專(zhuān)利名稱(chēng)：基于電流高頻分量時(shí)頻特征的電弧故障檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在低壓供配電線路或供配電系統(tǒng)的電弧故障的檢測(cè)方法，特別涉
及一種基于電流高頻分量時(shí)頻特征的電弧故障檢測(cè)方法。
背景技術(shù)：
電弧故障常由于一束導(dǎo)線中某幾根導(dǎo)線絕緣損傷或?qū)щ娀芈方宇^處脫開(kāi)而引起， 其電流可能小于線路的額定電流。在低壓供配電線路和樓宇、家電、汽車(chē)、飛機(jī)等供用電系 統(tǒng)內(nèi)，都一定程度地存在著電弧故障的威脅。電弧故障的高隱蔽性，以及其強(qiáng)大的破壞力， 容易造成設(shè)備損壞，引起火災(zāi)甚至爆炸，嚴(yán)重危害了大眾的生命財(cái)產(chǎn)的安全。由于電弧的能 量大，對(duì)設(shè)備、人員的危害很大，但是目前的熔斷器、斷路器等保護(hù)裝置只能對(duì)過(guò)流、短路等 情況進(jìn)行檢測(cè)和保護(hù)，不能起到對(duì)電弧故障的檢測(cè)和保護(hù)的作用。因此，電弧故障的檢測(cè)和 保護(hù)的需要很迫切，而且其應(yīng)用的領(lǐng)域非常廣泛。 利用電弧放電時(shí)的光、熱、聲音和電磁輻射等特性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了一些方法來(lái) 檢測(cè)電弧。近年來(lái)，利用電弧的光效應(yīng)，國(guó)外開(kāi)發(fā)出了弧光檢測(cè)與保護(hù)系統(tǒng)。如德國(guó)Moe 11 er 公司用于低壓開(kāi)關(guān)柜的電弧故障保護(hù)系統(tǒng)、ARCON ABB的ARC Guard System電弧故障保護(hù) 系統(tǒng)、芬蘭Vaasa公司的VAMP系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)都是基于檢測(cè)電弧故障時(shí)發(fā)出的弧光以及 過(guò)流雙判據(jù)。對(duì)于利用弧光或者溫度等物理量檢測(cè)電弧故障，由于檢測(cè)這些參數(shù)的傳感器 都必須安裝在電弧故障發(fā)生的地方，而電弧故障發(fā)生的地點(diǎn)是不確定的，這就給全面檢測(cè) 供電線路中的電弧故障帶來(lái)了不便。在已有的電弧故障檢測(cè)技術(shù)中，如專(zhuān)利《電弧故障檢測(cè) 方法及保護(hù)裝置》等，分別從被保護(hù)回路電流幅值是否小于正常電流的幅值、電流波形正負(fù) 半周是否對(duì)稱(chēng)、波形在過(guò)零點(diǎn)處有無(wú)平肩現(xiàn)象、波形陡峭di/dt是否過(guò)大等方面來(lái)判斷是 否產(chǎn)生電弧故障具有一定的實(shí)用性，但是以被保護(hù)回路電流時(shí)域波形的變化為判據(jù)的檢測(cè) 方法無(wú)法準(zhǔn)確區(qū)別電弧故障所引起的電流波形畸變與一些電力電子負(fù)載所引起的電流波 形畸變，會(huì)在一定程度上造成誤判。

發(fā)明內(nèi)容
由于上述方法只利用電弧的光、熱、聲音、電磁輻射或電流突增/突降等時(shí)域特征 來(lái)檢測(cè)電弧故障的局限性和不足性。研究和實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)用電回路中產(chǎn)生電弧時(shí)會(huì)將同時(shí) 引發(fā)電路中出現(xiàn)暫態(tài)的高頻電流，這種高頻電流信號(hào)具有其規(guī)律性。本發(fā)明的目的在于提 供了一種基于電流高頻分量時(shí)頻特征的電弧故障檢測(cè)方法，通過(guò)判斷電弧故障所引發(fā)的高 頻電流是否周期性產(chǎn)生以區(qū)別正常的開(kāi)關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生的正常電弧；通過(guò)檢測(cè)高頻電流的頻譜 范圍以區(qū)別于由于使用電力電子器件等而產(chǎn)生的一般高頻諧波電流；并提供電弧故障報(bào)警 信號(hào)以提示潛在的電弧故障危險(xiǎn)，或輸出控制信號(hào)供相應(yīng)的保護(hù)裝置動(dòng)作，對(duì)發(fā)生電弧故 障的電路進(jìn)行保護(hù)。 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是通過(guò)檢測(cè)被保護(hù)回路的電流的高頻 分量確定是否產(chǎn)生電弧故障，其特征包括以下步驟
1)將被保護(hù)回路導(dǎo)線穿過(guò)羅氏線圈，導(dǎo)線中電流通過(guò)耦合在羅氏線圈的磁場(chǎng)產(chǎn)生 感應(yīng)電流，感應(yīng)電流經(jīng)取樣電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再經(jīng)過(guò)高頻信號(hào)調(diào)理電路，轉(zhuǎn)化為輸入A/ D轉(zhuǎn)換電路和觸發(fā)檢測(cè)電路的模擬信號(hào)；由觸發(fā)檢測(cè)電路產(chǎn)生的預(yù)觸發(fā)信號(hào)送入數(shù)據(jù)采集 控制電路；在數(shù)據(jù)采集控制電路的控制下，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路將調(diào)理后的信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字 量，并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊中； 同時(shí)，被保護(hù)回路導(dǎo)線穿過(guò)工頻電流傳感器，工頻電流傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)工 