CN101154800B - 故障电弧保护装置 - Google Patents
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Abstract
本发明通过采集每个周期的电流波形，通过至少两个波形特征来识别确认故障电弧周期，通过判断是否存在多个连续故障电弧周期来确认故障电弧；如果，其波形在满足幅值小于正常电流的幅值或者在过零点处有平肩部现象的条件下，还满足正负半周波形不对称或者di/dt在某一时刻过大，则判定该周期为故障电弧周期，如果连续多个周期为故障电弧周期则判定存在故障电弧。本技术方案相对现有技术的优点在于，能在正常供电时检测故障电弧，在极短的时间内自动切断电源，同时可将故障电弧电流与启动时的冲击电流分辨出，减少误动率。
Description
技术领域
本发明属于电路保护设备领域，特别是涉及一种用于配电终端***中检测故障电弧的保护装置。
背景技术
住宅内电气线路和设备，如：电气布线、插座、家用电器内部的电线或电器的电源线等，由于长时间的过负荷运行，或者存在不良的电气连接等情况，使电线的绝缘层出现老化，绝缘效果降低，或者绝缘层发生破损，都可能发生故障电弧。电弧火花引燃线路会造成火灾的发生。现在常用的电路保护装置熔断器和接地故障断路器还不能有效的检测故障电弧并形成断路保护。AFCI(ArcFault Circuit Interrupter)技术是一项最新的电路保护技术，能够提供故障电弧保护，其主要作用是为了在发生故障电弧时及时分断电路，避免负荷损坏，并降低火灾的可能性。
目前，国内外专家提出了一些可行的AFCI检测方法和保护电路，但是针对50Hz交流电路的设备较少，同时设备的误动率较高，主要体现在无法有效地将故障电弧电流与启动时的冲击电流分开。
典型家用负荷启动电流波形如图5所示，启动电流的波形陡峭，而正常电流波形稳定；典型家用负荷故障电弧电流波形如图6所示，故障电弧电流波形存在幅值降低、正负半周不对称、平肩部和波形陡峭等特征。现在大多数AFCI检测方法和保护电路都是通过判断电流波形的导数(di/dt，即波形陡峭程度)是否超过阀值并且累积电弧周期是否超过阀值来识别故障电弧电流，但是，启动电流和故障电弧电流均存在波形陡峭的特征，所以，该种AFCI检测方法和保护电路较难分辨启动电流和故障电弧电流，容易产生识别错误和误动作。
发明内容
为了解决上述的技术问题，本发明的目的是提供一种故障电弧保护装置，可以有效的识别故障电弧，通过复合判别逻辑可以减少设备的误动率。
为了达到上述的目的，本发明采用了以下的技术方案：
故障电弧保护装置，包括电源电路、电流互感器、电压跟随电路、信号调理放大电路、A/D采样电路、微处理器、脱扣驱动电路和脱扣组件，所述电流互感器两端并联有信号负载电阻，电流互感器输出端依次连接有电压跟随电路、信号调理放大电路、A/D采样电路、微处理器和脱扣驱动电路及其控制脱扣组件，其中，电流互感器产生的电压信号通过电压跟随电路传递至调理放大电路转换为适合于A/D采样的直流信号，A/D采样电路对该直流信号进行采样，微处理器对A/D采样的信号进行电弧特性判别并产生脱扣信号给脱扣驱动电路及其控制脱扣组件；所述微处理器采用如下步骤对故障电弧进行检测：
(一)通过电流互感器采集交流电同一周期内相同时间间隔的若干个相位上的电流信号值组成该周期的电流波形数据集合；
(二)间隔若干个周期或者间隔固定时间，选取一个周期的电流波形数据集合作为正常时刻的参考数据集合，更新参考参数：计算出正常时刻电流的峰值Imaxref和Iminref，电流中值Imidref以及该集合中相邻数据差的最大值ΔImaxref；
