CN114325266A - 市电环境下用于故障电弧检测与定位的装置及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种市电环境下用于故障电弧检测与定位的装置，包括高速AD采集模块、低速AD采集模块、隔离模块、信号调理模块、电流互感器模块、开关模块、DA输出模块、屏幕显示模块、故障电弧定位分析模块、故障电弧检测分析模块、融合分析模块、以及故障电弧产生模块，DA输出模块用于产生检测信号，并将检测信号发送到故障电弧发生模块，故障电弧发生模块用于生成故障电弧，并在检测信号遇到故障电弧时生成反射信号，高速AD采集模块用于获取DA输出模块产生的检测信号以及故障电弧发生模块生成的反射信号。本发明能够解决现有电弧故障检测装置只能进行故障电弧检测，而不能同时实现故障电弧检测与定位以及故障电弧类型检测的技术问题。

Description

市电环境下用于故障电弧检测与定位的装置及其工作方法

技术领域

本发明属于电气火灾安全技术领域，更具体地，涉及一种市电环境下用于故障电弧检测与定位的装置及其工作方法。

背景技术

随着社会电能应用水平的提高，家庭用电设备种类逐渐增多，居民的用电量剧增，电气火灾事故频发，以至于低压线路中的用电安全倍受关注。故障电弧是引发低压线路下电气火灾的重要原因之一，检测以及定位故障电弧，对于避免家庭电气火灾的发生具有十分重要的意义。

然而，现有的故障电弧检测装置存在一些不可忽略的技术问题：第一、现有的电弧故障检测装置只能进行故障电弧检测，而不能同时实现故障电弧检测与定位以及故障电弧类型检测；第二、现有电弧故障检测装置的检测准确率偏低；第三、由于如今的家庭用电线路多数埋线在墙里，现有的故障电弧检测装置检测到故障电弧时，不能实现精确的故障电弧定位，从而导致不能及时排除故障，对家庭用电安全造成非常大的隐患。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种市电环境下用于故障电弧检测与定位的装置及其工作方法，其目的在于，解决现有电弧故障检测装置只能进行故障电弧检测，而不能同时实现故障电弧检测与定位以及故障电弧类型检测的技术问题，以及故障电弧检测的准确率低的技术问题，以及在检测到故障电弧时，不能实现精确的故障电弧定位，从而导致不能及时排除故障、并对家庭用电安全造成非常大的隐患的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种市电环境下用于故障电弧检测与定位的装置，包括高速AD采集模块、低速AD采集模块、隔离模块、信号调理模块、电流互感器模块、开关模块、DA输出模块、屏幕显示模块、故障电弧定位分析模块、故障电弧检测分析模块、融合分析模块、以及故障电弧产生模块，其特征在于，

DA输出模块用于产生检测信号，并将检测信号发送到故障电弧发生模块；

故障电弧发生模块用于生成故障电弧，并在检测信号遇到故障电弧时生成反射信号；

高速AD采集模块用于获取DA输出模块产生的检测信号以及故障电弧发生模块生成的反射信号；

低速AD模块用于采集流经故障电弧发生模块的电流信号；

隔离模块连接到外部交流信号，用于隔离该外部交流信号中的交流电，以使得高速AD采集模块采集的的检测信号无阻碍通过，并使得DA输出模块产生的检测信号无阻碍的通过；

电流互感器模块用于将外部交流信号中的大电流转换为小电流，并将转换后的外部交流信号传输到信号调理模块。

信号调理模块用于将转换后的外部交流信号中的电流信号转换为电压信号。

故障电弧定位分析模块用于控制DA输出模块产生检测信号，并根据高速AD采集模块采集的检测信号和反射信号，采用互相关算法计算得到故障电弧的距离以及故障电弧的类型，并将其存储在故障电弧定位环形队列第一环形缓存区中；

