一种用于低压配电网的串联电弧检测方法转让专利
申请号 : CN202110457409.6
文献号 : CN113176479B
文献日 : 2022-03-18
发明人 : 徐丙垠 , 王玮 , 王敬华 , 方善忠 , 张理成
申请人 : 山东科汇电力自动化股份有限公司 , 青岛科汇电气有限公司
摘要 :
权利要求 :
1.一种用于低压配电网的串联电弧检测方法,其特征在于:包括如下步骤:步骤a,在低压配电线路主干线和各个分支线路的进线端和出线端分别设置监测节点;
步骤b,对待测线路的首端和末端监测节点进行同步对时后,同步采集待检测线路首端电压Us和末端电压Uo;
步骤c,对步骤b中采集的信号Uo进行滤波处理,滤除其中的高频噪声;
步骤d,得到待检测线路首端电压Us和末端电压Uo差值Us‑Uo的波形;
步骤e,判断待测线路中是否发生串联电弧故障,如果发生串联电弧故障,执行步骤f,如果未发生串联电弧故障,返回步骤b;
步骤f,故障线路首端的监测节点对收到的故障次数进行计数;
步骤g,监测节点判断故障次数是否超过预设的阈值,如果超过预设的阈值,执行步骤h,如果未超过预设的阈值,返回步骤f;
步骤h,切断该线路或发出报警信号;
在所述的步骤a与步骤b之间,还包括如下步骤:步骤a‑1,实时查询待测线路末端电压,通过待监测线路末端的监测节点对末端电压Uo以每个周波为单位进行持续查询监测;监测节点为具有电压采集功能的开关或线路监测终端设备;
步骤a‑2,判断末端电压是否满足触发条件;如果满足触发条件,执行所述的步骤b,如果为满足触发条件,返回所述的步骤a;
所述的触发条件为:计算末端电压Uo的有效值Uo’,若α<Uo’<β,则认为线路中发生了串联电弧故障,启动触发检测;若Uo’>β且△Uo<γ,则认为线路中未发生串联电弧故障,α、β、γ均为设定阈值,α设定为60V,β设定为180V,γ设定为20V;△Uo为Uo相邻两个周期的变化大小。
2.根据权利要求1所述的用于低压配电网的串联电弧检测方法,其特征在于:在执行所述的步骤e时,采用以下方法中的至少一种判断待测线路中是否发生串联电弧故障:Us‑Uo波形幅值比较法、Us‑Uo波形频率成分分析法以及相邻Us‑Uo波形数据相似度比较法。
3.根据权利要求2所述的用于低压配电网的串联电弧检测方法,其特征在于:所述的Us‑Uo波形幅值比较法为:以半个周波为单位,对Us‑Uo波形数据分别与设定阈值进行比较,若[Us‑Uo]i且i>N则判定存在串联故障电弧;否则判定不存在故障电弧,[Us‑Uo]i为Us‑Uo的第i个数据点;δ为幅值比较的设定阈值,N为判断点数的设置阈值;
所述的Us‑Uo波形频率成分分析法为:对每个周波的Us‑Uo波形数据进行FFT变换,得到其工频成分的大小,若U工频>a,则判定存在串联故障电弧;否则判定不存在故障电弧,U工频为FFT变换后,频域中工频成分的大小;a为工频成分比较的设定阈值;
所述的Us‑Uo波形数据相似度比较法为:根据Pearson相似系数的计算公式求得相邻Us‑Uo波形的相似系数,若相似度大于ε,表示待测线路中不存在故障电弧,ε取值为0.8。
4.根据权利要求3所述的用于低压配电网的串联电弧检测方法,其特征在于:所述的Pearson相似系数的计算公式为:其中,Cov(X,Y)表示X与Y的协方差,Var[X]为X的方差,Var[Y]为Y的方差,X、Y分别表示相邻两个Us‑Uo波形数据。
说明书 :
一种用于低压配电网的串联电弧检测方法
技术领域
背景技术
生一段时间之后即可能引发火灾。串联电弧发生时,其电流波形一般出现:电流波形出现零
