本發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)涉及一種基于時(shí)頻綜合分析的故障電弧檢測(cè)方法及其裝置，其中方法包括１）上電復(fù)位；２）系統(tǒng)初始化；３）參數(shù)初始化，參量賦值；４）開(kāi)啟定時(shí)中斷，啟動(dòng)Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換；５）微處理器以時(shí)間Ｔｓａｍｐｌｅ作為采樣間隔，實(shí)時(shí)采集信號(hào)調(diào)理電路和幅值檢測(cè)電路的輸出電壓信號(hào)等步驟；其中裝置包括電流互感器、電壓跟隨電路、幅值檢測(cè)電路、電源模塊、信號(hào)調(diào)理電路、微處理器、脫扣驅(qū)動(dòng)電路、脫扣動(dòng)作機(jī)構(gòu)、復(fù)位電路、測(cè)試電路和ＬＥＤ指示電路。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)具有計(jì)算復(fù)雜度低、安全性高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專(zhuān)利技術(shù)涉及一種配電線(xiàn)路故障電弧保護(hù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于時(shí)頻綜合分析的故障電弧檢測(cè)方法及其裝置。
技術(shù)介紹
住宅內(nèi)的線(xiàn)路和設(shè)備，比如電氣布線(xiàn)、插座線(xiàn)路、家用電器內(nèi)部線(xiàn)路或電源線(xiàn)等， 由于長(zhǎng)時(shí)間帶載運(yùn)行、過(guò)載或受外力影響會(huì)造成電線(xiàn)絕緣層出現(xiàn)老化或者發(fā)生絕緣破損， 容易導(dǎo)致線(xiàn)路間串并聯(lián)電弧故障或線(xiàn)路對(duì)地短路故障。與短路故障相比，故障電弧發(fā)生時(shí)電流較小，以剩余電流保護(hù)斷路器、熔斷器為代表的常規(guī)線(xiàn)路保護(hù)裝置不能對(duì)故障電弧做出準(zhǔn)確判斷。電弧燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生局部高溫，成為引起電氣火災(zāi)的主要原因之一，嚴(yán)重威脅人員的生命財(cái)產(chǎn)安全。故障電弧斷路器(Arc Fault Circuit Interrupter, AFCI)是一種最近發(fā)展起來(lái)的電路保護(hù)裝置，有故障電弧發(fā)生時(shí)，它應(yīng)能迅速切斷電路。目前大多數(shù)AFCI產(chǎn)品的適用范圍較小，主要針對(duì)某些特定負(fù)載，對(duì)于有類(lèi)似電弧特征的負(fù)載沒(méi)有很好的鑒別能力。交流故障電弧電流波形在時(shí)域上存在以下特征1、由于故障電弧類(lèi)似于阻性負(fù)載，電流幅值較正常運(yùn)行略有減小；2、在電流過(guò)零點(diǎn)附近存在長(zhǎng)度隨機(jī)的“平肩部”;3、電流波形變化率增大，存在大小和時(shí)刻都具有隨機(jī)性的突變；4、波形的對(duì)稱(chēng)性遭到破壞。根據(jù)以上故障電弧時(shí)域特征，目前大多數(shù)故障電弧檢測(cè)方法和保護(hù)電路以相鄰半周波電流的“平肩部”時(shí)間、平均值、最大值、最小值、變化率di/dt的變化量超過(guò)閾值作為判定故障電弧的復(fù)合判據(jù)。該方法所需的判據(jù)較多，且容易受電力電子開(kāi)關(guān)電源和負(fù)載變動(dòng)的干擾，誤判率較高。另一方面，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者提出用離散傅里葉變換、小波變換等方法分析故障電弧的頻域特性，雖有較好的效果，但對(duì)保護(hù)裝置的硬件電路要求較高，難以大范圍推廣使用。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專(zhuān)利技術(shù)的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種計(jì)算復(fù)雜度低、 安全性高、成本低的基于時(shí)頻綜合分析的故障電弧檢測(cè)方法及其裝置。