CN107092213A - 一种具有故障电弧检测功能的无源滤波装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有故障电弧检测功能的无源滤波装置及方法，所述装置包括电压传感器、电流传感器、采样电路、信号处理电路、主控MCU、电弧故障报警电路、开关量隔离输出电路、晶闸管驱动电路、晶闸管开关、电容和电感。将故障电弧的电流检测与无源滤波的电流检测部分进行共享，采用同一检测信号，使用共同的主控制单元同时进行故障电弧分析和谐波含量计算，使装置能够在故障电弧特征电流被滤波前被采样出来，保证故障电弧的准确检测。其中的故障电弧检测方法利用电流差异参数的判定结果作为前提，采用谐波含有率变化率对故障电弧进行判断，可以有效排除非线性负载的干扰，同时采用四种判断手段进行判断，准确检测出故障电弧。

Description

一种具有故障电弧检测功能的无源滤波装置及方法

技术领域

本发明涉及电能质量检测管理技术领域，特别涉及一种具有故障电弧检测功能的无源滤波装置及方法。

背景技术

无源滤波器是利用电感、电容和电阻的组合设计构成的滤波电路，可除去某一次或多次谐波，是最普通易于采用的而无源滤波器结构，其结构简单、成本低廉、运行可靠、费用低等优点广泛应用于***的谐波治理。无源滤波器分为单调谐滤波器、双调谐滤波器和高通滤波器。

电弧是一种气体放电现象，是电流通过某些绝缘介质所产生的瞬间火花。随着我国经济水平的提高，生活用电量增加迅速，配电***也越来越复杂。由于配电线路空间有限，配电箱中许多导线捆绑一起，当用电处于过负荷状态时会使得电缆绝缘受到损害，进而产生故障电弧引发电气火灾。另外，当线路与线路之间接触不良或环境因数的影响，出现用电通断情况时，连接点处会产生故障电弧进而引发火灾。由于故障电弧的电压有效值与非故障时电压有效值接近，当发生故障电弧时，保护装置将很难发现。

然而，由于无源滤波装置的安装，电流中的高频谐波分量有可能被滤除导致原有故障电弧检测设备无法正常检测到故障电弧，影响故障电弧检测设备的正常工作。

同时，电容、电感、晶闸管等非线性负载的使用，会引起电路中的电流谐波，也会使常规的故障电弧检测方法出现漏判、误判。而如果利用谐波含有率的变化率可以排除非线性负载的干扰，用这种方法，重点比较其变化率，若是电路中接入非线性负载，引发谐波含有率增加超限，但其变化率不会超限。只有发生故障电弧时，谐波含有率会剧烈变化，相邻两周期间谐波含有率的变化率会超限，从而判定为故障电弧。目前，还没有这种利用谐波含有率的变化率对故障电弧进行判定的方法。

发明内容

为了解决背景技术中所述问题，本发明提供一种具有故障电弧检测功能的无源滤波装置及方法，所述装置将故障电弧的电流检测与无源滤波的电流检测部分进行共享，采用同一检测信号，使用共同的主控制单元同时进行故障电弧分析和谐波含量计算，使装置能够在故障电弧特征电流被滤波前被采样出来，保证故障电弧的准确检测。其中的故障电弧检测方法利用电流差异参数的判定结果作为前提，采用谐波含有率变化率对故障电弧进行判断，可以有效排除非线性负载的干扰，同时采用四种判断手段进行判断，准确检测出故障电弧。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种具有故障电弧检测功能的无源滤波装置，包括电压传感器、电流传感器、采样电路、信号处理电路、主控MCU、电弧故障报警电路、开关量隔离输出电路、晶闸管驱动电路、晶闸管开关、电容和电感。

所述的主控MCU通过信号处理电路和采样电路连接电压传感器和电流传感器，主控MCU将同一电压和电流采样信号分别经过故障电弧分析和谐波电流分析后，分别进行故障电弧报警输出和TSF投切输出；使装置能够在故障电弧特征电流被滤波前被采样出来，保证故障电弧的准确检测。