頻信號(hào)調(diào)理電路，轉(zhuǎn)化為輸入過(guò)零比較電路的工頻模擬信號(hào)，再經(jīng)過(guò)過(guò)零比較電路處理后， 生成工頻電流過(guò)零信號(hào)，并以邊沿觸發(fā)信號(hào)的形式分別輸入到數(shù)據(jù)采集控制電路和數(shù)據(jù)處 理模塊； 2)數(shù)據(jù)采集控制電路接收到工頻電流過(guò)零信號(hào)后，啟動(dòng)內(nèi)部的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，當(dāng) 在計(jì)時(shí)時(shí)間5ms-10ms內(nèi)檢測(cè)到預(yù)觸發(fā)信號(hào)即邊沿觸發(fā)，判定為有效觸發(fā)信號(hào)；數(shù)據(jù)采集控 制電路啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果連續(xù)地記錄在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊的緩沖區(qū)中；當(dāng)數(shù)據(jù)緩沖 區(qū)(16KB)滿時(shí)，數(shù)據(jù)采集控制電路停止A/D轉(zhuǎn)換和內(nèi)部的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，并向數(shù)據(jù)處理模 塊發(fā)出內(nèi)部觸發(fā)信號(hào)； 3)數(shù)據(jù)處理模塊檢測(cè)到過(guò)零比較電路輸出的觸發(fā)信號(hào)時(shí)，啟動(dòng)數(shù)據(jù)處理模塊內(nèi)部 的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，當(dāng)檢測(cè)到數(shù)據(jù)采集控制電路發(fā)出的內(nèi)部觸發(fā)信號(hào)時(shí)，以中斷方式啟動(dòng)高 頻電流出現(xiàn)時(shí)工頻電流相位和高頻電流頻譜特征分析的計(jì)算任務(wù)； 4)數(shù)據(jù)處理模塊中，依據(jù)內(nèi)部的定時(shí)/計(jì)數(shù)器的當(dāng)前計(jì)數(shù)值和工作頻率計(jì)算高頻 電流出現(xiàn)時(shí)的工頻電流相位，將求取的高頻電流出現(xiàn)的時(shí)刻值與上個(gè)工頻電流半波周期的 計(jì)算結(jié)果比較，若相位誤差大于n/50弧度或時(shí)間誤差大于0.2ms，則復(fù)位電弧故障計(jì)數(shù) 器；存儲(chǔ)當(dāng)前的相位計(jì)算結(jié)果，作為后續(xù)比較的參考值； 5)數(shù)據(jù)處理模塊中，利用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊中記錄的波形數(shù)據(jù)計(jì)算高頻電流的特征頻 率值序列以及其與參考值序列的平均相對(duì)誤差，若高頻電流特征頻率值與參考值的平均相 對(duì)誤差大于5%，則復(fù)位電弧故障計(jì)數(shù)器；存儲(chǔ)當(dāng)前高頻電流的特征頻率值序列作為后續(xù) 比較的參考值，并關(guān)閉內(nèi)部的定時(shí)/計(jì)數(shù)器； 6)重復(fù)上述步驟2) 5)，計(jì)算下個(gè)工頻電流半波周期內(nèi)，高頻電流出現(xiàn)的工頻電 流相位、高頻電流特征頻率等參數(shù)，并將其與上次結(jié)果作比較，若在設(shè)定誤差范圍內(nèi)即高頻 電流出現(xiàn)時(shí)工頻電流相位的誤差< n/50，高頻電流特征頻率的平均相對(duì)誤差〈5%，則指 示為一個(gè)電弧故障周期，電弧故障計(jì)數(shù)器加l，否則，電弧故障計(jì)數(shù)器置0 ;將本次測(cè)量數(shù)據(jù) 作為新參考值，重復(fù)上述步驟2) 5); 當(dāng)連續(xù)檢測(cè)到多個(gè)電弧故障周期即電弧故障計(jì)數(shù)器>=20，對(duì)應(yīng)于連續(xù)在10個(gè) 工頻電流周期中確認(rèn)發(fā)現(xiàn)電弧故障，時(shí)間總計(jì)約200ms，則判斷電路中有電弧故障產(chǎn)生，由 數(shù)據(jù)處理模塊輸出電弧故障報(bào)警信號(hào)。 所說(shuō)的羅氏線圈是工作于自積分式狀態(tài)，將一次回路里的高頻電流信號(hào)即電流的 高頻分量轉(zhuǎn)化為相同頻率的電壓信號(hào)；當(dāng)測(cè)量高頻信號(hào)時(shí)，自積分式羅氏線圈輸出的電壓 大小與一次回路里高頻電流大小近似呈線性關(guān)系。 所說(shuō)的A/D轉(zhuǎn)換電路采用采樣率為100MSPS的ADC芯片，并利用CPLD構(gòu)成信號(hào)采 集控制電路，來(lái)控制A/D轉(zhuǎn)換電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣和數(shù)值化，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果按照數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 模塊的時(shí)序要求，傳送給數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。
所說(shuō)的計(jì)算高頻電流出現(xiàn)時(shí)被保護(hù)回路負(fù)載電流相位的計(jì)算方法為，數(shù)據(jù)處理模 塊通過(guò)采集過(guò)零比較電路輸出的電流過(guò)零信號(hào)獲得工頻電流過(guò)零時(shí)刻，再對(duì)工頻電流過(guò)零 信號(hào)與內(nèi)部觸發(fā)信號(hào)之間間隔時(shí)間計(jì)時(shí)的方法計(jì)算相位。
