電氣火災成因分析系統及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及智能家居領域，特別涉及一種應用于家庭電網的電氣火災成因分析方法。
【背景技術】
[0002]電氣火災一般是指由于電氣線路、用電設備、器具以及供配電設備出現故障性釋放的熱能；如高溫、電弧、電火花以及非故障性釋放的能量，在具備燃燒條件下引燃本體或其他可燃物而造成的火災。在日常生活中，電氣火災的發生主要來自家庭配電線路出現線路松動及絕緣層破損，以及家用電器的電源線或其內部線路因長時間過載運行、絕緣老化等情況，導致故障電弧的發生，其通常伴隨著電極的局部高溫濺射，從而點燃附近的易燃物引發火災。
[0003]現有的家庭中采用的電氣火災的預防手段通常為熔斷器或漏電斷路器，而即使
0.5A左右的電流產生的故障電弧溫度就足以達到2000至3000°C，能引燃任何可燃物，且電弧維持電壓低至20V時仍能穩定存在。產生故障電弧時，由于電流強度小，遠低于漏電斷路器、熔斷器等過流保護裝置的預設值，得不到有效保護，致使故障電弧引發的火災隱蔽性強。
[0004]現今智能家居越來越普遍，各戶家庭的智能化程度越來越高，各類電器產品家家必備，如何有效分析電氣火災成因，提高用電安全成為亟待解決的問題。
【發明內容】
[0005]本發明的目的一在于提供一種電氣火災成因分析方法，用于分析電氣火災成因，提尚用電安全。
[0006]本發明的目的二在于提供一種電氣火災成因分析系統，用于分析電氣火災成因，提尚用電安全。
[0007]本發明的上述目的一是通過以下技術方案得以實現的:
一種火災成因分析方法，
通過主干路信號采集模塊實時采集主干路電流波形，提取至少包含主干路電流的相位和頻率的主干路電參量；
通過在每個用于連接負載的支路均獨立配置支路信號采集模塊實時采集負載電流波形，提取至少包含各支路的負載電流的有效值的支路電參量；
根據所述主干路電參量以及每一支路電參量中的負載電流的有效值生成分別對應于每一支路的負載的理想電流波形；
將負載電流波形的正/負半周波與對應于該負載的理想電流波形的相同正/負半周波對比得到匹配度P;
生成一與匹配度P呈負相關的第一分值X;
通過小波濾波器對主干路電流小波濾波后進行小波分析； 計算預設相位區間內突變信號的數量N，生成與數量N正相關的第二分值Y;
以第二分值Y與對應該第二分值Y的預設相位區間的中心點所在的正/負半周波對應的第一分值X求加權和得到第三分值Z，Z=qiX+q2Y，qAX的權重值，qAY的權重值；
若Z大于預設值，則判斷存在故障電弧；
若Z小于預設值，則判斷不存在故障電弧。
[0008]通過采用上述技術方案，由于故障電弧產生時，其電流波形每半個周期都存在電流接近為零的區域，稱為平肩部，即電弧在電流過零前后存在一個熄滅和重燃的過程，基于此特性，若負載電流中產生故障電弧，則實際檢測到的負載電流波形和理想電流波形勢必不一致，可以得出負載電流波形與理想電流匹配度低，則存在故障電弧的可能性越高的結論，同時，在故障電弧產生時，同時伴隨著高頻諧波，因此通過小波分析，對電流波形分解和高頻部分重構后，能反應出故障電弧電流的局部特征，其中突變信號能較好的反應這一點，結合實際檢測的負載電流波形和理想電流波形對比，生成反應匹配度的第一分值X，根據計算突變信號數量生成第二分值Y，求加權和得到最終值Z用于比較判斷是否存在故障電弧，能準確反映出是否因為故障電弧導致電氣火災，容錯率較高，判斷速度也較快。
[0009]進一步，匹配度P的計算方式為:取理想電流波形預設相位α的電流值為理想值I1,α不為電流過零點，取負載電流波形的相同預設相位α的電流值為實際值12，匹配度P=I2Au
[0010]進一步，預設相位α為過零點前/后15°。
[0011 ]進一步，匹配度P的計算方式為:計算理想電流波形正/負半周波與電流為O直線所圍成的面積S1，計算負載電流波形相同正/負半周波與電流為O直線所圍成的面積&，匹配度P= S2/ S1
[0012]進一步，面積S1、S2采用定積分法求得。
[0013]進一步，X=l/P。
[0014]進一步，預設相位區間為3個周期，第二分值Υ=Ν/4。
[0015]進一步，q1:q2=7:3。
[0016]進一步，在每一用于連接負載的支路均串接延時無觸點開關模塊，用于減少插接時產生的好弧干擾。
[0017]本發明的上述目的二是通過以下技術方案得以實現的:
一種火災成因分析系統，包括
主干路信號采集模塊，耦接于電網的主干路，用于實時采集主干路電流波形，提取至少包含主干路電流的相位和頻率的主干路電參量；