所述的电容和电感串联星型连接于三相交流电源端，并且在电容和电感中间连接有晶闸管开关。所述的主控MCU在输出故障电弧报警的同时还通过开关量隔离输出电路控制电源断路器的断开，故障时切断电源。

所述的主控MCU通过晶闸管驱动电路控制晶闸管开关的导通或关断，从而通过晶闸管开关控制主回路中电容和电感的投切。

一种具有故障电弧检测功能的无源滤波装置的控制方法，包括以下步骤：

步骤一、***初始化，装置上电；

步骤二、采集***三相电压和三相电流，并将信号送至信号调制处理电路；

步骤三、信号调制处理电路分别对电压和电流信号进行调制处理，并将调制过后的信号送至主控MCU单元；

步骤四、主控MCU单元计算出***谐波电流；同时，对电流信号处理，提取电弧电流特征值；

步骤五、主控MCU单元根据计算结果进行判断，当谐波含量超过标准时，发出抑制谐波指令给驱动电路；根据驱动电路反馈的滤波装置投切状态，如未投入滤波装置，则向驱动电路发出投切指令，并返回步骤二，如已投入滤波装置，则向驱动电路发出闭锁指令，并返回步骤二；

谐波含量符合标准时，根据驱动电路反馈的滤波装置投切状态，如未投入滤波装置，则返回步骤二，如已投入滤波装置，则向驱动电路发出切除指令，并返回步骤二；

同时，主控MCU单元根据经过逻辑计算，对提取电弧电流特征值进行分析判断，如符合故障电弧信号，则向故障电弧预警模块发出指令，并通过输出信号切断电源断路器，切断故障电弧；如不符合则不发出指令，并返回步骤二；

步骤六、驱动电路由步骤五接收到控制单元投切指令，向晶闸管发出投切指令，同时向控制单元反馈滤波装置投入状态。

一种具有故障电弧检测功能的无源滤波装置中的故障电弧检测方法，采用四种条件共同判断，并且其中一种判定条件利用电流差异参数的判定结果作为前提，采用谐波含有率变化率对故障电弧进行判断，能够在复杂情况下有效检测出故障电弧，包括如下步骤：

步骤1：持续对电流进行采样(根据实际硬件情况，每周期采64或128个点)；

步骤2：电流的采样值为128点每周期或64点每周期。以64点为例，将电流采样值记为I₀、I₁、……、I₆₃，正常周期电流记为I_n0、I_n1、……、I_n63(采样值和正常值均为标幺值)。计算当前的采样周期电流与正常周期电流的差异参数：

将I_per与阈值S₁比较，若I_per≤S₁，则将采样电流值幅给正常周期电流值，更新正常周期电流值；若I_per＞S₁，则进行进一步的分析计算来判断是否由故障电弧发生；

步骤3：计算电流的平均值：

用电流的平均值来判断电流的正负半周是否对称。若I_ave大于给定阈值S2，则认为波形对称性不满足要求，为波形对称指示参数m1赋值1，否则为m1赋值0；

步骤4：计算采样电流相邻两个采样值的差值：

ΔI_k＝I_k+1-I_k(k＝0,1,2……62) (3)

用该差值的最大值K_v＝max[ΔI₀，ΔI₁，...，ΔI₆₂]来表示电流的最大变化率。若K_v大于阈值S3，则认为电流变化率过大，为电流变化率参数m2赋值1，否则m2赋值为零；

步骤5：计算电流的波型参数：

其中，α根据实际电流进行设置，一般取正常电流峰值。用电流的波型参数可以表示出电流是否含有平肩部。若K_p大于阈值S4，则认为电流含有平肩部，为平肩部指示参数m3赋值1，否则m3赋值为零；