本專(zhuān)利技術(shù)的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)一種基于時(shí)頻綜合分析的故障電弧檢測(cè)方法，其特征在于，包括以下步驟1)上電復(fù)位；2)系統(tǒng)初始化；3)參數(shù)初始化，參量賦值；4)開(kāi)啟定時(shí)中斷，啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換；5)微處理器以時(shí)間Tsample作為采樣間隔，實(shí)時(shí)采集信號(hào)調(diào)理電路和幅值檢測(cè)電路的輸出電壓信號(hào)；6)根據(jù)設(shè)定的閾值八_判斷輸出電壓信號(hào)乂_是否發(fā)生過(guò)電流故障，若V_<V。VCT，則電路未發(fā)生過(guò)電流，繼續(xù)執(zhí)行步驟7)；若Vamp > V。VCT，則電路發(fā)生過(guò)電流，跳轉(zhuǎn)到步驟10)；7)由Vamp設(shè)定故障電弧檢測(cè)子程序中的各閾值Vth，Tmin, Dmin ；8)執(zhí)行故障電弧檢測(cè)子程序；9)若未發(fā)生故障電弧，跳轉(zhuǎn)到步驟5)；若發(fā)生故障電弧，跳轉(zhuǎn)到步驟10)；10)微處理器發(fā)出脫扣信號(hào)驅(qū)動(dòng)脫扣動(dòng)作機(jī)構(gòu)斷開(kāi)電路，直到復(fù)位按鈕按下，電路重新導(dǎo)通。所述的步驟2)系統(tǒng)初始化包括I/O 口配置、A/D采樣方式、采樣率配置、系統(tǒng)時(shí)鐘、 定時(shí)器配置。所述的步驟7)中的Vth，Tmin, Dmin的含義如下l)Vth為脈沖閾值，當(dāng)脈沖小于脈沖閾值Vth時(shí)，判定不是由電弧故障引起，忽略這些突變點(diǎn)；2)Tmin為相鄰脈沖衰減時(shí)間變化量閾值，當(dāng)被測(cè)信號(hào)衰減時(shí)間變化量小于閾值 Tmin時(shí)，判定電流突變信號(hào)是由正常負(fù)載引起的；3) Dmin為電弧半波數(shù)閾值，從第一個(gè)幅值超過(guò)Vth的脈沖開(kāi)始循環(huán)統(tǒng)計(jì)，在設(shè)定時(shí)間段內(nèi)，大于閾值Vth且相鄰衰減時(shí)間變化量大于閾值Tmin的脈沖個(gè)數(shù)超過(guò)閾值Dmin， 則判定發(fā)生故障電弧。所述的Vth，Tmin, Dmin的大小由幅值檢測(cè)電路輸出電壓Vamp高低決定，根據(jù)線(xiàn)路電流等級(jí)選定的閾值，有利于對(duì)不同功率大小、不同種類(lèi)的負(fù)載提供故障電弧保護(hù)。所述的步驟8)的故障電弧檢測(cè)子程序步驟如下(1)實(shí)時(shí)采樣經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路后的信號(hào)Sample_V，將Sample_V與脈沖閾值Vth 相比較，計(jì)算Sample_V > Vth的時(shí)間長(zhǎng)度Ta ；Sample_V < Vth的時(shí)間長(zhǎng)度Tb；(2)當(dāng)小于閾值的時(shí)間長(zhǎng)度Tb >0. k時(shí)，初始化故障電弧檢測(cè)程序，并返回步驟⑴；否則轉(zhuǎn)到步驟⑶；(3)T = Ta+Tb將所有八組時(shí)間長(zhǎng)度求和 Sum(T :T)；(4)如果Sum(T :T) < 0. 5s，計(jì)算相鄰脈沖衰減時(shí)間變化量dT = Tb +Tb-Tb-Tb；否則 i = i+1，轉(zhuǎn)到步驟(1)；(5)判斷當(dāng)前半周波是否存在電弧，如果dT >Tmin，則D = 1 ；如果dT<Tmin，則 D = 0 ；(6)將所有八個(gè)標(biāo)記量相加Sum (DW]: D )，如果Sum (DW]: D ) > Dmin，即在 0.5s的時(shí)間跨度內(nèi)有多個(gè)周期電路中發(fā)生電弧，則判定存在故障電弧，發(fā)出脫扣信號(hào)；否則i = i+Ι，轉(zhuǎn)到步驟(1)。一種所述的基于時(shí)頻綜合分析的故障電弧檢測(cè)方法的裝置，其特征在于，包括電流互感器、電壓跟隨電路、幅值檢測(cè)電路、電源模塊、信號(hào)調(diào)理電路、微處理器、脫扣驅(qū)動(dòng)電路、脫扣動(dòng)作機(jī)構(gòu)、復(fù)位電路、測(cè)試電路和LED指示電路，所述的電流互感器分別與電壓跟隨電路、幅值檢測(cè)電路連接，所述的電源模塊分別與電壓跟隨電路、信號(hào)調(diào)理電路、微處理器連接，所述的微處理器分別與幅值檢測(cè)電路、信號(hào)調(diào)理電路、脫扣驅(qū)動(dòng)電路、復(fù)位電路、測(cè)試電路和LED指示電路連接，所述的脫扣驅(qū)動(dòng)電路與脫扣動(dòng)作機(jī)構(gòu)連接。所述的信號(hào)調(diào)理電路包括依次連接的整流電路、濾波電路和放大電路。所述的放大電路通過(guò)RC延時(shí)電路與微處理器連接，通過(guò)RC延時(shí)電路將脈沖的強(qiáng)弱轉(zhuǎn)換為衰減時(shí)間的長(zhǎng)短。