故障电弧检测分析用于处理低速AD采集模块采集的电流信号，通过皮尔森系数计算得到电流信号的畸变率，并将其存储在故障电弧检测环形队列第二环形缓存区中。

融合分析模块用于将故障电弧定位分析模块得到的故障电弧的距离以及故障电弧的类型、以及故障电弧检测分析模块得到的电流信号的畸变率进行数据融合，以判断有无故障电弧的产生，并在判断有故障电弧时，控制屏幕显示模块显示警告信息，控制开关模块的继电器开关断开，并通知屏幕显示模块输出故障电弧的距离以及故障电弧的类型。

优选地，隔离模块包括耦合变压器、耐压电容C、以及瞬态抑制二极管。

优选地，耦合变压器的两个输入端与信号输入端直接连接；

耦合变压器输出的一端通过耐压电容连接到电力线，输出的另一端直接与电力线连接；

耦合变压器的两个输出端与瞬态抑制二极管相连。

优选地，信号调理模块包括第一运算放大器、第二运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、电位器、以及第一电容。

优选地，第一电阻的一端与第二电阻的一端、以及交流信号输入端连接，另一端直接与信号输入接地端连接；

第一电容的一端与第二电阻的另一端、以及第一运算放大器的信号正向输入端连接，另一端连接到信号输入接地端；

第三电阻的一端与第一运算放大器的信号反相输入端、以及第一运算放大器的信号输出端连接，另一端连接到第二运算放大器的信号正向输入端；

第四电阻的一端与第二运算放大器的信号反相输入端、以及电位器连接，另一端连接到接地端。

电位器的另一端连接到第二运算放大器的信号输出端。

按照本发明的另一方面，提供了一种上述市电环境下用于故障电弧检测与定位的装置的工作方法，包括以下步骤：

(1)DA输出模块输出检测信号，并通过隔离模块3将该发射信号传输到故障电弧产生模块；

(2)故障电弧产生模块生成故障电弧，并在检测信号遇到故障电弧时生成反射信号；

(3)低速AD采集模块通过电流互感器模块以及信号调理模块采集流经故障电弧产生模块的电流信号，并将该电流信号传输到故障电弧检测分析模块。

(4)高速AD采集模块1通过隔离模块采集来自DA输出模块的检测信号、以及来自故障电弧产生模块的反射信号；

(5)故障电弧定位分析模块使用互相关算法处理高速AD采集模块采集的检测信号与反射信号，以得到故障电弧的距离数据D以及故障电弧的类型数据Ty；

(6)故障电弧定位分析模块将故障电弧的距离数据D以及故障电弧类型数据Ty存储在故障电弧定位环形队列第一环形缓存区中。

(7)故障电弧检测分析模块使用皮尔森系数算法处理流经故障电弧产生模块的电流信号，以得到该电流信号的畸变率Dr。

(8)故障电弧检测分析模块将畸变率Dr存储在故障电弧检测环形队列第二环形缓存区中；

(9)融合分析模块判断第一环形缓存区和第二环形缓存区中的数据总数是否均等于W，如果是则进入步骤(10)，否则返回步骤(1)。

(10)融合分析模块读取故障电弧定位环形队列第一环形缓存区中的W个数据，数据包括故障电弧的距离数据D以及故障电弧类型数据Ty。

(11)融合分析模块对第一环形缓存区中的W个数据进行预处理，将故障电弧的距离数据中距离为0到电线长度间的数据保留下来，并过滤掉其余的距离数据。

(12)融合分析模块计算步骤(11)保留下来的距离数据的平均值以及散度DI。

(13)融合分析模块读取故障电弧检测环形队列第二环形缓存区中的W个电流畸变率数据。

(14)融合分析模块统计第二环形缓存区的数据中畸变率超过阈值的数据个数T；

(15)融合分析模块判断T的值是否大于等于Q1，如果是则说明存在故障电弧，然后进入步骤(16)，否则进入步骤(17)。

(16)融合分析模块控制屏幕显示模块显示警告信息，控制开关模块的继电器开关断开，并控制屏幕显示模块显示故障电弧的距离的平均值A以及故障电弧的类型Ty，过程结束.

