CN108963962B - 一种多层级电弧故障断路*** - Google Patents

一种多层级电弧故障断路*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多层级电弧故障断路***，包括设置在各层级各支路的AFCI***、电弧故障智能化算法分析***和电弧故障智能化交互***，所述AFCI***包括多维度电弧故障信息检测与整合***、电弧故障智能化初级分析***、电弧故障断路器，所述多维度电弧故障信息检测与整合***对用户端进行多维度实时监控，所述电弧故障智能化初级分析***对监控到的信息进行分析，所述电弧故障智能化算法分析***对异常信号进行分析，所述电弧故障智能化交互***对电弧故障断路器下达控制命令；本发明提供了一种多层级电弧故障断路***，该***能够提高ACFI***的精确度和运行可靠性，实现了多层级电弧故障断路***选择性协调配合，达到精确断电的目的。

Description

一种多层级电弧故障断路***
技术领域
本发明属于电气领域，具体涉及一种多层级电弧故障断路***。
背景技术
电气火灾已成为造成人身安全及财产损失的巨大隐患，据《中国火灾统计年鉴》统计，全国每年因电气原因引起的火灾占火灾总数的30.7%，在用电***低压用户端，并联电弧和接地电弧的回路电流一般大于75A，现有的保护短路器已具备隔离保护能力；而作为引发电气火灾主要原因的串联电弧故障，因受到线路负载的限制，其故障电流小，其回路电流的有效值往往与负载正常工作回路电流有效值相近，均在5~30A之间，传统保护方法无法有效实现对串联电弧故障的隔离保护，进而可能引起电气火灾事故，因此，串联电弧故障的检测与诊断对电气设备的安全运行尤为重要，而现有技术中，当***中任意部位发生电弧故障后，虽然可以最终达到可靠隔离故障的作用，但有可能引起非故障区域断电，达不到较好的选择性，为解决上述问题，本发明提供了一种多层级电弧故障断路***，该***能够实现对电弧故障的早期预警、能够提高ACFI***的精确度和运行可靠性，解决了电弧故障检测装置安装位置局限性的问题，实现了多层级电弧故障断路***选择性协调配合，达到精确断电的目的。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，而提供一种多层级电弧故障断路***，该***能够实现对电弧故障的早期预警、能够提高ACFI***的精确度和运行可靠性，解决了电弧故障检测装置安装位置局限性的问题，实现了多层级电弧故障断路***选择性协调配合，达到精确断电的目的。
本发明的目的是这样实现的：一种多层级电弧故障断路***，包括设置在各层级各支路的AFCI***、电弧故障智能化算法分析***和电弧故障智能化交互***，所述AFCI***包括多维度电弧故障信息检测与整合***、电弧故障智能化初级分析***、电弧故障断路器，设置在各层级各支路的AFCI***具有相应的编号，所述多维度电弧故障信息检测与整合***对用电***低压用户端进行多维度实时监控，同时将监控到的信息实时上传给电弧故障智能化初级分析***，所述电弧故障智能化初级分析***对信息进行分析，并将分析得到的异常信号和AFCI***的编号上传给电弧故障智能化算法分析***，所述电弧故障智能化算法分析***对上传的异常信号进行分析，并与预先存储在电弧故障智能化算法分析***中的各层级各支路中的正常工作时的信息进行分析比较，得到综合检测结果传递给电弧故障智能化交互***，所述电弧故障智能化交互***对综合检测结果进行分析后对相对应编号的电弧故障断路器下达控制命令，所述电弧故障断路器根据控制命令决定是否脱扣。
所述多维度电弧故障信息检测与整合***包括电磁辐射信号监测***、弧光信号监测***、机械振动监测***和电流监测***；所述电磁辐射信号监测***利用天线监测支路的电弧电磁辐射信号，并记录电弧故障的电磁辐射信号波形；所述弧光信号监测***利用光纤弧光传感器对弧光信号进行采集，并将弧光信号转换为电流信号；所述机械振动监测***利用超声波检测仪对电弧故障产生的机械振动进行超声波检测，并将检测到的超声波信号转换为电流信号；所述电流监测***利用电流互感器对流经各层级各支路的电流进行实时监测。