休区、电流上升率变高、电流谐波含量增大、电流有效值变小、正负半周波不再对称的故障
特征,负载不同、负载功率不同,这些故障特征的表现程度也会不同。现有的针对串联故障
电弧的检测方法主要通过检测上述一个或多个电流特征量进行故障特征识别或通过将存
储的故障特征进行匹配识别的方式实现。
样,这类设备正常工作的负载电流具有与线性负载发生串联故障电弧时相同或相似的电流
波形特征,因此很难找出一种适应各种负载的故障特征检测标准,致使目前的串联故障电
弧检测成功率较低。(3)串联故障电弧发生时,其电流故障特征会受到负载功率的影响。(4)
部分负载启动时也具有串联故障电弧具有的电流特征,因此易导致误判。(5)部分负载如电
弧焊机、有刷电机工作时产生的电弧及插拔插座时产生的电弧存在与串联故障电弧相似的
故障特征,增加了串联故障电弧的检测难度。(6)对于电弧时间很短或电弧电流很小的弱串
联电弧故障,其电流波形中的故障特征量往往没有明显表现,致使弱串联故障电弧难以进
行检测,为电弧引发火灾埋下隐患。
物理特征量的检测方法受传感器安装位置的影响,此类方法仅在中压系统(10kV)有少量应
用,如中压开关柜中,在低压系统中这种方法无法应用,因此实用性程度很低。第二种是利
用线路电压电流这类电气特征量的方法。目前市场上的AFCI(故障电弧断路器)或AFD(故障
电弧探测器)主要使用基于检测线路电压电流的方法。
检测高次谐波特征的方法以及电流上升率的方法,对很多非线性负载不适用,适用面较窄;
而基于无电弧时相邻周期电流相似度高,有电弧时电弧每个周期特性不相同的检测方法。
由于线路的正常电流受到负载功率、负载投切影响而变化频繁,因此该方法的准确性较差。
压每个周波的电压波形进行形态滤波、小波分解,通过分析其小波系数达到识别线路上游
串联电弧的目的,该方法的思想是利用了电弧发生时存在畸变成分的原理进行检测。
原理,该方法对线性和非线性负载工作电流较小时是适用的,但当负载为非线性负载且其
工作电流很大时,受线路阻抗影响,线路阻抗也将产生一个畸变的线路压降,因此在线路末
端感受的负载电压此时也是畸变的,此时会导致误判。
利用了无电弧时相邻周期的负载端电压波形基本不变,有电弧时,电弧电压的随机性特征
导致的其相邻周波的末端电压变化差异较大的特点进行检测。通过将末端电压波形相邻周
期做差,再对每个周期的电压差波形做平均值,通过比较平均值与设定阈值的大小关系实
现判定。
随机的,因此该方法易发生误判,且该方法在线路正常时由负载类型和负载功率变化导致
的负载端电压变化也易产生误判。
发明内容
有受负载类型、负载功率影响小的优势,当串联故障电弧发生时,其故障特征更加明显,因
而其判断准确率更高的用于低压配电网的串联电弧检测方法。
据相似度比较法。
电弧,[Us‑Uo]i为Us‑Uo的第i个数据点;δ为幅值比较的设定阈值,N为判断点数的设置阈值;
U工频为FFT变换后,频域中工频成分的大小;a为工频成分比较的设定阈值;
电弧故障,α、β、γ均为设定阈值,α设定为60V,β设定为180V,γ设定为20V;△Uo为Uo相邻两
个周期的变化大小。
负载功率影响小的优势,当串联故障电弧发生时,其故障特征更加明显,因而其判断准确率
更高。
电压变化特征不会被湮没,因此该方法在识别弱串联故障电弧上具有特有优势。
可以用于表后的线路,应用范围更广。
附图说明
具体实施方式
路的进线端和出线端处分别设置有监测节点P1和监测节点Q,第二条支路的进线端和出线
端处分别设置有监测节点P2和监测节点X。
户表箱2的上游分别安装有监测节点R、监测节点S和监测节点T,在每一个用户表箱2的出线