所說(shuō)的數(shù)據(jù)處理模塊 1)對(duì)存儲(chǔ)模塊中記錄的高頻電流的數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT(快速傅里葉變換)變換，獲得反 映信號(hào)功率密度與頻率關(guān)系的頻譜曲線，利用數(shù)學(xué)形態(tài)濾波方法對(duì)該頻譜曲線進(jìn)行平滑處 理后，求取曲線上信號(hào)功率密度峰值對(duì)應(yīng)的頻率點(diǎn)，并按照信號(hào)功率密度值"由大向小"對(duì) 這些頻率進(jìn)行排序，順次取出對(duì)應(yīng)于功率密度最大的前M個(gè)頻率FpF2……FM作為特征頻率 值序列，其中M取3 7內(nèi)的整數(shù)； 2)利用過(guò)零比較電路輸出的工頻電流過(guò)零信號(hào)啟動(dòng)數(shù)據(jù)處理模塊內(nèi)部的定時(shí)/ 計(jì)數(shù)器，利用中斷方式獲取數(shù)據(jù)采集控制電路輸出的內(nèi)部觸發(fā)信號(hào)，并在中斷服務(wù)程序中 計(jì)算高頻電流出現(xiàn)時(shí)被保護(hù)回路負(fù)載電流相位、分析高頻電流特征頻率值、計(jì)算該序列即 當(dāng)前的特征頻率測(cè)量結(jié)果與參考值序列即上一次的特征頻率測(cè)量結(jié)果的平均相對(duì)誤差，以 及判斷電路中是否發(fā)生電弧故障； 3)數(shù)據(jù)處理模塊利用不同工頻電流半波周期(10ms)中，高頻電流信號(hào)的頻譜參 數(shù)和高頻電流發(fā)生時(shí)刻的工頻電流相位等特征參數(shù)的相關(guān)性來(lái)判別電路中是否發(fā)生電弧 故障；S卩，計(jì)算當(dāng)前工頻電流半波周期中出現(xiàn)的高頻信號(hào)的特征參數(shù)，并與前一次即上一個(gè) 工頻電流半波周期中的測(cè)量計(jì)算結(jié)果比較，若頻譜、相位與前次測(cè)量結(jié)果滿足設(shè)定的相關(guān) 性條件即相位誤差< n/50，特征頻率的平均相對(duì)誤差〈5%，則電弧故障計(jì)數(shù)器加l，否則 計(jì)數(shù)器復(fù)位；每次計(jì)算任務(wù)執(zhí)行完畢時(shí)，檢查電弧故障計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，若達(dá)到或超過(guò)設(shè)定 閾值，該閾值為電弧故障計(jì)數(shù)器>=20則給出電弧故障標(biāo)志，發(fā)出報(bào)警信號(hào)；否則重復(fù)步 驟1)、2)。 本發(fā)明以自積分式羅戈夫斯基線圈(Rogowski Coil，簡(jiǎn)稱(chēng)羅氏線圈)為高頻電流 傳感器，具有線性度范圍寬，抗干擾能力強(qiáng)、與一次回路有效電隔離等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)高速A/D 采樣電路和高速數(shù)據(jù)處理芯片，在電流半波周期內(nèi)檢測(cè)和分析高頻電流的特征參數(shù)，當(dāng)連 續(xù)若干周期檢測(cè)到頻譜特征相近且發(fā)生在被保護(hù)回路工頻電流確定相角位置處的暫態(tài)高 頻電流信號(hào)時(shí)，則判斷有電弧故障產(chǎn)生，連續(xù)累計(jì)10個(gè)工頻電流周期中均檢測(cè)到規(guī)律性出 現(xiàn)的高頻電流信號(hào)時(shí)，確認(rèn)電弧故障并發(fā)出電弧故障報(bào)警信號(hào)。該方法能夠在正常供電時(shí) 檢測(cè)電弧故障，并能將其與正常分/合電路時(shí)產(chǎn)生的電弧相區(qū)分，減少誤動(dòng)率，且不受安裝 位置限制。


圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)硬件整體結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本發(fā)明中所采用的自積分式羅氏線圈結(jié)構(gòu)及其等效電路圖
圖3是本發(fā)明中數(shù)據(jù)處理模塊中斷響應(yīng)過(guò)程的算法流程圖
具體實(shí)施方案 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。 參見(jiàn)圖1，本發(fā) 的系統(tǒng)硬件整體結(jié)構(gòu)包括自積分羅氏線圈、信號(hào)調(diào)理電路(高頻)、A/D轉(zhuǎn)換電路、觸發(fā)檢測(cè)電路、工頻電流互感器、信號(hào)調(diào)理電路(工頻)、過(guò)零比較電路、 數(shù)據(jù)采集控制電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和數(shù)據(jù)處理模塊。 羅氏線圈輸出的高頻信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路(高頻)和觸發(fā)檢測(cè)電路處理后，產(chǎn)生 預(yù)觸發(fā)信號(hào)，該信號(hào)被送入數(shù)據(jù)采集控制電路，啟動(dòng)高頻信號(hào)采集；在數(shù)據(jù)采集控制模塊的 控制下，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路將調(diào)理后的信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，并記錄在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊中，供后 級(jí)的數(shù)據(jù)處理模塊使用；數(shù)字采集控制電路完成數(shù)據(jù)采集后發(fā)出內(nèi)部觸發(fā)信號(hào)，該信號(hào)啟 動(dòng)數(shù)據(jù)處理模塊的相角計(jì)算和頻譜分析任務(wù)； 