所述的整流電路可對(duì)小到幾毫伏的信號(hào)進(jìn)行整流，從而減少信號(hào)失真，保證檢測(cè)的準(zhǔn)確性，在整流電路輸出端與地之間并聯(lián)電阻R25和電容C12，在發(fā)生故障電弧時(shí)能夠積分高頻毛刺信號(hào)，保留了故障電弧的特征量。所述的濾波電路包括二階高通濾波器，該二階高通濾波器的截止頻率選為IkHz。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專(zhuān)利技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)1)解決了準(zhǔn)確檢測(cè)故障電弧的技術(shù)問(wèn)題，克服了單純從時(shí)域角度誤判率較高以及單純從頻域角度成本較高不易推廣的缺點(diǎn)。2)借助高頻信號(hào)記錄線(xiàn)路電流的突變點(diǎn)，由在時(shí)域上完全映射突變點(diǎn)的脈沖發(fā)生時(shí)刻和強(qiáng)弱大小變化判斷是否存在故障電弧，其效果與基于小波分析的奇異點(diǎn)檢測(cè)方法很相近，但計(jì)算復(fù)雜度要低得多。3)能夠有效檢測(cè)各類(lèi)民用負(fù)載情況下的故障電弧，并且當(dāng)線(xiàn)路中存在非故障好弧或者在有類(lèi)似故障電弧特征的負(fù)載正常運(yùn)行時(shí)不產(chǎn)生誤動(dòng)作。4)基于硬件分立元件的頻域處理降低了對(duì)微處理器的要求，使成本得以降低，便于普及推廣。附圖說(shuō)明圖1為本專(zhuān)利技術(shù)的硬件結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本專(zhuān)利技術(shù)的具體電路圖；圖3為經(jīng)過(guò)整流和高通濾波后的阻性負(fù)載故障電弧信號(hào)波形；圖4為本專(zhuān)利技術(shù)裝置中微處理器程序流程圖；圖5是圖4中故障電弧檢測(cè)子程序流程圖；圖6是典型民用負(fù)載1500W電水壺故障電弧波形圖；圖7是典型民用負(fù)載1000W調(diào)光燈故障電弧波形圖；圖8是典型民用負(fù)載300W個(gè)人電腦故障電弧波形圖。具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本專(zhuān)利技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。實(shí)施例如圖1，一種所述的基于時(shí)頻綜合分析的故障電弧檢測(cè)方法的裝置，包括電流互感器1、電壓跟隨電路2、幅值檢測(cè)電路3、電源模塊4、信號(hào)調(diào)理電路5、微處理器6、脫扣驅(qū)動(dòng)電路7、脫扣動(dòng)作機(jī)構(gòu)8、復(fù)位電路9、測(cè)試電路10和LED本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
１．一種基于時(shí)頻綜合分析的故障電弧檢測(cè)方法，其特征在于，包括以下步驟：１）上電復(fù)位；２）系統(tǒng)初始化；３）參數(shù)初始化，參量賦值；４）開(kāi)啟定時(shí)中斷，啟動(dòng)Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換；５）微處理器以時(shí)間Ｔｓａｍｐｌｅ作為采樣間隔，實(shí)時(shí)采集信號(hào)調(diào)理電路和幅值檢測(cè)電路的輸出電壓信號(hào)；６）根據(jù)設(shè)定的閾值Ｖｏｖｅｒ判斷輸出電壓信號(hào)Ｖａｍｐ是否發(fā)生過(guò)電流故障，若Ｖａｍｐ＜Ｖｏｖｅｒ，則電路未發(fā)生過(guò)電流，繼續(xù)執(zhí)行步驟７）；若Ｖａｍｐ＞Ｖｏｖｅｒ，則電路發(fā)生過(guò)電流，跳轉(zhuǎn)到步驟１０）；７）由Ｖａｍｐ設(shè)定故障電弧檢測(cè)子程序中的各閾值Ｖｔｈ，Ｔｍｉｎ，Ｄｍｉｎ；８）執(zhí)行故障電弧檢測(cè)子程序；９）若未發(fā)生故障電弧，跳轉(zhuǎn)到步驟５）；若發(fā)生故障電弧，跳轉(zhuǎn)到步驟１０）；１０）微處理器發(fā)出脫扣信號(hào)驅(qū)動(dòng)脫扣動(dòng)作機(jī)構(gòu)斷開(kāi)電路，直到復(fù)位按鈕按下，電路重新導(dǎo)通。
【技術(shù)特征摘要】
【專(zhuān)利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：張峰，
申請(qǐng)(專(zhuān)利權(quán))人：上海交通大學(xué)，
類(lèi)型：發(fā)明
國(guó)別省市：31
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