端连接负荷3,在每一个用户表箱2的出线端分别安装有监测节点U、监测节点V和监测节点
W。在配电变压器T1引出的第二条支路的出线端进一步引出有两条支路,在每一条支路的进
线端分别设置有监测节点X1~X2,在每一条支路的末端连接用户表箱2,在每一个用户表箱
2的上游分别安装有监测节点Y和监测节点Z,在每一个用户表箱2的出线端连接负荷3,在每
一个用户表箱2的出线端分别安装有监测节点M和监测节点N。
对应波形为电弧的熄弧阶段电压,Uarc对应电弧的燃弧阶段电压。在电弧的起弧和熄弧阶
段,电弧未燃烧,电弧电极呈高阻态,其电阻远大于负载电阻,此时电弧电极承受全部电源
电压,此时的电弧电压近似为电源电压;当电弧开始燃烧时,由于低压线路的电弧电压主要
为近阴极压降和近阳极压降,该压降近似为常数与电流无关,因此电弧的燃弧期间的电压
近似为常数。
阻和电感)。负载可以包括:阻性负载、感性负载、阻性加感性负载、非线性负载以及多种负
载的并联组合。有次可得到如下表达式:Us‑Uo=UZ1+UZ2+Uh。
降之外,还包含电弧电压Uh。
10%=22V。发生串联故障电弧时,在起弧和熄弧阶段,电弧电压近似等于电源电压Us,起弧
和熄弧阶段对应于电源电压过零两侧;而燃弧期间,电弧电压近似为常数,且数值仅为十几
V,燃弧阶段对应电源电压Us的峰值两侧,此时的Us‑Uo在波形上将出现明显的差异,Us‑Uo的
瞬时值最大可达到300V。
弧时,Us‑Uo的波形类似为一个脉冲信号,其波形的瞬时幅值最大接近300V,且其各个相邻周
波的波形相似度很低。
Us和Uo进行同步采样。监测节点P1和Q每个周波都对其监测电压采样,节点Q通过载波或无
线方式把每个周波的电压Uo数据发送至节点P1,(或监测节点P1和Q均通过载波或无线方式
把每个周波的Us和Uo数据发送至网关1);节点P1(或网关1)设备对Uo数据滤波处理后,进行
Us‑Uo运算,将Us‑Uo运的运算数据使用上述3种检测方法中的某一种进行检测;若线路P1Q
之间发生了串联故障电弧,则将每个周波的串联电弧发生次数(电弧次数以半周波为单位
计数)发送至节点P1(或网关1);节点P1(或网关)对其电弧故障的次数记录后,经与设定次
数阈值比较后切断线路或报警。
与Q1Q2Q3线路的分支点处由于线路连接处松动而引入的串联故障电弧,这种情况在实际中
是比较常见的。
定阈值,如α设定为60V,β设定为180V,γ设定为20V;△Uo为Uo相邻两个周期的变化大小。
够对其监测电压Us和Uo进行同步采样。正常情况下,首端监测节点对其监测电压Us不采样,
只有末端监测节点R对每个周波的监测电压Uo采样并计算Uo的有效值Uo’,同时比较相邻两
个周波Uo有效值的变化量△Uo,当Uo’>180V且△Uo<20V时,认为线路无电弧故障,当60V
监测节点P1和R均通过载波或无线方式把每个周波的Us和Uo数据发送至网关1);节点P1(或
网关1)设备对Uo数据滤波处理后,进行Us‑Uo运算,将Us‑Uo的运算数据使用实施例1中所述的
三种检测方法中的至少一种进行检测;若在线路P1R之间发生了串联电弧故障,则将每个周
波的串联电弧发生次数(电弧次数以半周波为单位计数)发送至节点P1(或网关)设备;节点
P1(或网关)对其电弧故障的次数记录后,经与设定次数阈值比较后切断线路或报警。
效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所
作的任何简单修改、等同变化与改型,仍属于本发明技术方案的保护范围。