例。

计算出预测的电流峰值后，比较预测的电流峰值和预定的阈值。当预测的电流峰值大于预定的阈值时，确定将要出现第一能量故障电弧。预定的阈值可以根据电力***以往产生的故障电弧的电流峰值设定，也可以通过实证研究获得。这里第一能量故障电弧为短路故障导致的大能量故障电弧。如果确定一个电路(例如电路1)上将要出现第一能量故障电弧，则可以使该电路上的断路器1跳闸。同时，还可以向该电路上的灭弧器3发送信号，使其开始灭弧。

上述步骤(b)中的算法可以嵌在断路器1的脱口器ETU(ElectronicTripUnit)中，利用脱扣器的处理器执行该算法。即，断路器1可以接收电流传感器2采集的瞬时电流值，确定第一能量故障电弧和第二能量故障电弧，并向灭弧装置3和断路器1的脱扣器发送动作信号。当然，也可以设置一个单独的处理器来执行该算法。

当所述瞬时电流的时域特征或频域特征与该电路故障电弧电流的基准时域特征或频域特征的相似度达到预定的范围时，确定出现第二能量故障电弧。

在步骤(c)中，将所述瞬时电流值的时域特征或频域特征与该电路故障电弧的电流的基准时域特征或频域特征进行比较。故障电弧的电流波形在时域和频域具有和正常电流不同的特性。例如在时域上，故障电弧的电流波形存在正负半周不对称、平肩部和波形陡峭等特征。在频域上，故障电弧的电流波形和正常电流的频谱成分具有可见的不同。可以先提取一电路的故障电弧的电流波形在时域和频域的频谱、幅值等典型特征，将其作为基准特征库存储起来。在实施本发明的故障电弧检测方法时，将采样的瞬时电流值在时域或频域的特征与该电路故障电弧的电流在时域或频域的基准特征库中的基准特征进行比较。如果二者的匹配程度达到预定的范围时，确定出现第二能量故障电弧。在确定一个电路上出现第二能量故障电弧时，可以使该电路上的断路器1跳闸。

可以看出，本发明实施例提供的故障电弧检测方法，在瞬时电流达到峰值之前，能够预测故障电流峰值，进而能够预测故障电弧，避免了电路中电流峰值和大能量故障电弧的发生，从而减低了故障电弧对电力设备、***的损害。

对于具有区域限选择性互锁功能(ZSI)功能的断路器1，可以采用图3A和3B示出的控制逻辑。当确定一电路(下面以电路1为例)出现第二能量故障电弧时，如果电路1没有收到下游电路(即电路2和电路3)的区域选择性互锁信号，则使电路1的断路器1动作，并向上游电路(图中未示出)发送区域选择性互锁信号；如果电路1收到电路2和电路3的区域选择性互锁信号，则电路1向上游电路发送区域选择性互锁信号。可见，在实现ZSI保护时，本发明能够及时检测出短路故障电弧的发生，可以更早地对相应的电路进行保护，能够避免不必要地切断正常电路。

图4是应用本发明故障电弧检测方法的另外一种电力***的结构示意图。本实施例在图2示出的电力***的基础上还为每个电路设置了光传感器4。光传感器4用于检测故障电弧的弧光强度。可以先提取一电路的故障电弧的典型光强特征，将其作为基准特征库存储起来。在实施本发明的故障电弧检测方法时，将光传感器4采样的的电弧弧光的光强特征与上述基准特征库中的基准特征进行比较。在二者的相似度达到预定的数值范围，并且在上述步骤(b)中确定将要将要出现第一能量故障电弧时，使对应电路上的断路器1动作，并使所述电路的灭弧器3动作。该实施例利用电弧的弧光强度特征和预测故障电路电流峰值两个条件来确定是否需要使断路器1和灭弧器3动作，进一步减少了断路器1和灭弧器3的误动作。

可以在断路器1的ETU中嵌入上面步骤b中的算法，利用ETU执行该算法。当然，也可以设置一个单独的处理器来执行该算法。图4中以处理器5来表示嵌入有该算法的ETU或者单独的处理器。处理器5还接收电流传感器1采集的瞬时电流值和光传感器4采集的光强信号，同时也向断路器1和灭弧器3发送动作信号。