(17)融合分析模块判断故障电弧的距离散度DI是否大于等于距离散度阈值TH，如果是则说明存在故障电弧，然后返回步骤(16)，否则转入步骤(18)。

(18)融合分析模块判断电流畸变率的数据个数T是否小于等于Q2，如果是则说明不存在故障电弧，然后转入步骤(19)，否则过程结束。

(19)融合分析模块清除***报警，控制开关模块的继电器开关闭合，并控制屏幕显示模块显示不存在故障电弧，过程结束。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明的装置由于采用了电弧融合感知技术，其不仅能够检测故障电弧而且还能定位故障电弧，因此能够解决现有电弧故障检测装置只能进行故障电弧检测，而不能同时实现故障电弧检测与定位以及故障电弧类型检测的技术问题，即本装置不仅能实现故障电弧检测与定位功能，还能检测故障电弧的类型(串联电弧或者并联电弧)；

2、本发明的装置由于采用了融合分析方法，其不仅能实现故障电弧检测与定位功能，还能因此能够解决现有电弧故障检测装置检测准确率偏低的技术问题；

3、本发明的装置由于采用了融合分析方法，其实现了较高精确度故障电弧的检测且漏报率低，以及较高精度的故障电弧定位，因此能够解决现有电弧故障检测装置无法实现故障电弧定位，从而导致不能及时排除故障、并对家庭用电安全造成非常大的隐患的技术问题；

4、本发明的方法由于采用了步骤(1)和步骤(5)，其使用互相关算法，因此能够解决故障电弧定位和检测故障电弧类型的技术问题；

5、本发明的方法用于采用了步骤(3)和步骤(7)，其使用皮尔森系数算法，因此能够解决检测故障电弧的技术问题

附图说明

图1是本发明市电环境下用于故障电弧检测与定位的装置的***组成框图；

图2是本发明市电环境下用于故障电弧检测与定位的装置的工作方法的具体流程图；

图3是本发明装置中隔离模块的具体电路图；

图4是本发明装置中信号调理模块的具体电路图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明提供了一种市电环境下用于故障电弧检测与定位的装置，包括高速模数(Analog-digital，简称AD)采集模块1、低速AD采集模块2、隔离模块3、信号调理模块4、电流互感器模块5、开关模块6、数模(Digital-analog，简称DA)输出模块7、屏幕显示模块8、故障电弧定位分析模块9、故障电弧检测分析模块10、融合分析模块11、以及故障电弧产生模块12。

在本发明中，高速AD采集模块1的型号为ACM9226，低速AD采集模块2的型号为ADC128S022，DA输出模块7的型号为ACM9767，电流互感器模块5的型号为ZMCT103C。

数模(Digital-analog，简称DA)输出模块7用于产生检测信号，并将检测信号发送到故障电弧发生模块12。

故障电弧发生模块12用于生成故障电弧，并在检测信号遇到故障电弧时生成反射信号。

高速AD采集模块1用于获取DA输出模块7产生的检测信号以及故障电弧发生模块12生成的反射信号，低速AD模块2用于采集流经故障电弧发生模块12的电流信号。

隔离模块3连接到220V、50HZ的外部交流信号，用于隔离该外部交流信号中的交流电，以使得高速AD采集模块1采集的DA输出模块7产生的检测信号无阻碍通过，并使得DA输出模块7产生的检测信号无阻碍的通过。

如图3所示，隔离模块3包括耦合变压器T11、耐压电容C12、以及瞬态抑制二极管D13；耦合变压器T11的两个输入端与信号输入端IN直接连接，耦合变压器T11输出的一端通过耐压电容C12连接到电力线，输出的另一端直接与电力线连接；耦合变压器T11的两个输出端与瞬态抑制二极管D13相连。