所述电弧故障智能化初级分析***是对各层级各支路的电弧故障进行早期检测，包括电磁辐射信号波形分析***、电流比较分析***、第一或门逻辑电路和初级通信***；所述电磁辐射信号波形分析***是利用傅里叶变换对电磁辐射信号波形分析其频谱特征，并记录其波形，当所述电磁辐射信号的特征频率在MHz级内时，输出高电平信号；所述电流比较分析***包括第一电流比较***和第二电流比较***，所述第一电流比较***是将弧光信号监测***分析得到的电流信号与预设的第一电流阈值进行分析比较，当超过第一电流阈值时，输出高电平信号；所述第二电流比较***是将机械振动监测***分析得到的电流信号与预设的第二电流阈值进行比较，当超过第二电流阈值时，输出高电平信号；所述第一或门逻辑电路分别与电磁辐射信号波形分析***、第一电流比较***和第二电流比较***电性连接，当电磁辐射信号波形分析***、第一电流比较***和第二电流比较***任意一个***输出为高电平时，则第一或门逻辑电路输出为高电平，此时初级通信***会将电流监测***实时监控到的电流和AFCI***的编号上传给电弧故障智能化算法分析***。
所述电弧故障智能化算法分析***包括存储模块、电流分析模块、第二或门逻辑电路和次级通信***，所述次级通信***接收电流监测***实时监控到的电流和AFCI***的编号，所述存储模块用于存储AFCI***的编号，所述电流分析模块对电流的波形进行分析，得到电流峰值电流峰值、电流有效值、高频能量、周期性相关电弧故障参数，对相关电弧故障参数进行时域分析和频域分析，采用不同的智能化算法***进行分析，将不同的智能化算法***的输出端和第二或门逻辑电路输入端进行电性连接，根据第二或门逻辑电路的输出端电平高低从而判断是否发生故障，所述次级通信***会将支路的AFCI***的编号和故障判定结果传递给电弧故障智能化交互***。
所述电弧故障智能化交互***包括三级通信***和脱扣控制***，所述三级通信***用于接收次级通信***传送过来的信息，所述脱扣控制***根据三级通信***接收到的信息对相应编号的AFCI***的电弧故障断路器下达是否脱扣的指令，并将是否脱扣的指令通过三级通信***传送给电弧故障断路器。
所述电弧故障断路器包括四级通信***和脱扣装置，所述四级通信***接收三级通信***的是否脱扣的指令，脱扣装置根据指令进行相关操作。
所述初级通信***、次级通信***、三级通信***和四级通信***之间通过蓝牙通信、wifi通信、局域网。
由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
（1）本发明中设置有电弧故障智能化初级分析***，从电弧故障的声、光、电磁等信号对早期电弧故障信号进行分析，实现对电弧故障的早期预警；
（2）本发明中设置有电弧故障智能化初级分析***和电弧故障智能化算法分析***，对电弧故障进行多维度检测，能够提高ACFI***的精确度，将多个检测结果进行逻辑运算，提高了检测结果的可靠性；
（3）本发明中利用对故障电流进行多方面，解决了电弧故障检测装置安装位置局限性的问题；
（4）本发明提出可一种集成物理和逻辑安全防护的框架，利用蓝牙通信、wifi通信、局域网内实现层次结构通信，使得多层级AFCI***之间能够有选择的对各层级各支路进行保护，最大程度的确保***中的无故障区域持续安全可靠运行，提高了***的可靠性，实现了多层级电弧故障断路***选择性协调配合，达到精确断电的目的。
附图说明
图1是本发明的工作流程结构示意图。
图2是本发明的多层级AFCI结构示意图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案做进一步具体的说明。
