[发明专利]次谐波电弧故障检测系统和方法

说明书

背景技术

电气系统中的电弧是一种公知但不需要的现象，通常是由于系统 组件的较差的安装流程、或者系统中的导体或绝缘体的故障，在两个 导体之间或者与地之间产生电弧路径而造成的。电弧可能会立即或者 经过一段时间之后损坏电气系统组件，并且可能会造成潜在不利的电 路断开。如果电弧具有足够的电流和电压，则它可能会变成持续电弧， 持续电弧基本上恒定或者以固定或不固定间隔再现。持续电弧对于诸 如焊接之类的应用而言是理想的，但是在其它应用中，不需要的持续 电弧可能会融化、侵蚀或以其它方式损坏系统组件，并且可能降低系 统的总体性能。在一些电气系统中，持续电弧可能是以非常小的电流 水平产生的。

电气系统通常采用包括电弧检测器在内的电路保护设备，电弧检 测器在检测器检测到超过某个阈值或接触某个组件的电弧时例如通过 使电路断路器跳闸或发起警报将系统置于“故障”状况。常规的电路 断路器被设计为通过检测过载和短路来保护电路。在这些状况中转移 的电流量是较高的，因此这些设备对电流变化具有较低的敏感性，从 而避免错误警报，其中错误警报会没有必要地断开电路。相反，剩余 电流设备(“RCD”)被配置为在该设备检测到系统电流的过度不平 衡时断开电路的连接，其中系统电流的过度不平衡可以是由向正常情 况下不承载系统电流的导体以电弧方式转移电流引起的。包括接地故 障断流器(“GFI”)、接地漏电断路器“ELCB”、安全开关和跳闸 开关在内的RCD，被配置为具有比常规断路器低得多的敏感性，并且 能够检测到电弧诱发的、不会使断路器跳闸的不稳定的电路行为。具 有这样的低敏感性，RCD必须被进一步配置为在电弧诱发的电流变化 与电气系统中的正常电路操作引起的电流变化之间进行区分，其中正 常电路操作诸如开关的致动、电机的激活或禁用、或者通过拔去或其 它方式突然移除负载。这给RCD增加了成本和复杂度，并且假阳性 的电路中断仍然是现有的RCD的一个主要缺陷。而第三种类型的设 备—电弧故障电路断流器(“AFCI”)，可以检测电流在频率和时间 两者上的变化，其不是任何常规电气负载的特性。

然而，虽然AFCI可以比一些RCD更敏感，并且还可以检测负 载与不涉及地的中性端之间的电弧，但是实验性的测试已经表明AFCI 仍然没有敏感到足以检测一些电气系统中的持续电弧。例如，在长的 平行的电加热电缆中，系统中受到电弧影响的部分与整个加热器相比 较小，这导致来自持续电弧的较小的电气特征(signature)。特别地， 对部署已知的商用AFCI以检测在自调节的基于聚合物的加热电缆中 的持续的总线到总线电弧故障的尝试已经失败。在处于线路频率或高 于线路频率的频率上使用次谐波频率的进一步的优点在于，在针对较 低频率的长距离并且有损的传输线路上具有较弱的衰减。

现有AFCI的另一缺点可以是，AFCI依赖于在可以处于KHz或 MHz范围内、但以大于线路频率的任何速率检测频率异常。在衰减传 输线路(传输线路或者通向电气系统或者是电气系统的一部分)的情 况下，现有的AFCI可能无法检测在低于线路频率的频率处可以更好 地观测到的电弧特征。

发明内容

本发明的一些实施例提供了一种检测电气系统中的持续电弧的 方法。所述方法包括：在预定的时间段上，采用诸如分流或感测电阻 器、电感线圈或霍尔效应传感器之类的适当的传感器，收集负载信号 的电压和电流数据。在时域中以100Hz或更大的速率、并且最典型的 是1kHz的速率，对传感器进行采样。然后对这些数据进行分析以获 得频谱内容。频谱信息由频率分量和幅度分量组成。所述方法还包括： 从频谱信息中移除线路频率特征，所述线路频率特征包括电气系统的 线路电流频率以及所有大于线路电流频率的频率。所述方法还包括： 从频谱信息中提取至少一个次谐波频带，并且分析所述至少一个次谐 波频带以确定电弧特征的存在。所述次谐波带的中心频率可以是线路 频率的两倍除以三或更大的整数，并且与持续时间是整数个的线路频 率的半周期的电弧突发相对应。