电流互感器模块5用于将外部交流信号中的大电流转换为小电流，并将转换后的外部交流信号传输到信号调理模块4。

信号调理模块4用于将转换后的外部交流信号中的电流信号转换为电压信号。

如图4所示，信号调理模块4包括第一运算放大器U21、第二运算放大器U22、第一电阻R23、第二电阻R24、第三电阻R25、第四电阻R26、电位器R27、以及第一电容C28。第一电阻R23的一端与第二电阻R24的一端、以及交流信号输入端连接，另一端直接与信号输入接地端连接；第一电容C28的一端与第二电阻R24的另一端、以及第一运算放大器U21的信号正向输入端连接，另一端连接到信号输入接地端；第三电阻R25的一端与第一运算放大器U21的信号反相输入端、以及U21的信号输出端连接，另一端连接到第二运算放大器U22的信号正向输入端；第四电阻R26的一端与第二运算放大器U22的信号反相输入端、以及电位器R27连接，另一端连接到接地端；电位器R27的另一端连接到第二运算放大器U22的信号输出端。

故障电弧定位分析模块9用于控制DA输出模块7产生检测信号，并根据高速AD采集模块1采集的检测信号和反射信号，采用互相关算法计算得到故障电弧的距离以及故障电弧的类型，并将其存储在故障电弧定位环形队列第一环形缓存区(Ring Buffer1)中。

故障电弧检测分析10用于处理低速AD采集模块2采集的电流信号，通过皮尔森系数计算得到电流信号的畸变率，并将其存储在故障电弧检测环形队列第二环形缓存区(Ring Buffer2)中。

融合分析模块11用于将故障电弧定位分析模块9得到的故障电弧的距离以及故障电弧的类型、以及故障电弧检测分析模块10得到的电流信号的畸变率进行数据融合，以判断有无故障电弧的产生，并在判断有故障电弧时，控制屏幕显示模块8显示警告信息，控制开关模块6的继电器开关断开，并通知屏幕显示模块8输出故障电弧的距离以及故障电弧的类型。

如图2所示，本发明还提供了上述市电环境下用于故障电弧检测与定位的装置的工作方法，包括以下步骤：

(1)DA输出模块7输出检测信号，并通过隔离模块3将该发射信号传输到故障电弧产生模块12；

(2)故障电弧产生模块12生成故障电弧，并在检测信号遇到故障电弧时生成反射信号；

(3)低速AD采集模块2通过电流互感器模块5以及信号调理模块4采集流经故障电弧产生模块12的电流信号，并将该电流信号传输到故障电弧检测分析模块10。

(4)高速AD采集模块1通过隔离模块3采集来自DA输出模块7的检测信号、以及来自故障电弧产生模块12的反射信号；

(5)故障电弧定位分析模块9使用互相关算法处理高速AD采集模块1采集的检测信号与反射信号，以得到故障电弧的距离数据D以及故障电弧的类型数据Ty(即串联电弧或并联电弧)；

(6)故障电弧定位分析模块9将故障电弧的距离数据D以及故障电弧类型数据Ty存储在故障电弧定位环形队列第一环形缓存区(Ring Buffer1)中，第一环形缓存区(RingBuffer1)中的数据将会被融合分析模块读取。

(7)故障电弧检测分析模块10使用皮尔森系数算法处理流经故障电弧产生模块12的的电流信号，以得到该电流信号的畸变率Dr。

(8)故障电弧检测分析模块10将畸变率Dr存储在故障电弧检测环形队列第二环形缓存区(Ring Buffer2)中，第二环形缓存区(Ring Buffer2)中的数据将会被融合分析模块读取。

(9)融合分析模块11判断第一环形缓存区和第二环形缓存区中的数据总数是否均等于W，如果是则进入步骤(10)，否则返回步骤(1)。

具体而言，W的取值范围是30到100之间，优选等于50(即一秒钟50个数据)。

(10)融合分析模块11读取故障电弧定位环形队列第一环形缓存区(RingBuffer1)中的W个数据，数据包括故障电弧的距离数据D以及故障电弧类型数据Ty。

(11)融合分析模块11对第一环形缓存区(Ring Buffer1)中的W个数据进行预处理，将故障电弧的距离数据中距离为0到电线长度间的数据保留下来，并过滤掉其余的距离数据。