如图1、图2所示，一种多层级电弧故障断路***，包括设置在各层级各支路的AFCI***、电弧故障智能化算法分析***和电弧故障智能化交互***，AFCI即为电弧故障分断器，是通过识别电路中的电弧故障特征信号,在电弧故障发展成为火灾或电路出现短路之前断开电源电路的一种保护装置。
AFCI***包括多维度电弧故障信息检测与整合***、电弧故障智能化初级分析***、电弧故障断路器，设置在各层级各支路的AFCI***具有相应的编号，设置在不同层级不同支路的AFCI***的编号不同，多维度电弧故障信息检测与整合***对用电***低压用户端进行多维度实时监控，同时将监控到的信息实时上传给电弧故障智能化初级分析***，电弧故障智能化初级分析***对信息进行分析，并将分析得到的异常信号和AFCI***的编号上传给电弧故障智能化算法分析***，电弧故障智能化算法分析***对上传的异常信号进行分析，得到综合检测结果传递给电弧故障智能化交互***，电弧故障智能化交互***对综合检测结果进行分析后对相对应编号的电弧故障断路器下达控制命令，电弧故障断路器根据控制命令决定是否脱扣。
多维度电弧故障信息检测与整合***包括电磁辐射信号监测***、弧光信号监测***、机械振动监测***和电流监测***；电磁辐射信号监测***利用天线监测支路的电弧电磁辐射信号，并记录电弧故障的电磁辐射信号波形；弧光信号监测***利用光纤弧光传感器对弧光信号进行采集，并将弧光信号转换为电流信号；机械振动监测***利用超声波检测仪对电弧故障产生的机械振动进行超声波检测，并将检测到的超声波信号转换为电流信号；电流监测***利用电流互感器对流经各层级各支路的电流进行实时监测。
电弧故障智能化初级分析***是对各层级各支路的电弧故障进行早期检测，包括电磁辐射信号波形分析***、电流比较分析***、第一或门逻辑电路和初级通信***；电磁辐射信号波形分析***是利用傅里叶变换对电磁辐射信号波形分析其频谱特征，并记录其波形，通过数据采集卡记录其波形，当电磁辐射信号的特征频率在MHz级内时，输出高电平信号；天线的频段范围为0-500MHz，驻波比VSWR值小于1.5dB。
电流比较分析***包括第一电流比较***和第二电流比较***，第一电流比较***是将弧光信号监测***分析得到的电流信号与预设的第一电流阈值进行分析比较，当超过第一电流阈值时，即为存在异常信号时，输出高电平信号；第二电流比较***是将机械振动监测***分析得到的电流信号与预设的第二电流阈值进行比较，当超过第二电流阈值时，即为存在异常信号时，输出高电平信号；第一或门逻辑电路分别与电磁辐射信号波形分析***、第一电流比较***和第二电流比较***电性连接，当电磁辐射信号波形分析***、第一电流比较***和第二电流比较***任意一个***输出为高电平时，则第一或门逻辑电路输出为高电平，此时初级通信***会将电流监测***实时监控到的电流和AFCI***的编号上传给电弧故障智能化算法分析***，第一或门逻辑电路输出为低电平时，多维度电弧故障信息检测与整合***继续对电路进行实时监控，图中用1表示高电平，0表示低电平。
通过多维度电弧故障信息检测与整合***与电弧故障智能化初级分析***的相互配合实现对电弧故障的早期预警，通过第一或门逻辑电路可以得到一个更加可靠的结果，能过快速准确的对电弧故障做出早期判断，提高ACFI***的精确度。
电弧故障智能化算法分析***包括存储模块、电流分析模块、第二或门逻辑电路和次级通信***，次级通信***接收电流监测***实时监控到的电流和AFCI***的编号，存储模块用于存储AFCI***的编号，电流分析模块对电流的波形进行分析，得到电流峰值电流峰值、电流有效值、高频能量、周期性相关电弧故障参数，对相关电弧故障参数进行时域分析和频域分析，采用不同的智能化算法***进行分析，对于时域分析可从零序电流、电流变化率、电流零区、半波不对称等方面进行分析，可利用电弧电流波形半波不对称、随机不稳定、零休时间不一致、正常工作电流波形具有稳定周期的差值类算法进行分析，如差值-均方根、差值-均值、小波系