步骤6：用FFT检测采样电流谐波，计算采样电流高次谐波(此处计算第3、5、7、9次谐波)含有率变化率ΔP_n，若ΔP_n大于阈值S4，则认为采样电流谐波含量不正常，为谐波指示参数m4赋值为1，否则赋值为0；

步骤7：计算上述步骤3～步骤6中四个指示参数的和，即m＝m1+m2+m3+m4；若m>＝2,故障电弧周波数指示参数sum＝sum+1，若sum>＝6，则触发报警信号；若sum<6，则返回步骤2继续判别；若m<2,则认为没有故障电弧发生，为sum赋值0，并将正常电流更新为此时的采样电流。

其中，步骤6的具体步骤如下：

步骤601.计算出采样周期奇次谐波含有率变化率ΔP_n和设定阈值ΔP_th比较；谐波含有率定义为其中I₁为基波电流，I_h为第h次谐波电流的均方根值，X_h1为第h次谐波电流采样值，M为采样点数，本例中取3、5、7、9次谐波，计算奇次谐波含有率为

步骤602.以步骤2判断出的第1个正常工频采样周期电流奇次谐波含有率P为基础值，计算相邻两个工频采样周期电流奇次谐波含有率变化率ΔP_n，ΔP_n＝P_n-P，两次采样周期之间电流奇次谐波含有率之差为采样周期奇次谐波含有率变化率ΔP_n。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明的一种具有故障电弧检测功能的无源滤波装置，将故障电弧的电流检测与无源滤波的电流检测部分进行共享，采用同一检测信号，使装置能够在故障电弧特征电流被滤波前被采样出来，保证故障电弧的准确检测。

2、本发明的一种具有故障电弧检测功能的无源滤波装置及其控制方法，利用同一主控MCU对同一电流数据进行处理，分别计算故障电弧特征值和谐波含量，分别对故障电弧报警电路和滤波的晶闸管驱动电路进行控制，完美的实现了用单个设备实现两种功能的同时兼顾使用，有效解决由于滤波装置的使用而造成故障电弧被漏判、误判的问题。

3、本发明的一种具有故障电弧检测功能的无源滤波装置的故障电弧检测方法，利用电流差异参数的判定结果作为前提，采用谐波含有率变化率对故障电弧进行判断，可以有效排除非线性负载的干扰，同时采用四种判断手段进行判断，准确检测出故障电弧。

附图说明

图1为本发明的一种具有故障电弧检测功能的无源滤波装置的结构示意图；

图2为本发明的一种具有故障电弧检测功能的无源滤波装置的主控MCU控制结构示意图；

图3为本发明的一种具有故障电弧检测功能的无源滤波装置的滤波主回路结构图；

图4为本发明的一种具有故障电弧检测功能的无源滤波装置的控制方法流程图；

图5为本发明的一种具有故障电弧检测功能的无源滤波装置中的故障电弧检测方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明提供的具体实施方式进行详细说明。

如图1所示，一种具有故障电弧检测功能的无源滤波装置，包括电压传感器PT、电流传感器CT、采样电路、信号处理电路、主控MCU、电弧故障报警电路、开关量隔离输出电路、晶闸管驱动电路、晶闸管开关、电容和电感。

如图2所示，所述的主控MCU通过信号处理电路和采样电路连接电压传感器PT和电流传感器CT，主控MCU将同一电压和电流采样信号分别经过故障电弧分析和谐波电流分析后，分别进行故障电弧报警输出和TSF投切输出；使装置能够在故障电弧特征电流被滤波前被采样出来，保证故障电弧的准确检测。

所述的主控MCU在输出故障电弧报警的同时还通过开关量隔离输出电路控制电源断路器的断开，故障时切断电源。

所述的电容和电感串联星型连接于三相交流电源端，并且在电容和电感中间连接有晶闸管开关。所述的主控MCU通过晶闸管驱动电路控制晶闸管开关的导通或关断，从而通过晶闸管开关控制主回路中电容和电感的投切。