在上述实施例中，除了使用光传感器以外，还可以使用噪声传感器、射频温度传感器等采集电弧的典型物理特征，从而通过比较采集的电弧的典型物理特征和电路基准特征库中的特征确定是否使断路器1和灭弧器3动作。

图5为本发明实施例中故障电路检测装置的结构示意图。如图5所示，该检测装置包括：电流采样模块11，用于采样一电路的瞬时电流值，第一能量故障电弧确定模块12，用于利用所述瞬时电流值预测电流峰值，当预测的电流峰值大于预定的阈值时，确定将要出现第一能量故障电弧；第二能量故障电弧确定模块13，将采样的所述瞬时电流值在时域和频域的特征与该电路故障电弧的电流在时域和频域的基准特征库中的基准特征进行比较，当采样的瞬时电流在时域和频域的特征与该电路故障电弧的电流在时域和频域的基准特征的相似度达到预定的范围时，确定出现第二能量故障电弧。

第一能量故障电弧确定模块12进一步可以包括：电流积分值获取模块121，用于获取与所述瞬时电流值的采样时刻对应的电流积分值，电流峰值I_peak预测模块122，用于利用所述瞬时电流值和所述电流积分值，基于针对所述电路的欧姆定律等式，预测所述电路的电流峰值I_peak，当预测的电路的电流峰值I_peak大于预定的阈值时，确定将要出现第一能量故障电弧。

检测装置还包括逻辑控制模块14和区域选择性互锁模块15。逻辑控制模块14和区域选择性互锁模块15可以是断路器1的ETU实现的，也可以是由一个独立的处理器实现的。当第二能量故障电弧确定模块13确定出现第二能量故障电弧并且电路没有收到下游电路的区域选择性互锁信号时，则逻辑运算模块14使该电路的断路器动作，并向上游电路发送区域选择性互锁信号；如果该电路收到下游电路的区域选择性互锁信号，则所述逻辑控制模块14向上游电路发送区域选择性互锁信号。

检测装置还包括电弧物理特征采样模块16和电弧物理特征比较模块17。电弧物理特征采样模块16用于采样所述电路电弧产生的物理特征。电弧物理特征比较模块17用于将采样的电路电弧的物理特征与该电路故障电弧的基准特征库中的基准特征进行比较。当采样的物理特征与该电路故障电弧的基准特征的相似度达到预定的范围并且所述第一能量故障电弧确定模块12确定将要出现第一能量故障电弧时，逻辑运算模块14使电路上的断路器和灭弧器动作。

本领域的技术人员知晓，上述检测装置的各个模块不仅可以用软件实现，还可以用现场可编程门阵列(FPGA)、ASIC芯片、复杂可编程逻辑芯片CPLD(ComplexProgrammableLogicDevice)等硬件电路实现。

下面的表1列出了本发明的验证结果。表1中示出了11个测试样例，这些样例是根据国际标准IEC/TR61641封闭式低压开关设备和控制设备--内部故障引起电弧情况下的测试指南获得的。表中第一列为测试样例的文件名，第二列为三相电源的相名，第三列为依据本发明的故障电弧的检测方法和装置检测出故障电弧的时间，第四列为依据现有的实时电流检测出故障电弧的时间，第五列为本发明检测出故障电弧所需时间和依据实施电流检测出故障电弧所需时间的差。这些测试样例验证了本发明能够大幅度地减少检测出故障电弧的时间。

表1

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。在具体的实施过程中可对根据本发明的优选实施例进行适当的改进，以适应具体情况的具体需要。因此可以理解，本文所述的本发明的具体实施方式只是起示范作用，并不用以限制本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种故障电弧的检测方法，包括：

(a)采样一电路的瞬时电流值；

(b)利用所述瞬时电流值预测电流峰值，当预测的电流峰值大于预定的阈值时，确定将要出现第一能量故障电弧；和

(c)将所述瞬时电流值的时域特征或频域特征与该电路故障电弧的电流的基准时域特征或频域特征进行比较，当所述瞬时电流的时域特征或频域特征与该电路故障电弧电流的基准时域特征或频域特征的相似度达到预定的范围时，确定出现第二能量故障电弧。

