一種基於電流零休特徵的配電線路串聯電弧故障檢測方法與流程
2023-08-05 14:57:41 1
本發明涉及一種針對低壓配電線路中的串聯電弧故障的檢測方法，特別是涉及一種以線路電流的零休特徵為判定依據的串聯電弧故障檢測方法。
背景技術：
樓宇電氣線路和設備如果長時間過負荷運行，或者存在著不良電氣連接情況，電線的絕緣層會加速老化，絕緣效果會下降，甚至絕緣層出現破損，這些情況都可能引發電弧故障。電弧的燃熾是氣體電離過程，它可以等效為一種隨時間變化的非線性歐姆元件。電弧發生時產生的壓力、輻射、弧根效應會嚴重損害電氣設備，造成人身傷害，甚至引起電氣火災。
在配電線路中，電弧故障的模式按其產生的位置可分為並聯電弧故障和串聯電弧故障。並聯電弧故障是一種短路電弧故障，其產生原因有兩個方面，一方面是由於外力因素使兩條導線或導線與地之間的絕緣破損開裂而造成的，即點接觸式並聯電弧故障；另一方面是由於電線長期綑紮導致兩導線或導線與地之間的絕緣發生碳化而造成的，即碳化路徑式並聯電弧故障。並聯電弧故障的電流波形受負載影響切且明顯大於負載電流，產生的能量很大，容易在故障點快速形成導電通道，使金屬導體熔斷並引燃可燃物。但由於並聯電弧故障電流明顯大於負載電流，所以傳統的過流保護裝置可以對其進行有效的保護；串聯電弧故障的產生原因也主要有兩個方面，一方面是由于振動等原因引起電極之間接觸不良、連接鬆弛或接觸處斷裂，進而形成了間歇性的電弧，即點接觸式串聯電弧故障。間歇性的電弧燃燒使導體的熱量集聚並導致導體過熱，最終引燃導體外層絕緣材料，引發火災；另一方面是由於線路腐蝕氧化、電纜絕緣碳化、連接端子鏽蝕等問題造成的，即碳化路徑式串聯電弧故障。當線路中存在腐蝕碳化問題時，連接損壞處兩端的初始電壓僅有幾百毫伏，隨著導體逐漸緩慢的被氧化和腐蝕，連接處電壓逐步升高，當發展到幾伏時便產生穩定的電弧，進而引燃導體外層絕緣材料，導致火災發生。串聯電弧受到阻抗負載限制，電弧電流一般略低於正常負載電流，所以傳統的以過流或漏電為檢測對象的保護電器無法對其進行有效的檢測。
由於配電線路中發生串聯電弧故障時，線路中的電流波形會發生畸變，而設備正常工作時產生的好弧也會不同程度引起電流波形發生畸變，因此，針對串聯電弧故障的檢測方法重在如何提取並分析電流中所包含的波形特徵，如果該特徵符合串聯電弧故障特徵，即可判定線路中出現了串聯電弧故障。在我國低壓供配電安全保護領域，針對線路中串聯電弧故障檢測技術的研究和裝置的開發尚不成熟，電弧故障檢測與保護裝置的市場化生產還處於起步階段。國外對於串聯電弧故障的危害認識比較早，對串聯電弧故障檢測方法及理論的研究最早始於上世紀二十年代。國外學者利用電弧燃熾過程產生的光、聲、熱以及電磁輻射等物理過程，提出了串聯電弧故障檢測方法，如德國Moeller公司的低壓開關櫃電弧故障保護系統、ABB公司的ARC Guard System電弧故障保護系統、芬蘭Vaasa公司的VAMP系統等，由於檢測這些電弧特徵的傳感器都必須固定在電弧發生的準確位置，而供配電線路中的串聯電弧故障，其發生的位置是不確定的，這就給供配電線路中的串聯電弧故障檢測帶來了不便。
技術實現要素：
介於國內外已經公開的配電線路串聯電弧故障檢測方法及檢測裝置存在的諸多弊端與不足，本發明的主要內容是涉及一種基於電流波形時域特徵的配電線路串聯電弧故障檢測方法。本發明所涉及的配電線路串聯電弧故障檢測方法實現起來比較簡便，不需要採集太多的配電線路參數，實現過程只需要提取配電線路的電流，並對電流的時域特徵進行分析，以線路電流的時域特徵量作為判定線路中是否出現串聯電弧故障的檢測依據。
為了實現上述的發明內容，本發明採用的技術方案為：對配電線路的電流進行採集，對採集到的電流進行時域分析，計算電流的時域特徵量，以被保護線路的電流時域特徵量來判斷該線路是否出現串聯電弧故障。其特點包含以下步驟：
（1）利用閉環霍爾電流傳感器採集被保護線路中的電流，電流傳感器輸出的電流信號需要經過金屬箔精密採樣電阻轉換成電壓信號，得到的電壓信號輸入到電壓跟隨器當中，電壓跟隨器具有高輸入阻抗和低輸出阻抗，這就使得它在電路中可以起到阻抗匹配的作用，輸出電壓不受後級電路阻抗影響，能夠將後面的電壓處理電路與前級的電流採樣電路有效的隔離開來，彼此不產生影響；
所述的閉環霍爾電流傳感器選用HCS-SYA-10A型號，額定輸入電流為10A，額定輸出電流為20mA；
所述的金屬箔精密採樣電阻阻值為250歐姆，當閉環霍爾電流傳感器輸出額定電流20mA時，採樣電阻輸出電壓為5V；
所述的電壓跟隨器電路由型號為LM358的運算放大器實現；