如图3所示，为本发明装置的滤波主回路结构图，其中的晶闸管开关为双向可控硅。

如图4所示，一种具有故障电弧检测功能的无源滤波装置的控制方法，包括以下步骤：

步骤一、***初始化，装置上电；

步骤二、采集***三相电压和三相电流，并将信号送至信号调制处理电路；

步骤三、信号调制处理电路分别对电压和电流信号进行调制处理，并将调制过后的信号送至主控MCU单元；

步骤四、主控MCU单元计算出***谐波电流；同时，对电流信号处理，提取电弧电流特征值；

步骤五、主控MCU单元根据计算结果进行判断，当谐波含量超过标准时，发出抑制谐波指令给驱动电路；根据驱动电路反馈的滤波装置投切状态，如未投入滤波装置，则向驱动电路发出投切指令，并返回步骤二，如已投入滤波装置，则向驱动电路发出闭锁指令，并返回步骤二；

谐波含量符合标准时，根据驱动电路反馈的滤波装置投切状态，如未投入滤波装置，则返回步骤二，如已投入滤波装置，则向驱动电路发出切除指令，并返回步骤二；

同时，主控MCU单元根据经过逻辑计算，对提取电弧电流特征值进行分析判断，如符合故障电弧信号，则向故障电弧预警模块发出指令，并通过输出信号切断电源断路器，切断故障电弧；如不符合则不发出指令，并返回步骤二；

步骤六、驱动电路由步骤五接收到控制单元投切指令，向晶闸管发出投切指令，同时向控制单元反馈滤波装置投入状态。

如图5所示，一种具有故障电弧检测功能的无源滤波装置中的故障电弧检测方法，采用四种条件共同判断，并且其中一种判定条件利用电流差异参数的判定结果作为前提，采用谐波含有率变化率对故障电弧进行判断，能够在复杂情况下有效检测出故障电弧，包括如下步骤：

步骤1：持续对电流进行采样(根据实际硬件情况，每周期采64或128个点)；

步骤2：电流的采样值为128点每周期或64点每周期。以64点为例，将电流采样值记为I₀、I₁、……、I₆₃，正常周期电流记为I_n0、I_n1、……、I_n63(采样值和正常值均为标幺值)。计算当前的采样周期电流与正常周期电流的差异参数：

将I_per与阈值S₁比较，若I_per≤S₁，则将采样电流值幅给正常周期电流值，更新正常周期电流值；若I_per＞S₁，则进行进一步的分析计算来判断是否由故障电弧发生；

步骤3：计算电流的平均值：

用电流的平均值来判断电流的正负半周是否对称。若I_ave大于给定阈值S2，则认为波形对称性不满足要求，为波形对称指示参数m1赋值1，否则为m1赋值0；

步骤4：计算采样电流相邻两个采样值的差值：

ΔI_k＝I_k+1-I_k(k＝0,1,2……62) (3)

用该差值的最大值K_v＝max[ΔI₀，ΔI₁，...，ΔI₆₂]来表示电流的最大变化率。若K_v大于阈值S3，则认为电流变化率过大，为电流变化率参数m2赋值1，否则m2赋值为零；

步骤5：计算电流的波型参数：

其中，α根据实际电流进行设置，一般取正常电流峰值。用电流的波型参数可以表示出电流是否含有平肩部。若K_p大于阈值S4，则认为电流含有平肩部，为平肩部指示参数m3赋值1，否则m3赋值为零；

步骤6：用FFT检测采样电流谐波，计算采样电流高次谐波(此处计算第3、5、7、9次谐波)含有率变化率ΔP_n，若ΔP_n大于阈值S4，则认为采样电流谐波含量不正常，为谐波指示参数m4赋值为1，否则赋值为0；

步骤7：计算上述步骤3～步骤6中四个指示参数的和，即m＝m1+m2+m3+m4；若m>＝2,故障电弧周波数指示参数sum＝sum+1，若sum>＝6，则触发报警信号；若sum<6，则返回步骤2继续判别；若m<2,则认为没有故障电弧发生，为sum赋值0，并将正常电流更新为此时的采样电流。