(三)根据采集的当前周期的电流波形数据：计算出集合中电流的峰值Imax和Imin；计算出集合中相邻数据差的最大值ΔImax；计算出集合中满足|I-Imidref|＜η1的数据的个数N，其中，η1为给定阀值；
(四)若当前周期满足以下条件之一则指示为故障电弧周期：
Ⅰ、Imaxref-Imax＞η2或者Imin-Iminref＞η2，并且N＞η3；
Ⅱ、Imaxref-Imax＞η2或者Imin-Iminref＞η2，并且ΔImax-ΔImaxref＞η4；
Ⅲ、|(Imax+Imin)-2Imidref|＞η5，并且N＞η3；
Ⅳ、|(Imax+Imin)-2Imidref|＞η5，并且ΔImax-ΔImaxref＞η4；
其中，η2、η3、η4、η5为给定阀值；
(五)若连续M个周期指示为故障电弧周期，并且M＞η6，则指示为故障电弧，微处理器输出脱扣信号给脱扣驱动电路，脱扣驱动电路控制脱扣组件切断供电；其中，η6为给定阀值。
采集每个周期的电流波形，通过至少两个波形特征来识别确认故障电弧周期，通过判断是否存在多个连续故障电弧周期来确认故障电弧；如果，其波形在满足幅值小于正常电流的幅值或者在过零点处有平肩部现象的条件下，还满足正负半周波形不对称或者di/dt在某一时刻过大，则判定该周期为故障电弧周期，如果连续多个周期为故障电弧周期则判定存在故障电弧。
上述电压跟随电路由第一电阻、第二电阻和第一运放组成，第一运放的同相输入端接第一电阻，第一电阻接信号负载电阻，第一运放的反相输入端和输出端之间接第二电阻。
上述信号调理放大电路由变阻器、第三电阻和第二运放组成，第二运放的同相输入端接电压跟随电路的输出端，第二运放的反相输入端接第三电阻，第二运放的反相输入端和输出端之间接变阻器，第二运放输出端连接由第四电阻和第五电阻组成的上拉电路，上拉电路的接出端连接A/D采样电路。
上述微处理器可以为自带A/D采样电路的微处理器。
上述脱扣驱动电路由相串联的第六电阻和光耦组成。
上述脱扣组件为连接光耦的脱扣器。
本发明由于采用了以上的技术方案，通过电流互感器对电流信号进行采集，经过信号调理放大电路，送入A/D转换芯片，微处理器对电流波形进行分析，通过分析电流是否具有幅值较小、正负半周波形不对称、平肩部现象和di/dt过大等特性，来判断是否发生故障电弧；脱扣组件会在检测到故障电弧的情况下动作，切断电源，达到对负载的保护，避免火灾的发生。本发明相对现有技术的优点在于，能在正常供电时检测故障电弧，在极短的时间内自动切断电源，同时可将故障电弧电流与启动时的冲击电流分辨出，减少误动率。
附图说明
图1是本发明装置的电路原理图。
图2是本发明装置的原理框图。
图3是本发明装置中微处理器的流程图。
图4是图3中电弧判别子程序的流程图。
图5是典型家用负荷启动电流波形图。
图6是典型家用负荷故障电弧电流波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做一个详细的说明。
故障电弧检测方法，包括如下步骤：
(一)采集交流电同一周期内相同时间间隔的若干个相位上的电流信号值组成该周期的电流波形数据集合；
(二)间隔若干个周期或者间隔固定时间，选取一个周期的电流波形数据集合作为正常时刻的参考数据集合，更新参考参数：计算出正常时刻电流的峰值Imaxref和Iminref，电流中值Imidref以及该集合中相邻数据差的最大值ΔImaxref；