工頻電流傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)工頻信號(hào)調(diào)理電路，轉(zhuǎn)化為模擬電壓信號(hào)輸入過(guò) 零比較電路，經(jīng)過(guò)零比較電路處理后，生成工頻電流過(guò)零信號(hào)，該信號(hào)以脈沖觸發(fā)的形式輸 入到數(shù)據(jù)采集控制電路和數(shù)據(jù)處理模塊，分別用于啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集控制電路和數(shù)據(jù)處理模塊 中的定時(shí)/計(jì)數(shù)器； 數(shù)據(jù)處理模塊利用其內(nèi)部定時(shí)/計(jì)數(shù)器的脈沖計(jì)數(shù)方法來(lái)測(cè)量過(guò)零比較電路輸 出的工頻電流過(guò)零信號(hào)和數(shù)據(jù)采集控制電路輸出的內(nèi)部觸發(fā)信號(hào)之間的時(shí)間差，從而計(jì)算 高頻電流出現(xiàn)時(shí)被保護(hù)回路中工頻電流的相位角。數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊中保存的 高頻電流信號(hào)的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，依據(jù)高頻電流的頻譜特征、出現(xiàn)時(shí)被保護(hù)回路電 流相角等特征參數(shù)以及其發(fā)生的規(guī)律性來(lái)判斷其是否為電弧故障所引發(fā)的高頻電流，利用 電弧故障計(jì)數(shù)器進(jìn)行記錄；當(dāng)連續(xù)10個(gè)以上的工頻電流周期中均檢測(cè)到這種規(guī)律性的高 頻電流信號(hào)，則判斷為被保護(hù)的電路中有電弧故障產(chǎn)生。 參見(jiàn)圖2，本發(fā)明所采用的羅氏線圈為非磁性空心線圈(其尺寸為內(nèi)徑a = 40mm，外徑b = 80mm，高h(yuǎn) = 24mm，匝數(shù)N = 36匝，用①=0. 5mm的銅線繞制)，被保護(hù)導(dǎo) 線回路穿過(guò)羅氏線圈，導(dǎo)線中電流通過(guò)磁場(chǎng)耦合在羅氏線圈的二次側(cè)中產(chǎn)生感應(yīng)電流，該 電流經(jīng)過(guò)線圈取樣電阻(Rf = 0.5Q)轉(zhuǎn)化為電壓。該羅氏線圈電流傳感器為自積分式工 作狀態(tài)，上限截止頻率約為45. 5MHz。 本發(fā)明提出的基于電流高頻分量時(shí)頻特征的電弧故障檢測(cè)方法，具有以下技術(shù)特 點(diǎn) 1.基于電流高頻分量時(shí)頻特征的電弧故障檢測(cè)方法檢測(cè)被保護(hù)回路里出現(xiàn)暫態(tài) 高頻電流，對(duì)于由電弧故障引起的暫態(tài)高頻電流其頻率只與回路特征參數(shù)有關(guān)，而其頻率 遠(yuǎn)高于電網(wǎng)中通用的工頻電流傳感器檢測(cè)到的諧波頻率。 2.該檢測(cè)方法通過(guò)判斷電弧故障所引發(fā)的電流高頻分量周期性出現(xiàn)的規(guī)律，以區(qū) 別于開(kāi)關(guān)電器正常操作、插頭插拔等操作引起的一般性電弧(單次出現(xiàn))；由于電弧故障引 起的被保護(hù)回路暫態(tài)高頻電流頻率較高(> 0. 5MHz)，通過(guò)對(duì)高頻電流的數(shù)字濾波及頻譜 判斷等處理，能夠?qū)㈦娀」收弦鸬母哳l電流與由于應(yīng)用普通電力電子負(fù)載引起的高頻分 量(一般小于100kHz)相區(qū)分，減少誤判; 3.羅氏線圈作為本發(fā)明的核心電流傳感器其特征在于羅氏線圈本身與被測(cè)電 流回路沒(méi)有直接的電的聯(lián)系，而是通過(guò)電磁場(chǎng)耦合，因此與主回路有著良好的電氣絕緣；由 于沒(méi)有鐵芯飽和問(wèn)題，測(cè)量范圍寬，同樣的繞組，電流測(cè)量范圍可以從幾安培到數(shù)百千安； 頻率范圍寬，一般可設(shè)計(jì)到從0. 1 lOOMHz以上；測(cè)量準(zhǔn)確度高，可設(shè)計(jì)到優(yōu)于0. 1%，一 般為0. 5% 1%之間。 4.利用在一個(gè)工頻半波周期內(nèi)對(duì)過(guò)零比較電路輸出的工頻電流過(guò)零信號(hào)和數(shù)據(jù)采集控制電路輸出的內(nèi)部觸發(fā)信號(hào)這兩個(gè)脈沖信號(hào)之間的時(shí)間間隔計(jì)時(shí)，計(jì)算高頻電流出 現(xiàn)時(shí)刻被保護(hù)回路中工頻電流的相角，分析其是否周期性出現(xiàn)，結(jié)合數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)不同 工頻半波周期內(nèi)所采集到高頻電流信號(hào)的頻譜特征的相關(guān)性分析，作為判定該高頻電流是 否為電弧故障所引發(fā)的判據(jù)。 基于上述特征，電流高頻分量出現(xiàn)時(shí)被保護(hù)線路回路負(fù)載電流的相位角計(jì)算和電 流高頻分量的頻譜分析包括以下步驟 1、被保護(hù)回路負(fù)載電路電流由羅氏線圈的采樣電阻變換為電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)高頻信 號(hào)調(diào)理電路，分別輸入A/D轉(zhuǎn)換電路和觸發(fā)檢測(cè)電路，當(dāng)觸發(fā)檢測(cè)電路判斷高頻電流超過(guò) 設(shè)定閾值(可按照實(shí)測(cè)信號(hào)的峰-峰值的10% _15%設(shè)定，該實(shí)驗(yàn)裝置中設(shè)置為IV)發(fā)出 預(yù)觸發(fā)信號(hào)，該信號(hào)啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集控制模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)；在數(shù)據(jù)采集控制模塊的 