其中，步骤6的具体步骤如下：

步骤601.计算出采样周期奇次谐波含有率变化率ΔP_n和设定阈值ΔP_th比较；谐波含有率定义为其中I₁为基波电流，I_h为第h次谐波电流的均方根值，X_h1为第h次谐波电流采样值，M为采样点数，本例中取3、5、7、9次谐波，计算奇次谐波含有率为

步骤602.以步骤2判断出的第1个正常工频采样周期电流奇次谐波含有率P为基础值，计算相邻两个工频采样周期电流奇次谐波含有率变化率ΔP_n，ΔP_n＝P_n-P，两次采样周期之间电流奇次谐波含有率之差为采样周期奇次谐波含有率变化率ΔP_n。

本发明的一种具有故障电弧检测功能的无源滤波装置，将故障电弧的电流检测与无源滤波的电流检测部分进行共享，采用同一检测信号，使装置能够在故障电弧特征电流被滤波前被采样出来，保证故障电弧的准确检测。

本发明的一种具有故障电弧检测功能的无源滤波装置及其控制方法，利用同一主控MCU对同一电流数据进行处理，分别计算故障电弧特征值和谐波含量，分别对故障电弧报警电路和滤波的晶闸管驱动电路进行控制，完美的实现了用单个设备实现两种功能的同时兼顾使用，有效解决由于滤波装置的使用而造成故障电弧被漏判、误判的问题。

本发明的一种具有故障电弧检测功能的无源滤波装置的故障电弧检测方法，利用电流差异参数的判定结果作为前提，采用谐波含有率变化率对故障电弧进行判断，可以有效排除非线性负载的干扰，同时采用四种判断手段进行判断，准确检测出故障电弧。

以上实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于上述的实施例。上述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。

Claims (6)

1.一种具有故障电弧检测功能的无源滤波装置，包括电压传感器、电流传感器、采样电路、信号处理电路、主控MCU、电弧故障报警电路、开关量隔离输出电路、晶闸管驱动电路、晶闸管开关、电容和电感；

其特征在于，所述的主控MCU通过信号处理电路和采样电路连接电压传感器和电流传感器，主控MCU将同一电压和电流采样信号分别经过故障电弧分析和谐波电流分析后，分别进行故障电弧报警输出和TSF投切输出；使装置能够在故障电弧特征电流被滤波前被采样出来，保证故障电弧的准确检测。

2.根据权利要求1所述的一种具有故障电弧检测功能的无源滤波装置，其特征在于，所述的主控MCU在输出故障电弧报警的同时还通过开关量隔离输出电路控制电源断路器的断开，故障时切断电源。

3.根据权利要求1所述的一种具有故障电弧检测功能的无源滤波装置，其特征在于，所述的电容和电感串联星型连接于三相交流电源端，并且在电容和电感中间连接有晶闸管开关，所述的主控MCU通过晶闸管驱动电路控制晶闸管开关的导通或关断，从而通过晶闸管开关控制主回路中电容和电感的投切。

4.一种具有故障电弧检测功能的无源滤波装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、***初始化，装置上电；

步骤二、采集***三相电压和三相电流，并将信号送至信号调制处理电路；

步骤三、信号调制处理电路分别对电压和电流信号进行调制处理，并将调制过后的信号送至主控MCU单元；

步骤四、主控MCU单元计算出***谐波电流；同时，对电流信号处理，提取电弧电流特征值；

步骤五、主控MCU单元根据计算结果进行判断，当谐波含量超过标准时，发出抑制谐波指令给驱动电路；根据驱动电路反馈的滤波装置投切状态，如未投入滤波装置，则向驱动电路发出投切指令，并返回步骤二，如已投入滤波装置，则向驱动电路发出闭锁指令，并返回步骤二；