（2）將經過電壓跟隨器輸出的穩定的電壓採樣信號分成兩路，一路送給到單片機的檢測埠RA0，另一路送給電壓過零比較電路，電壓過零比較電路的輸出信號再送給到單片機的檢測埠RA1。電壓過零比較電路用於檢測電壓採樣信號的過零時刻，當檢測到輸入電壓採樣信號出現過零時刻，該電路輸出高電平信號，高電平信號直接送入單片機晶片的RA1埠；
所述的單片機採用PIC18F4520型號，單片機RA0埠用於檢測採集到的電壓信號，並對該信號進行特徵值計算。單片機RA1埠用於接收電壓採樣信號的過零指令，該指令為電壓過零比較電路發出的高電平信號；
所述的電壓過零比較電路包括電壓跟隨器和電壓比較器兩部分，電壓跟隨器由型號為LM358的運算放大器實現，用於穩定輸入的電壓信號；電壓比較器由型號為LM393的運算放大器實現，用於檢測輸入電壓的過零點，當檢測到電壓過零時刻，電路輸出+5V高電平信號；
（3）單片機將RA0埠輸入的電壓模擬信號轉換為數位訊號，再對該信號進行放大，使其峰值達到Um。當單片機RA1埠接收到電壓過零比較電路輸出的+5V高電平觸發時，單片機內部時鐘開始計時，計時時間長度為t，在計時時間段內，計算RA0埠輸入的電壓信號平均值，當計算出的電壓信號平均值低於門限電壓U0時，單片機驅動RC0埠與RC1埠輸出低電平；
所述的RA0埠輸入電壓放大之後達到的峰值為單片機埠的最大電壓值，即Um=5V；
所述的計時時間長度為正弦波周期長度的十分之一，即t=0.002s；
所述的門限電壓幅值為電壓峰值的五分之一，即U0=1V；
所述的單片機RC0埠與RC1埠輸出的高電平為+5V；
（4）單片機RC0埠連接蜂鳴器，單片機RC1埠連接LED燈。當RC0與RC1埠輸出+5V電壓時，驅動蜂鳴器和LED燈工作，起到報警作用。
附圖說明
附圖1為檢測系統結構框圖，系統包括十個功能模塊，其中四個功能模塊由單片機內部功能來實現；附圖2為檢測系統計算程序流程圖，計算程序中包含了三個判斷環節，分別是單片機RA1埠高電平的判斷、計時時間大於100微秒的判斷、採樣電壓平均值小於門限電壓值的判斷。
實施過程
參考附圖對本發明進行進一步的詳細說明，如圖1所示，本發明的硬體部分主要是利用霍爾電流傳感器和精密取樣電阻對被保護線路的電流進行採樣，並將採集的電流信號轉為電壓信號，所選用的霍爾電流傳感器型號為HCS-SYA-10A，所以本發明適用於額定電流為10A的線路中，當線路電流為10A時，霍爾電流傳感器輸出電流為20mA。本發明中所選用的精密取樣電阻阻值為250歐姆，即當線路電流為額定電流10A時，精密取樣電阻輸出電壓信號為5V。由於線路中電流為工頻交流，所以精密取樣電阻輸出的電壓信號也是工頻交流，因此本發明的硬體部分還有絕對值運算電路，絕對值電路對精密取樣電阻輸出的電壓信號進行取絕對值計算，取絕對值後的電壓信號輸入單片機RA0埠。本發明的硬體部分還有電壓過零檢測電路，精密取樣電阻輸出的電壓信號還要輸入到電壓過零檢測電路中，當電壓過零檢測電路檢測到精密取樣電阻輸出的電壓信號過零時，該電路向單片機的RA1埠發出高電平。
本發明的運算晶片選用PIC18F4520型號的單片機，系統的程序流程圖如圖2所示。單片機的RA0埠接收經絕對值運算後的採樣電壓信號，單片機的RA1埠接收電壓過零檢測電路輸入的高電平觸發脈衝。單片機運行後先進行初始化，完成初始化後設一個變量i並賦值為0，之後單片機執行中斷，在中斷過程中單片機一直在監測埠RA1的狀態，當RA1埠輸入為高電平時，單片機啟動計時器開始計時，同時單片機的RA0埠開始對輸入的數據進行採樣。RA0埠接收到採樣電壓後，單片機首先要識別採樣電壓峰值，並設電壓峰值為Umax，之後單片機要將採集到的電壓信號的幅值乘以5/Umax，即將採樣電壓信號擴大5/Umax倍，那麼經過放大之後的採樣電壓信號的峰值統一為5V。接著單片機需要對採樣電壓信號進行A/D轉換，將RA0埠輸入的0-5V的模擬電壓信號轉換為數位訊號，並且將轉換獲得的數位訊號存入數組data[i]當中。當單片機完成一次RA0埠輸入採樣電壓的運算與存儲之後，系統需要對計時器進行判斷，如果計時時間小於100微秒，那麼系統會再次執行對RA0埠的數據採樣與運算，並將運算後的數據繼續存入數組data[i]當中，該循環一直持續到計時時間達到100微秒，當系統判斷計時時間達到100微秒，單片機系統對存入數組data[i]中的數據進行平均值計算並將結果賦予變量UAV，單片機將變量UAV的幅值與預設門限電壓U0進行比較計算，如果UAV大於U0則單片機的運行程序跳轉至第二步，對系統進行初始化，重新開始下一輪的採樣計算；如果UAV小於U0則單片機驅動埠RC0和RC1輸出高電平，此輪程序運行結束。單片機的RC0埠驅動蜂鳴器工作，RC1埠驅動LED燈工作，當這兩個埠輸出+5V高電平時，蜂鳴器和LED燈開始工作，並起到報警作用。