(三)采集当前周期的电流波形数据：计算出集合中电流的峰值Imax和Imin；计算出集合中相邻数据差的最大值ΔImax；计算出集合中满足|I-Imidref|＜η1的数据的个数N，其中，η1为给定阀值；
(四)若当前周期满足以下条件之一则指示为故障电弧周期：
Ⅰ、Imaxref-Imax＞η2或者Imin-Iminref＞η2，并且N＞η3；
Ⅱ、Imaxref-Imax＞η2或者Imin-Iminref＞η2，并且ΔImax-ΔImaxref＞η4；
Ⅲ、|(Imax+Imin)-2Imidref|＞η5，并且N＞η3；
Ⅳ、|(Imax+Imin)-2Imidref|＞η5，并且ΔImax-ΔImaxref＞η4；
其中，η2、η3、η4、η5为给定阀值。
(五)若连续M个周期指示为故障电弧周期，并且M＞η6，则指示为故障电弧，其中，η6为给定阀值。
本发明电弧检测方法的基本原理是以故障电弧电流存在的四个主要特征
(如图5、图6所示)为判据，进行复合逻辑判断，用程序语言表述为：
判据1：幅值小于正常电流的幅值，Imaxref-Imax＞η2或者Imin-Iminref＞η2；
判据2：波形正负半周不对称，|(Imax+Imin)-2Imidref|＞η5；
判据3：波形在过零点处有平肩部现象，满足|I-Imidref|＜η1的数据个数N＞η3；
判据4：波形陡峭di/dt在某时刻过大，ΔImax-ΔImaxref＞η4。
注：η1-η5为对应判据中的给定阈值，具体值可以通过试验进行进一步优化。
电流波形如果在满足判据1或者判据3的情况下(一般故障电弧电流波形两者择一出现)，检测到满足判据2或者判据4(一般故障电弧电流波形两者择一出现)，就认为该周期的电流为故障电弧电流，如果短时间内，故障电弧的周期累计到一定次数，就认为发生了故障电弧，需要发出脱扣指令。
下面对本实施例做详细说明：
如图1、图2所示，采用上述的电弧检测方法对故障电弧进行检测的故障电弧保护装置，包括电源电路7，电流互感器TR1，电流互感器TR1两端并联有信号负载电阻R11，电流互感器TR1一端依次连接有电压跟随电路4、信号调理放大电路6、A/D采样电路5、微处理器2和脱扣驱动电路1及其控制脱扣组件3，其中，电流互感器TR1产生的电压信号通过电压跟随电路4传递至调理放大电路6转换为适合于A/D采样的直流信号，A/D采样电路5对该直流信号进行采样，微处理器2对A/D采样的信号进行电弧特性判别并产生脱扣信号给脱扣驱动电路1及其控制脱扣组件3。
如图1所示，上述电流互感器TR1串接在交流电源的火线或者零线上，电流互感器TR1两端跨接信号负载电阻R11，将电流信号转为电压信号；上述电压跟随电路4由电阻R2、电阻R3和运放U5A组成，运放U5A的同相输入端接电阻R2，电阻R2接信号负载电阻R11，运放U5A的反相输入端和输出端之间接电阻R3，将电压信号隔离传递至信号调理放大电路6；上述信号调理放大电路6由变阻器VR2、电阻R12和运放U5B组成，运放U5B的同相输入端接电压跟随电路4的输出端，运放U5B的反相输入端接电阻R12，运放U5B的反相输入端和输出端之间接变阻器VR2，由此构成同相放大器，R12为输入电阻，VR2为反馈电阻，其放大倍数A＝1+VR2/R12；运放U5B输出端连接由电阻R4和电阻R10组成的上拉电路，上拉电路的接出端连接A/D采样电路5，将调理放大电路6的输出转换为0～5V之间的直流信号；A/D采样电路5可以与微处理器2独立分开，也可以选用自带A/D采样电路的微处理器。