谐波含量符合标准时，根据驱动电路反馈的滤波装置投切状态，如未投入滤波装置，则返回步骤二，如已投入滤波装置，则向驱动电路发出切除指令，并返回步骤二；

同时，主控MCU单元根据经过逻辑计算，对提取电弧电流特征值进行分析判断，如符合故障电弧信号，则向故障电弧预警模块发出指令，并通过输出信号切断电源断路器，切断故障电弧；如不符合则不发出指令，并返回步骤二；

步骤六、驱动电路由步骤五接收到控制单元投切指令，向晶闸管发出投切指令，同时向控制单元反馈滤波装置投入状态。

5.一种具有故障电弧检测功能的无源滤波装置中的故障电弧检测方法，其特征在于，采用四种条件共同判断，并且其中一种判定条件利用电流差异参数的判定结果作为前提，采用谐波含有率变化率对故障电弧进行判断，能够在复杂情况下有效检测出故障电弧，包括如下步骤：

步骤1：持续对电流进行采样，根据实际硬件情况，每周期采64或128个点；

步骤2：电流的采样值为128点每周期或64点每周期；以64点为例，将电流采样值记为I₀、I₁、……、I₆₃，正常周期电流记为I_n0、I_n1、……、I_n63，采样值和正常值均为标幺值；计算当前的采样周期电流与正常周期电流的差异参数：

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将I_per与阈值S₁比较，若I_per≤S₁，则将采样电流值幅给正常周期电流值，更新正常周期电流值；若I_per＞S₁，则进行进一步的分析计算来判断是否由故障电弧发生；

步骤3：计算电流的平均值：

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用电流的平均值来判断电流的正负半周是否对称；若I_ave大于给定阈值S2，则认为波形对称性不满足要求，为波形对称指示参数m1赋值1，否则为m1赋值0；

步骤4：计算采样电流相邻两个采样值的差值：

ΔI_k＝I_k+1-I_k (k＝0,1,2……62) (3)

用该差值的最大值K_v＝max[ΔI₀，ΔI₁，...，ΔI₆₂]来表示电流的最大变化率；若K_v大于阈值S3，则认为电流变化率过大，为电流变化率参数m2赋值1，否则m2赋值为零；

步骤5：计算电流的波型参数：

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其中，α根据实际电流进行设置，一般取正常电流峰值；用电流的波型参数可以表示出电流是否含有平肩部；若K_p大于阈值S4，则认为电流含有平肩部，为平肩部指示参数m3赋值1，否则m3赋值为零；

步骤6：用FFT检测采样电流谐波，计算采样电流高次谐波含有率变化率，此处计算第3、5、7、9次谐波含有率变化率ΔP_n，若ΔP_n大于阈值S4，则认为采样电流谐波含量不正常，为谐波指示参数m4赋值为1，否则赋值为0；

步骤7：计算上述步骤3～步骤6中四个指示参数的和，即m＝m1+m2+m3+m4；若m>＝2,故障电弧周波数指示参数sum＝sum+1，若sum>＝6，则触发报警信号；若sum<6，则返回步骤2继续判别；若m<2,则认为没有故障电弧发生，为sum赋值0，并将正常电流更新为此时的采样电流。

6.根据权利要求5所述的一种具有故障电弧检测功能的无源滤波装置中的故障电弧检测方法，其特征在于，步骤6的具体步骤如下：

步骤601.计算出采样周期奇次谐波含有率变化率ΔP_n和设定阈值ΔP_th比较；谐波含有率定义为其中I₁为基波电流，I_h为第h次谐波电流的均方根值，X_h1为第h次谐波电流采样值，M为采样点数，此处取3、5、7、9次谐波，计算奇次谐波含有率为

步骤602.以步骤2判断出的第1个正常工频采样周期电流奇次谐波含有率P为基础值，计算相邻两个工频采样周期电流奇次谐波含有率变化率ΔP_n，ΔP_n＝P_n-P，两次采样周期之间电流奇次谐波含有率之差为采样周期奇次谐波含有率变化率ΔP_n。