2.根据权利要求1所述的检测方法，其中所述步骤(b)进一步包括：

(b1)获取与所述瞬时电流值的采样时刻对应的电流积分值，

(b2)利用所述瞬时电流值和所述电流积分值，基于针对所述电路的欧姆定律等式，预测所述电路的电流峰值I_peak，当所述电路的电流峰值I_peak大于预定的阈值时，确定将要出现第一能量故障电弧。

3.根据权利要求1所述的检测方法，其中当确定将要出现第一能量故障电弧时，使所述电路上的断路器动作。

4.根据权利要求3所述的检测方法，其中当确定将要出现第一能量故障电弧时，使所述电路的灭弧器动作。

5.根据权利要求1所述的检测方法，其中当确定出现第二能量故障电弧时，使所述电路上的断路器动作。

6.根据权利要求1所述的检测方法，其中，在所述电路具有区域选择性互锁功能的断路器的情况下，当确定出现第二能量故障电弧时，如果所述电路没有收到下游电路的区域选择性互锁信号，则使所述电路的断路器动作，并向上游电路发送区域选择性互锁信号；如果所述电路收到下游电路的区域选择性互锁信号，则所述电路向上游电路发送区域选择性互锁信号。

7.根据权利要求1所述的检测方法，所述方法还包括：采样所述电路电弧的物理特征，将采样的电路电弧的物理特征与该电路故障电弧的基准物理特征库进行比较，当采样的物理特征与该电路故障电弧的基准物理特征的相似度达到预定的范围并且在所述步骤(b)中确定将要出现第一能量故障电弧时，使所述电路上的断路器和灭弧器动作。

8.一种故障电弧的检测装置，包括：

电流采样模块(11)，用于采样一电路的瞬时电流值，

第一能量故障电弧确定模块(12)，用于利用所述瞬时电流值预测电流峰值，当预测的电流峰值大于预定的阈值时，确定将要出现第一能量故障电弧；

第二能量故障电弧确定模块(13)，用于将所述瞬时电流值的时域特征或频域特征与该电路故障电弧的电流的基准时域特征或频域特征进行比较，当所述瞬时电流的时域特征或频域特征与该电路故障电弧电流的基准时域特征或频域特征的相似度达到预定的范围时，确定出现第二能量故障电弧。

9.根据权利要求8所述的检测装置，其中所述第一能量故障电弧确定模块(12)进一步包括：

电流积分值获取模块(121)，用于获取与所述瞬时电流值的采样时刻对应的电流积分值；

电流峰值I_peak预测模块(122)，用于利用所述瞬时电流值和所述电流积分值，基于针对所述电路的欧姆定律等式，预测所述电路的电流峰值I_peak，当所述预测的电路的电流峰值I_peak大于预定的阈值时，确定将要出现第一能量故障电弧。

10.如权利要求8所述的故障电弧的检测装置，其中所述检测装置还包括逻辑控制模块(14)和区域选择性互锁模块(15)，当第二能量故障电弧确定模块(13)确定出现第二能量故障电弧，并且所述电路没有收到下游电路的区域选择性互锁信号时，则所述逻辑运算模块(14)使所述电路的断路器动作，并向上游电路发送区域选择性互锁信号；如果所述电路收到下游电路的区域选择性互锁信号，则所述逻辑控制模块(14)向上游电路发送区域选择性互锁信号。

11.如权利要求10所述的故障电弧的检测装置，其中所述检测装置还包括：

电弧物理特征采样模块(16)，用于采样所述电路电弧产生的物理特征，和

电弧物理特征比较模块(17)，用于将采样的电路电弧的物理特征与该电路故障电弧的基准特征进行比较，当采样的物理特征与该电路故障电弧的基准特征的相似度达到预定的范围并且所述第一能量故障电弧确定模块(12)确定将要出现第一能量故障电弧时，所述逻辑运算模块(14)使所述电路上的断路器和灭弧器动作。

12.一种机器可读的存储介质，其特征在于，存储用于使一机器执行根据权利要求1-7中任一所述的方法的指令。

13.一种计算机程序，其特征在于，当所述计算机程序运行于一机器中时使所述一机器执行根据权利要求1-7中任一所述的方法。