控制下，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路將調(diào)理后的高頻電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模 塊中； 工頻電流傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)工頻信號(hào)調(diào)理電路，輸入過(guò)零比較電路，過(guò)零比 較電路檢測(cè)到工頻電流過(guò)零時(shí)，發(fā)出工頻電流過(guò)零信號(hào)，該信號(hào)分別輸入到數(shù)據(jù)采集控制 模塊和數(shù)據(jù)處理模塊； 2、數(shù)據(jù)處理模塊檢測(cè)到過(guò)零比較電路輸出的工頻電流過(guò)零信號(hào)時(shí)，啟動(dòng)內(nèi)部定時(shí) /計(jì)數(shù)器，并記錄內(nèi)部定時(shí)/計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值；在定時(shí)/計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)過(guò)程中若檢測(cè)到數(shù)據(jù)采 集控制電路發(fā)出的內(nèi)部觸發(fā)信號(hào)，則再次記錄定時(shí)/計(jì)數(shù)器當(dāng)前值；求取兩次計(jì)數(shù)差值，并 根據(jù)其工作頻率計(jì)算時(shí)間間隔以及對(duì)應(yīng)的工頻電流相位； 計(jì)算相位完成后，數(shù)據(jù)處理模塊利用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊中記錄的波形數(shù)據(jù)計(jì)算高頻電 流的特征頻率值序列以及其與參考值序列(上一個(gè)工頻半波中高頻電流的計(jì)算結(jié)果)平均 相對(duì)誤差，若高頻電流特征頻率值與參考值的平均相對(duì)誤差計(jì)算結(jié)果大于5%，則復(fù)位電弧 故障計(jì)數(shù)器；否則，電弧故障計(jì)數(shù)器加l，并存儲(chǔ)當(dāng)前高頻電流的特征頻率值序列作為后續(xù) 比較的參考值，關(guān)閉內(nèi)部的定時(shí)/計(jì)數(shù)器； 3、重復(fù)上述過(guò)程，在每個(gè)工頻半波周期內(nèi)，計(jì)算高頻電流出現(xiàn)的相位角和頻譜特 征參數(shù)，并將其與上個(gè)半波周期作比較，若在設(shè)定誤差范圍內(nèi)(相位誤差< Ji/50，頻率平 均相對(duì)誤差< 5% )，則進(jìn)行計(jì)數(shù)。當(dāng)連續(xù)檢測(cè)到10個(gè)工頻周期(計(jì)數(shù)值超過(guò)20)出現(xiàn)高 頻電流，則判斷有電弧故障產(chǎn)生，發(fā)出電弧故障報(bào)警信號(hào)。 —次回路中電流高頻分量測(cè)量及分析技術(shù)方案的實(shí)施包括以下步驟 1、選取適合高頻電流測(cè)量的羅氏線圈參數(shù)，設(shè)計(jì)自積分式羅氏線圈用以測(cè)量一次
回路中的電流高頻分量。羅氏線圈的集總參數(shù)的等效電路如圖2所示，其中M、L。、R。、C。、Rf
分別代表線圈與一次載流導(dǎo)體互感、線圈等效自感、線圈等效內(nèi)阻、線圈等效電容以及線圈
端接電阻。當(dāng)測(cè)量高頻電流信號(hào)時(shí)，自積分式羅氏線圈輸出的電壓大小與一次回路里高頻
電流大小近似呈線性關(guān)系，ijt) "-L。u。(t)/MRf。定義自積分式羅氏線圈的轉(zhuǎn)移阻抗為線
圈輸出電壓與一次回路高頻電流的比值，該值可由通過(guò)數(shù)值計(jì)算獲得或者利用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源
進(jìn)行標(biāo)定。 2、羅氏線圈輸出的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)高通(下限截止頻率為100kHz)濾波器濾除其中 的低頻干擾后，再經(jīng)帶寬為50MHz的運(yùn)算放大器進(jìn)行幅值調(diào)理，使之處于高速A/D電路和觸 發(fā)控制電路的模擬量輸入電平范圍內(nèi)。
3、采用高速的比較器(信號(hào)傳播延遲時(shí)間< 7ns)，設(shè)定電弧故障暫態(tài)高頻電流比 較閾值(按照實(shí)測(cè)高頻信號(hào)峰_峰值的10% _15%設(shè)定)。通過(guò)設(shè)定閾值可從硬件上濾除 其他能量較小的射頻干擾，提高存儲(chǔ)模塊對(duì)高速A/D轉(zhuǎn)換器輸出結(jié)果的存儲(chǔ)有效性。當(dāng)輸 入信號(hào)滿足觸發(fā)條件(超過(guò)閾值)時(shí)，發(fā)出預(yù)觸發(fā)信號(hào)。 4、高速A/D轉(zhuǎn)換模塊采用采樣率為100MSPS的高速器件，其采樣時(shí)鐘由數(shù)據(jù)采集 控制模塊的CPLD電路提供；數(shù)據(jù)采集控制模塊與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊構(gòu)成高速FIFO(先入先出) 存儲(chǔ)器，以存儲(chǔ)采集的信號(hào)波形，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊的存儲(chǔ)容量由A/D采樣率和采樣總時(shí)間確 定(如采樣率100MSPS，采樣時(shí)間0. 