(12)融合分析模块11计算步骤(11)保留下来的距离数据的平均值以及散度DI。

(13)融合分析模块11读取故障电弧检测环形队列第二环形缓存区(RingBuffer2)中的W个电流畸变率数据。

(14)融合分析模块11统计第二环形缓存区(Ring Buffer2)的数据中畸变率超过阈值的数据个数T；

(15)融合分析模块11判断T的值是否大于等于Q1，如果是则说明存在故障电弧，然后进入步骤(16)，否则进入步骤(17)。

具体而言，Q1的取值为10到20之间，优选为14。

(16)融合分析模块11控制屏幕显示模块8显示警告信息，控制开关模块6的继电器开关断开，并控制屏幕显示模块8显示故障电弧的距离的平均值A以及故障电弧的类型Ty，过程结束.

(17)融合分析模块11判断故障电弧的距离散度DI是否大于等于距离散度阈值TH，如果是则说明存在故障电弧，然后返回步骤(16)，否则转入步骤(18)。

具体而言，距离散度阈值TH的取值范围是0.6到1.0，优选为0.8。

(18)融合分析模块11判断电流畸变率的数据个数T是否小于等于Q2，如果是则说明不存在故障电弧，然后转入步骤(19)，否则过程结束。

具体而言，Q2的取值范围是5到15之间，优选为9。

(19)融合分析模块11清除***报警，控制开关模块6的继电器开关闭合，并控制屏幕显示模块8显示不存在故障电弧，过程结束。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种市电环境下用于故障电弧检测与定位的装置，包括高速AD采集模块、低速AD采集模块、隔离模块、信号调理模块、电流互感器模块、开关模块、DA输出模块、屏幕显示模块、故障电弧定位分析模块、故障电弧检测分析模块、融合分析模块、以及故障电弧产生模块，其特征在于，DA输出模块用于产生检测信号，并将检测信号发送到故障电弧发生模块；

故障电弧发生模块用于生成故障电弧，并在检测信号遇到故障电弧时生成反射信号；

高速AD采集模块用于获取DA输出模块产生的检测信号以及故障电弧发生模块生成的反射信号；

低速AD模块用于采集流经故障电弧发生模块的电流信号；

隔离模块连接到外部交流信号，用于隔离该外部交流信号中的交流电，以使得高速AD采集模块采集的检测信号无阻碍通过，并使得DA输出模块产生的检测信号无阻碍的通过；

电流互感器模块用于将外部交流信号中的大电流转换为小电流，并将转换后的外部交流信号传输到信号调理模块。

信号调理模块用于将转换后的外部交流信号中的电流信号转换为电压信号。

故障电弧定位分析模块用于控制DA输出模块产生检测信号，并根据高速AD采集模块采集的检测信号和反射信号，采用互相关算法计算得到故障电弧的距离以及故障电弧的类型，并将其存储在故障电弧定位环形队列第一环形缓存区中；

故障电弧检测分析用于处理低速AD采集模块采集的电流信号，通过皮尔森系数计算得到电流信号的畸变率，并将其存储在故障电弧检测环形队列第二环形缓存区中。

融合分析模块用于将故障电弧定位分析模块得到的故障电弧的距离以及故障电弧的类型、以及故障电弧检测分析模块得到的电流信号的畸变率进行数据融合，以判断有无故障电弧的产生，并在判断有故障电弧时，控制屏幕显示模块显示警告信息，控制开关模块的继电器开关断开，并通知屏幕显示模块输出故障电弧的距离以及故障电弧的类型。

2.根据权利要求1所述的市电环境下用于故障电弧检测与定位的装置，其特征在于，隔离模块包括耦合变压器、耐压电容C、以及瞬态抑制二极管。

3.根据权利要求1或2所述的市电环境下用于故障电弧检测与定位的装置，其特征在于，

耦合变压器的两个输入端与信号输入端直接连接；

耦合变压器输出的一端通过耐压电容连接到电力线，输出的另一端直接与电力线连接；

耦合变压器的两个输出端与瞬态抑制二极管相连。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的市电环境下用于故障电弧检测与定位的装置，其特征在于，信号调理模块包括第一运算放大器、第二运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、电位器、以及第一电容。