数-差值等，对于频域分析可从谐波含量、小波变换、谐波相交、傅里叶变换等方面进行分析，可利用电弧电流波形畸变的小波方法进行分析，如小波系数、小波能量、小波熵等，也可立足于电弧电流谐波的频谱分析方法，如频谱特征、波形畸变率、谐波含有率等；对于电弧故障的判别还可从电弧电流波形与正常工作电流波形整体识别的各种智能识别算法，如神经网络、支持向量机等等，将不同的智能化算法***的输出端和第二或门逻辑电路输入端进行电性连接，根据第二或门逻辑电路的输出端电平高低从而判断是否发生故障，次级通信***会将支路的AFCI***的编号和故障判定结果传递给电弧故障智能化交互***，当第二或门逻辑电路的输出端低电平时，多维度电弧故障信息检测与整合***继续对电路进行实时监控，图中用1表示高电平，0表示低电平。
用电弧的输入电信号（在本发明中为电流）检测故障电弧故障抗干扰性强，同时将多个算法的结果进行“与”逻辑运算，从多面分析，从而克服了特定负载的波形与电弧电流波形相似度高造成的检测准确度低的问题，可得到一个更加可靠的结果，从而准确地判断出是否出现电弧故障。
电弧故障智能化交互***包括三级通信***和脱扣控制***，三级通信***用于接收次级通信***传送过来的信息，脱扣控制***根据三级通信***接收到的信息对相应编号的AFCI***的电弧故障断路器下达是否脱扣的指令，并将是否脱扣的指令通过三级通信***传送给电弧故障断路器，当脱扣控制***得到的是低电平信号时，不下达任何指令，当脱扣控制***得到的是高电平信号时，通过三级通信***和四级通信***给脱扣装置下达脱扣指令。
电弧故障断路器包括四级通信***和脱扣装置，四级通信***接收三级通信***的是否脱扣的指令，脱扣装置根据指令进行相关操作。
优先地，初级通信***、次级通信***、三级通信***和四级通信***之间通过蓝牙通信、wifi通信、局域网，也可用其他无线通信的方式进行通信。
在传统的电弧故障断路***中，在多层级AFCI结构示意图中，如图2所示，当支路如AFCI1所在的支路发生电弧故障时，干路的AFCI0越级检测到其所监视的支路内存在电弧故障特征量时，会造成大面积停电，可能引起非故障区域断电，从而对正常用电造成造成影响，而在本申发明提出可一种集成物理和逻辑安全防护的框架，利用蓝牙通信、wifi通信、局域网内实现层次结构通信，利用AFCI***的编号使得多层级AFCI***之间能够有选择的对各层级各支路进行保护，防止非故障区域停电，最大程度的确保***中的无故障区域持续安全进行，提高了***的可靠性，如当图2中，当AFCI1***所在的支路发生电弧故障时，AFCI1***通过弧故障智能化算法分析***和电弧故障智能化交互***通过层次结构通信，利用AFCI***的编号，从而达到精确断电的目的。
故障电弧会辐射出声、光、电磁等多种信号，多维度电弧故障信息检测与整合***对用电***低压用户端进行多维度实时监控，将监控到的声、光、电磁、电流等多种信号实时上传给电弧故障智能化初级分析***，电弧故障智能化初级分析***对声、光、电磁等信号进行多维度分析后，将分析得到的异常信号的电流和AFCI***的编号上传给电弧故障智能化算法分析***，电弧故障智能化算法分析***对上传的异常信号的电流进行多种智能化算法分析，将多种智能化算法分析的结果进行与逻辑电路运算，得到综合检测结果传递给电弧故障智能化交互***，电弧故障智能化交互***对综合检测结果进行分析后对相对应编号的电弧故障断路器下达控制命令，电弧故障断路器根据控制命令决定是否脱扣。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种多层级电弧故障断路***，包括设置在各层级各支路的AFCI***、电弧故障智能化算法分析***和电弧故障智能化交互***，其特征在于：所述AFCI***包括多维度电弧故障信息检测与整合***、电弧故障智能化初级分析***、电弧故障断路器，设置在各层级各支路的AFCI***具有相应的编号，所述多维度电弧故障信息检测与整合***对用电***低压用户端进行多维度实时监控，同时将监控到的信息实时上传给电弧故障智能化初级分析***，所述电弧故障智能化初级分析***对监控到的信息进行分析，并将分析得到的异常信号和AFCI***的编号上传给电弧故障智能化算法分析***，所述电弧故障智能化算法分析***对异常信号进行分析，得到综合检测结果传递给电弧故障智能化交互***，所述电弧故障智能化交互***对综合检测结果进行分析后对相对应编号的电弧故障断路器下达控制命令，所述电弧故障断路器根据控制命令决定是否脱扣；