每個用于連接負載的支路均獨立配置的支路信號采集模塊，用于實時采集負載電流波形，提取至少包含各支路的負載電流的有效值的支路電參量；
處理器，耦接主干路信號采集模塊和所有支路信號采集模塊，接收并根據所述主干路電參量以及每一支路電參量中的負載電流的有效值生成分別對應于每一支路的負載的理想電流波形，將負載電流波形的正/負半周波與對應于該負載的理想電流波形的相同正/負半周波對比得到匹配度P，生成一與匹配度P呈負相關的第一分值X;
小波濾波器，用于對主干路電流小波濾波后將其輸送至處理器；
所述處理器對小波濾波后的主干路電流進行小波分析，計算預設相位區間內突變信號的數量N，生成與數量N正相關的第二分值Y，以第二分值Y與對應該第二分值Y的預設相位區間的中心點所在的正/負半周波對應的第一分值X作加權運算得到第三分值Z，Z=qiX+q2Y，qiSX的權重值，q2為Y的權重值，若Z大于預設值，則判斷存在故障電弧，若Z小于預設值，則判斷不存在故障電弧。
[0018]綜上所述，本發明具有以下有益效果:電弧在電流過零前后存在一個熄滅和重燃的過程，平肩的存在使得電流每半個周期都有突變，同時故障電弧波形的頂峰存在高頻諧波，為更加合理地判斷是否有故障電弧產生，針對每個支路的負載實時采集負載電流波形和計算生成的理想電流波形對比匹配度，若存在故障電弧，則該匹配度將很低，若不存在故障電弧，則匹配度很高，以匹配度負相關地得到第一分值X，另一方面結合平肩的高峰存在高頻諧波的特性，以實際分析出的突變信號數量生成第二分值Y，兩者求加權和后判定故障電弧是否產生，能綜合故障電弧產生時的特性合理判定故障電弧的產生，為預警、報警、保護提供了支持，提高用電安全。
【附圖說明】
[0019]圖1為實施例一的電路原理圖；
圖2為實施例一的支路信號采集模塊及延時無觸點開關模塊的電路原理圖；
圖3為延時無觸點開關模塊的開關結合至插座時的結構示意圖。
[0020]圖4為實施例一的理想電流、負載電流、負載電流小波分解重構后的第二尺度波形圖；
圖5為實施例二的理想電流、負載電流、負載電流小波分解重構后的第二尺度波形圖；圖中，1、主干路信號采集模塊;2、支路信號采集模塊;3、延時無觸點開關模塊;31、延時電路;4、插座。
【具體實施方式】
[0021]以下結合附圖對本發明作詳細說明。
[0022]實施例一
如圖1，一種火災成因分析系統的電路原理圖，圖中示意了以市電為例的電網的電氣火災成因分析，主干路信號采集模塊I包括電壓傳感器、電流傳感器和剩余電流傳感器，用于檢測電網的主干路電流/電壓，電壓傳感器、電流傳感器和剩余電流傳感器采集的信號均通過信號調理模塊后傳輸至Α/D轉換模塊再輸至處理器中，其中電流傳感器的信號調理模塊與Α/D轉換模塊之間還連接有小波濾波器，用于濾去白噪聲和脈沖噪聲，消除電流波形中存在的毛刺和小的突起，使波形變得更平滑，但保持故障電弧的信號特征，處理器提取主干路電壓/電流的相位、頻率、相位、平均值以及剩余電流等構成主干路電參量，其中主干路電流的相位和頻率用于后續計算生成對應每一之路負載的理想電流波形。
[0023]每一用于連接負載的支路均獨立配置支路信號采集模塊2，支路信號采集模塊2實時采集連接在該支路的負載的負載電流波形，并通過R485總線以及Α/D轉換模塊后傳輸至處理器。
[0024]參照圖2，圖2中具體地示意了支路信號采集模塊2的電路原理，其中同樣包括電壓傳感器、電流傳感器以及剩余電流傳感器，用于檢測負載的電流/電壓，電壓傳感器、電流傳感器和剩余電流傳感器采集的信號均通過信號調理模塊后連接至RS485總線，處理器接收到后提取至少包含各支路的負載電流的有效值的支路電參量；由于負載電流波形的相位和頻率與主干路電流波形的相位和頻率一致，在得知負載電流的有效值的基礎上，可以計算模擬出對應該支路的負載的理想電流波形。由此每一支路均有理想電流波形和負載電流波形兩個成對的對比對象。
[0025]每一支路上還串聯有延時無觸點開關模塊3，它包括交流固態繼電器AC-SSR和延時電路31，交流固態繼電器AC-SSR的交流端串接在火線L中，交流固態繼電器AC-SSR的一控制端接電源VCCl，另一控制端接場效應管Q的漏極d，場效應管Q的源極s接地，其控制極g連接至電容C和電源VCC2的節點，電容C的另一端接地，電容C的兩端還并聯有觸點開關S。
[0026]在負載啟動或電氣的插頭插入插座4時，負載電流也含有與故障電弧波形相同的特征，例如，插頭在接近插座4時產生的好弧對故障電弧的判斷造成干擾，同時參照圖2和圖3，以插座4示例，插座4