080ms，可設(shè)計(jì)為16KB); 數(shù)據(jù)采集控制模塊在工頻電流過(guò)零信號(hào)后5ms-10ms內(nèi)接收到預(yù)觸發(fā)信號(hào)時(shí)，數(shù) 據(jù)采集控制模塊判定該預(yù)觸發(fā)信號(hào)有效，啟動(dòng)A/D采樣，并根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換器輸出的狀態(tài)信 號(hào)，在轉(zhuǎn)換完成時(shí)將數(shù)據(jù)取出送入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。當(dāng)數(shù)據(jù)采集緩沖區(qū)滿時(shí)，數(shù)據(jù)采集控制模 塊給數(shù)據(jù)處理模塊發(fā)出內(nèi)部觸發(fā)信號(hào)啟動(dòng)數(shù)據(jù)處理任務(wù)，并置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊在數(shù)據(jù)處理模 塊取走數(shù)據(jù)之前處于寫(xiě)操作無(wú)效狀態(tài)。 5、數(shù)據(jù)處理模塊采用DSP作為核心，當(dāng)接收到數(shù)據(jù)采集控制模塊發(fā)出的內(nèi)觸發(fā)信 號(hào)時(shí)，數(shù)據(jù)處理模塊以中斷響應(yīng)方式執(zhí)行工頻電流相位計(jì)算和高頻電流的頻譜分析等處理 任務(wù)，讀取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，判斷是否產(chǎn)生電弧故障，并當(dāng)處理完成后重置 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊寫(xiě)操作有效以等待重新寫(xiě)入高頻數(shù)據(jù)。 6、在每個(gè)工頻半波周期內(nèi)，如果出現(xiàn)高頻電流，則該高頻電流信號(hào)被采樣、存儲(chǔ) 和分析處理，并將其與上個(gè)半波周期的分析結(jié)果作比較，若在設(shè)定誤差范圍內(nèi)(相位誤差 < ^1/50，頻率平均相對(duì)誤差<5%)，則進(jìn)行累計(jì)。當(dāng)連續(xù)檢測(cè)到20個(gè)工頻半波周期中出 現(xiàn)高頻電流，則判斷有電弧故障產(chǎn)生，發(fā)出電弧故障報(bào)警信號(hào)。
如圖3所示，數(shù)據(jù)處理模塊中斷響應(yīng)過(guò)程的軟件流程如下 (1)數(shù)據(jù)處理模塊收到數(shù)據(jù)采集控制模塊發(fā)出的內(nèi)部觸發(fā)信號(hào)，進(jìn)入中斷處理，然 后到步驟(2); (2)利用定時(shí)/計(jì)數(shù)器當(dāng)前值與前一次記錄值的差值，計(jì)算本次高頻電流出現(xiàn)時(shí) 刻與電流過(guò)零時(shí)刻的時(shí)間間隔T，然后到步驟(3); (3)計(jì)算當(dāng)前高頻電流出現(xiàn)時(shí)刻與電流過(guò)零時(shí)刻的時(shí)間間隔T與參考值Tref的 誤差I(lǐng)T-T^l，如果計(jì)算結(jié)果小于0.2ms(等價(jià)于工頻電流的相位誤差〈Ji/50)，則到步驟 (4)，否則到步驟(10); (4)讀入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊中的高頻電流波形數(shù)據(jù)到DSP內(nèi)部的存儲(chǔ)器變量X[n]，然 后到步驟(5); (5)對(duì)X[n]中的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT (快速傅里葉變換)變換，獲得信號(hào)的頻域數(shù)據(jù) (功率密度與頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系)，存入內(nèi)存變量Y[n]，然后到步驟(6);
(6)利用數(shù)學(xué)形態(tài)濾波方法對(duì)變量Y[n]中的頻域數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，將結(jié)果存入 變量Z[n]，然后到步驟(7); (7)在變量Z[n]中進(jìn)行比較查找，依次求取Z [n]所代表的功率密度與頻率曲線上 功率密度的峰值所對(duì)應(yīng)的頻率點(diǎn)，存入變量F[N]，然后到步驟(8); (8)并按照信號(hào)功率密度值"由大向小"對(duì)這些頻率進(jìn)行排序，順次取出對(duì)應(yīng)于功 率密度最大的前M個(gè)頻率點(diǎn)FpF2……FM作為該次測(cè)量信號(hào)的特征頻率值，(M為常量， 一般
9可選取為3 7之間的整數(shù))，然后到步驟(9); (9)計(jì)算該次測(cè)量獲得信號(hào)特征頻率F[M]與參考特征頻率F^[M]的平均相對(duì)誤 ，-W)
;若計(jì)算結(jié)果小于o. 05，到步驟(ii)，否則到步驟(io)
差識(shí) (10)清除電弧故障計(jì)數(shù)器，F(xiàn)lag = O，然后到步驟(14) (11)設(shè)置電弧故障計(jì)數(shù)器，F(xiàn)lag = Flag+1，然后到步驟(12) (12)判斷電弧故障計(jì)數(shù)值，如果Flag < 20，到步驟(14)，否則到步驟(13); (13)發(fā)出電弧故障的報(bào)警信號(hào)，然后到步驟(14); (14)保存當(dāng)前高頻電流出現(xiàn)時(shí)刻與電流過(guò)零時(shí)刻時(shí)間間隔T為參考值T^，然后 到步驟(15); (15)保存當(dāng)前高頻電流的特征頻率F[M]為參考值F^[M]，然后到步驟(16);
(16)退出中斷處理。
權(quán)利要求