5.根据权利要求1至4中任意一项所述的市电环境下用于故障电弧检测与定位的装置，其特征在于，

第一电阻的一端与第二电阻的一端、以及交流信号输入端连接，另一端直接与信号输入接地端连接；

第一电容的一端与第二电阻的另一端、以及第一运算放大器的信号正向输入端连接，另一端连接到信号输入接地端；

第三电阻的一端与第一运算放大器的信号反相输入端、以及第一运算放大器的信号输出端连接，另一端连接到第二运算放大器的信号正向输入端；

第四电阻的一端与第二运算放大器的信号反相输入端、以及电位器连接，另一端连接到接地端。

电位器的另一端连接到第二运算放大器的信号输出端。

6.一种根据权利要求1至5中任意一项所述的市电环境下用于故障电弧检测与定位的装置的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)DA输出模块输出检测信号，并通过隔离模块3将该发射信号传输到故障电弧产生模块；

(2)故障电弧产生模块生成故障电弧，并在检测信号遇到故障电弧时生成反射信号；

(3)低速AD采集模块通过电流互感器模块以及信号调理模块采集流经故障电弧产生模块的电流信号，并将该电流信号传输到故障电弧检测分析模块。

(4)高速AD采集模块1通过隔离模块采集来自DA输出模块的检测信号、以及来自故障电弧产生模块的反射信号；

(5)故障电弧定位分析模块使用互相关算法处理高速AD采集模块采集的检测信号与反射信号，以得到故障电弧的距离数据D以及故障电弧的类型数据Ty；

(6)故障电弧定位分析模块将故障电弧的距离数据D以及故障电弧类型数据Ty存储在故障电弧定位环形队列第一环形缓存区中。

(7)故障电弧检测分析模块使用皮尔森系数算法处理流经故障电弧产生模块的电流信号，以得到该电流信号的畸变率Dr。

(8)故障电弧检测分析模块将畸变率Dr存储在故障电弧检测环形队列第二环形缓存区中；

(9)融合分析模块判断第一环形缓存区和第二环形缓存区中的数据总数是否均等于W，如果是则进入步骤(10)，否则返回步骤(1)。

(10)融合分析模块读取故障电弧定位环形队列第一环形缓存区中的W个数据，数据包括故障电弧的距离数据D以及故障电弧类型数据Ty。

(11)融合分析模块对第一环形缓存区中的W个数据进行预处理，将故障电弧的距离数据中距离为0到电线长度间的数据保留下来，并过滤掉其余的距离数据。

(12)融合分析模块计算步骤(11)保留下来的距离数据的平均值以及散度DI。

(13)融合分析模块读取故障电弧检测环形队列第二环形缓存区中的W个电流畸变率数据。

(14)融合分析模块统计第二环形缓存区的数据中畸变率超过阈值的数据个数T；

(15)融合分析模块判断T的值是否大于等于Q1，如果是则说明存在故障电弧，然后进入步骤(16)，否则进入步骤(17)。

(16)融合分析模块控制屏幕显示模块显示警告信息，控制开关模块的继电器开关断开，并控制屏幕显示模块显示故障电弧的距离的平均值A以及故障电弧的类型Ty，过程结束.

(17)融合分析模块判断故障电弧的距离散度DI是否大于等于距离散度阈值TH，如果是则说明存在故障电弧，然后返回步骤(16)，否则转入步骤(18)。

(18)融合分析模块判断电流畸变率的数据个数T是否小于等于Q2，如果是则说明不存在故障电弧，然后转入步骤(19)，否则过程结束。

(19)融合分析模块清除***报警，控制开关模块的继电器开关闭合，并控制屏幕显示模块显示不存在故障电弧，过程结束。

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