所述多维度电弧故障信息检测与整合***包括电磁辐射信号监测***、弧光信号监测***、机械振动监测***和电流监测***；所述电磁辐射信号监测***利用天线监测支路的电弧电磁辐射信号，并记录电弧故障的电磁辐射信号波形；所述弧光信号监测***利用光纤弧光传感器对弧光信号进行采集，并将弧光信号转换为电流信号；所述机械振动监测***利用超声波检测仪对电弧故障产生的机械振动进行超声波检测，并将检测到的超声波信号转换为电流信号；所述电流监测***利用电流互感器对流经各层级各支路的电流进行实时监测；
所述电弧故障智能化初级分析***是对各层级各支路的电弧故障进行早期检测，包括电磁辐射信号波形分析***、电流比较分析***、第一或门逻辑电路和初级通信***；所述电磁辐射信号波形分析***是利用傅里叶变换对电磁辐射信号波形分析其频谱特征，并记录其波形，当所述电磁辐射信号的特征频率在MHz级内时，输出高电平信号；所述电流比较分析***包括第一电流比较***和第二电流比较***，所述第一电流比较***是将弧光信号监测***分析得到的电流信号与预设的第一电流阈值进行分析比较，当超过第一电流阈值时，输出高电平信号；所述第二电流比较***是将机械振动监测***分析得到的电流信号与预设的第二电流阈值进行比较，当超过第二电流阈值时，输出高电平信号；所述第一或门逻辑电路分别与电磁辐射信号波形分析***、第一电流比较***和第二电流比较***电性连接，当电磁辐射信号波形分析***、第一电流比较***和第二电流比较***任意一个***输出为高电平时，则第一或门逻辑电路输出为高电平，此时初级通信***会将电流监测***实时监控到的电流和AFCI***的编号上传给电弧故障智能化算法分析***；
所述电弧故障智能化算法分析***包括存储模块、电流分析模块、第二或门逻辑电路和次级通信***，所述次级通信***接收电流监测***实时监控到的电流和AFCI***的编号，所述存储模块用于存储AFCI***的编号，所述电流分析模块对电流的波形进行分析，得到电流峰值电流峰值、电流有效值、高频能量、周期性相关电弧故障参数，对相关电弧故障参数进行时域分析和频域分析，采用不同的智能化算法***进行分析，将不同的智能化算法***的输出端和第二或门逻辑电路输入端进行电性连接，根据第二或门逻辑电路的输出端电平高低从而判断是否发生故障，所述次级通信***会将支路的AFCI***的编号和故障判定结果传递给电弧故障智能化交互***。
2.根据权利要求1所述的一种多层级电弧故障断路***，其特征在于：所述电弧故障智能化交互***包括三级通信***和脱扣控制***，所述三级通信***用于接收次级通信***传送过来的信息，所述脱扣控制***根据三级通信***接收到的信息对相应编号的AFCI***的电弧故障断路器下达是否脱扣的指令，并将是否脱扣的指令通过三级通信***传送给电弧故障断路器。
3.根据权利要求2所述的一种多层级电弧故障断路***，其特征在于：所述电弧故障断路器包括四级通信***和脱扣装置，所述四级通信***接收三级通信***的是否脱扣的指令，脱扣装置根据指令进行相关操作。
4.根据权利要求3所述的一种多层级电弧故障断路***，其特征在于：所述初级通信***、次级通信***、三级通信***和四级通信***之间通过蓝牙通信、wifi通信、局域网。
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