基于電流高頻分量時(shí)頻特征的電弧故障檢測(cè)方法，通過(guò)檢測(cè)被保護(hù)回路的電流的高頻分量確定是否產(chǎn)生電弧故障，其特征包括以下步驟1)將被保護(hù)回路導(dǎo)線穿過(guò)羅氏線圈，導(dǎo)線中電流通過(guò)耦合在羅氏線圈的磁場(chǎng)產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流經(jīng)取樣電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再經(jīng)過(guò)高頻信號(hào)調(diào)理電路，轉(zhuǎn)化為輸入A/D轉(zhuǎn)換電路和觸發(fā)檢測(cè)電路的模擬信號(hào)；由觸發(fā)檢測(cè)電路產(chǎn)生的預(yù)觸發(fā)信號(hào)送入數(shù)據(jù)采集控制電路；在數(shù)據(jù)采集控制電路的控制下，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路將調(diào)理后的信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊中；同時(shí)，被保護(hù)回路導(dǎo)線穿過(guò)工頻電流傳感器，工頻電流傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)工頻信號(hào)調(diào)理電路，轉(zhuǎn)化為輸入過(guò)零比較電路的工頻模擬信號(hào)，再經(jīng)過(guò)過(guò)零比較電路處理后，生成工頻電流過(guò)零信號(hào)，并以邊沿觸發(fā)信號(hào)的形式分別輸入到數(shù)據(jù)采集控制電路和數(shù)據(jù)處理模塊；2)數(shù)據(jù)采集控制電路接收到工頻電流過(guò)零信號(hào)后，啟動(dòng)內(nèi)部的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，當(dāng)在計(jì)時(shí)時(shí)間5ms-10ms內(nèi)檢測(cè)到預(yù)觸發(fā)信號(hào)，判定為有效觸發(fā)信號(hào)；數(shù)據(jù)采集控制電路啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果連續(xù)地記錄在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊的緩沖區(qū)中；當(dāng)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)(16KB)滿時(shí)，數(shù)據(jù)采集控制電路停止A/D轉(zhuǎn)換和內(nèi)部的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，并向數(shù)據(jù)處理模塊發(fā)出內(nèi)部觸發(fā)信號(hào)；3)數(shù)據(jù)處理模塊檢測(cè)到過(guò)零比較電路輸出的觸發(fā)信號(hào)時(shí)，啟動(dòng)數(shù)據(jù)處理模塊內(nèi)部的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，當(dāng)檢測(cè)到數(shù)據(jù)采集控制電路發(fā)出的內(nèi)部觸發(fā)信號(hào)時(shí)，以中斷方式啟動(dòng)高頻電流出現(xiàn)時(shí)工頻電流相位和高頻電流頻譜特征分析的計(jì)算任務(wù)；4)數(shù)據(jù)處理模塊中，依據(jù)內(nèi)部的定時(shí)/計(jì)數(shù)器的當(dāng)前計(jì)數(shù)值和工作頻率計(jì)算高頻電流出現(xiàn)時(shí)的工頻電流相位，將求取的高頻電流出現(xiàn)的時(shí)刻值與上個(gè)工頻電流半波周期的計(jì)算結(jié)果比較，若相位誤差大于π/50弧度或時(shí)間誤差大于0.2ms，則復(fù)位電弧故障計(jì)數(shù)器；存儲(chǔ)當(dāng)前的相位計(jì)算結(jié)果，作為后續(xù)比較的參考值；5)數(shù)據(jù)處理模塊中，利用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊中記錄的波形數(shù)據(jù)計(jì)算高頻電流的特征頻率值序列以及其與參考值序列的平均相對(duì)誤差，若高頻電流特征頻率值與參考值的平均相對(duì)誤差大于5％，則復(fù)位電弧故障計(jì)數(shù)器；存儲(chǔ)當(dāng)前高頻電流的特征頻率值序列作為后續(xù)比較的參考值，并關(guān)閉內(nèi)部的定時(shí)/計(jì)數(shù)器；6)重復(fù)上述步驟2)～5)，計(jì)算下個(gè)工頻電流半波周期內(nèi)，高頻電流出現(xiàn)的工頻電流相位、高頻電流特征頻率等參數(shù)，并將其與上次結(jié)果作比較，若在設(shè)定誤差范圍內(nèi)即高頻電流出現(xiàn)時(shí)工頻電流相位的誤差＜π/50，高頻電流特征頻率的平均相對(duì)誤差＜5％，則指示為一個(gè)電弧故障周期，電弧故障計(jì)數(shù)器加1，否則，電弧故障計(jì)數(shù)器置0；將本次測(cè)量數(shù)據(jù)作為新參考值，重復(fù)上述步驟2)～5)；當(dāng)連續(xù)檢測(cè)到多個(gè)電弧故障周期，即電弧故障計(jì)數(shù)器＞＝20，對(duì)應(yīng)于連續(xù)在10個(gè)工頻電流周期中確認(rèn)發(fā)現(xiàn)電弧故障，時(shí)間總計(jì)約200ms，則判斷電路中有電弧故障產(chǎn)生，由數(shù)據(jù)處理模塊輸出電弧故障報(bào)警信號(hào)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電流高頻分量時(shí)頻特征的電弧故障檢測(cè)方法，其特征在于所說(shuō)的羅氏線圈是工作于自積分式狀態(tài)，將一次回路中的高頻電流信號(hào)即電流的高頻分量轉(zhuǎn)化為相同頻率的電壓信號(hào)；當(dāng)測(cè)量高頻信號(hào)時(shí)，自積分式羅氏線圈輸出的電壓大小與一次回路中高頻電流大小近似呈線性關(guān)系。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電流高頻分量時(shí)頻特征的電弧故障檢測(cè)方法，其特征在 于所說(shuō)的A/D轉(zhuǎn)換電路采用采樣率為100MSPS的ADC芯片，并利用CPLD構(gòu)成信號(hào)采集控 制電路，來(lái)控制A/D轉(zhuǎn)換電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣和數(shù)值化，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果按照數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊 的時(shí)序要求，傳送給數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電流高頻分量時(shí)頻特征的電弧故障檢測(cè)方法，其特征在 于所說(shuō)的計(jì)算高頻電流出現(xiàn)時(shí)被保護(hù)回路負(fù)載電流相位的計(jì)算方法為，數(shù)據(jù)處理模塊通 過(guò)采集過(guò)零比較電路輸出的電流過(guò)零信號(hào)獲得工頻電流過(guò)零時(shí)刻，再對(duì)工頻電流過(guò)零信號(hào) 與內(nèi)部觸發(fā)信號(hào)之間間隔時(shí)間計(jì)時(shí)的方法計(jì)算相位。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電流高頻分量時(shí)頻特征的電弧故障檢測(cè)方法，其特征在于所說(shuō)的數(shù)據(jù)處理模塊1) 對(duì)存儲(chǔ)模塊中記錄的高頻電流的數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT(快速傅里葉變換)變換，獲得反映 信號(hào)功率密度與頻率關(guān)系的頻譜曲線，利用數(shù)學(xué)形態(tài)濾波方法對(duì)該頻譜曲線進(jìn)行平滑處理 后，求取曲線上信號(hào)功率密度峰值對(duì)應(yīng)的頻率點(diǎn)，并按照信號(hào)功率密度值"由大向小"對(duì)這 些頻率進(jìn)行排序，順次取出對(duì)應(yīng)于功率密度最大的前M個(gè)頻率FpF2……FM作為特征頻率值 序列，其中M取3 7內(nèi)的整數(shù)；2) 利用過(guò)零比較電路輸出的工頻電流過(guò)零信號(hào)啟動(dòng)數(shù)據(jù)處理模塊內(nèi)部的定時(shí)/計(jì)數(shù) 器，利用中斷方式獲取數(shù)據(jù)采集控制電路輸出的內(nèi)部觸發(fā)信號(hào)，并在中斷服務(wù)程序中計(jì)算 高頻電流出現(xiàn)時(shí)被保護(hù)回路負(fù)載電流相位、分析高頻電流特征頻率值、計(jì)算該序列即當(dāng)前 的特征頻率測(cè)量結(jié)果與參考值序列即上一次的特征頻率測(cè)量結(jié)果的平均相對(duì)誤差，以及判 斷電路中是否發(fā)生電弧故障；3) 數(shù)據(jù)處理模塊利用不同工頻電流半波周期(10ms)中，高頻電流信號(hào)的頻譜參數(shù)和 高頻電流發(fā)生時(shí)刻的工頻電流相位等特征參數(shù)的相關(guān)性來(lái)判別電路中是否發(fā)生電弧故障； 即，計(jì)算當(dāng)前工頻電流半波周期中出現(xiàn)的高頻信號(hào)的特征參數(shù)，并與前一次即上一個(gè)工頻 電流半波周期中的測(cè)量計(jì)算結(jié)果比較，若頻譜、相位與前次測(cè)量結(jié)果滿足設(shè)定的相關(guān)性條 件即相位誤差< n/50，特征頻率的平均相對(duì)誤差〈5%，則電弧故障計(jì)數(shù)器加l，否則計(jì) 數(shù)器復(fù)位；每次計(jì)算任務(wù)執(zhí)行完畢時(shí)，檢查電弧故障計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，若達(dá)到或超過(guò)設(shè)定閾 值，該閾值為電弧故障計(jì)數(shù)器>=20，則給出電弧故障標(biāo)志，發(fā)出報(bào)警信號(hào)；否則重復(fù)步驟 1)、2)。
全文摘要
基于電流高頻分量時(shí)頻特征的電弧故障檢測(cè)方法，采用自積分式羅氏線圈測(cè)量一次回路中的暫態(tài)高頻電流，并對(duì)高頻電流作頻譜分析；采用中斷觸發(fā)和定時(shí)器/計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)方法測(cè)量工頻電流過(guò)零時(shí)刻和暫態(tài)高頻電流信號(hào)出現(xiàn)時(shí)刻的時(shí)間差，以確定高頻電流出現(xiàn)在被保護(hù)回路負(fù)載電流的相角位置，并根據(jù)高頻電流的頻譜特征和高頻電流信號(hào)出現(xiàn)的相角位置及其規(guī)律性判斷是否產(chǎn)生電弧故障。本發(fā)明能在正常供電時(shí)檢測(cè)電弧故障，受安裝位置局限小，并能將其與正常分/合電路時(shí)產(chǎn)生的暫態(tài)電流及開(kāi)關(guān)電源等電力電子負(fù)載電流相區(qū)別，減少和避免誤動(dòng)作。
文檔編號(hào)G01R23/16GK101706527SQ20091021870
公開(kāi)日2010年5月12日 申請(qǐng)日期2009年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月30日
發(fā)明者宋政湘, 張國(guó)鋼, 柯春俊, 王建華, 翟小社, 耿英三 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)