图1中，运放U5A和U5B采用运放芯片的第一和第二通道，微处理器U1和A/D芯片U2间通过数据总线P0.0-P0.7进行数据传输，每隔一固定的时间T，微处理器U1进入定时中断，从A/D芯片U2获取当前的信号幅值，U1的地址线通过控制芯片X2A和X2B(X2A和X2B是型号为SN74HC02N的控制芯片的两个通道)产生控制信号，对A/D芯片U2进行同步、读写控制。
脱扣驱动电路1由相串联的电阻R1和光耦O1组成；脱扣组件3为连接光耦O1的脱扣器K1。微处理器U1的I/O口P1.7通过电阻R1接光耦O1的输入端，工作后微处理器U1若检测到故障电弧，则将此I/O口置高电平，光耦O1工作，光耦O1的输出三极管短接，脱扣器K1的线圈通电，吸合触头，将接到负荷上的开关断开。
电源电路7包括：电容C4和C5跨接在交流电源两端，二极管D2、D3、D4、D5组成整流电路，将电容C5上的交流电源整流成直流，通过稳压芯片U4输出直流电源；电容C2、C3并联在稳压芯片U4的输入端和接地端之间，起到滤波的作用；二极管D6、D7跨接在进线端，防止过电压。电源电路7为各电路模块提供稳定的直流电。
如图3所示，微处理器的工作流程如下：
1、上电复位；
2、程序初始化，所有标志位置为0，所有I/O口清零；
3、设定定时时间参数，开启定时中断；
4、启动A/D转换；
5、以时间T1为间隔，采集一个周期20个数据；(此间每个周期采集20个数据，即T1＝1ms)
6、以时间T2为间隔，更新参考参数：正常时刻的电流峰值Imaxref、Iminref，电流中值Imidref，以及电流最大变化率ΔImaxref；(此间T2＝1min)
7、调用电弧判别子程序，电弧判别的逻辑方法如图5所示；
8、如果返回脱扣信号，则微处理器发出脱扣命令，切断电源，如果没有脱扣信号，返回数据采集程序，继续对上一周期的数据进行处理。
如图4所示，电弧检测子程序的流程如下：
1、采集一周期的电流波形数据，作为一个数据集合进行下阶段分析；
2、选择出集合中电流的峰值Imax和Imin；
3、计算相邻数据差ΔI的最大值ΔImax；
4、计算集合中接近数据中心(满足|I-Imidref|＜η1)的数据个数N；
5、判断电流幅值是否过小，如果Imaxref-Imax＞η2或者Imin-Iminref＞η2，跳转到正负半周不对称判别(步骤7)，否则跳转到平肩部判别(步骤6)；
6、判断是否有平肩部现象，如果N＞η3，跳转正负半周不对称判别(步骤7)，否则判断电弧次数是否已经清零(步骤10)；
7、判断是否有正负半周不对称，如果|(Imax+Imin)-2Imidref|＞η5，电弧次数+1，跳转到电弧次数判别(步骤9)，否则跳转di/dt判别(步骤8)；
8、判断di/dt是否过大，如果ΔImax-ΔImaxref＞η4，电弧次数+1，跳转到电弧次数判别(步骤9)，否则判断电弧次数是否已经清零(步骤10)；
9、判断电弧次数是否已经累积到预设值η6，如果已经达到，发送脱扣信号，否则返回主程序；
10、判断电弧次数是否已经清零，如果电弧次数已经清零，返回主程序，否则电弧次数-1并返回主程序。
本发明不局限于以上具体实施方式，只要采用了本发明的电弧检测方法，无论采用何种电源电路或者信号采样处理电路或者微处理芯片或者脱扣驱动电路或者脱扣组件或者其他等同替换，都落入本发明的保护范围之内。本发明的故障电弧保护电路既可以作为一个独立的***，其电弧检测方法和保护电路也可以与其它现有的电路断路器如接地故障断路器或者漏电流保护器或者过电流保护器相结合，组成多功能的电路保护装置。
Claims (6)
1.故障电弧保护装置，包括电源电路(7)、电流互感器(TR1)、电压跟随电路(4)、信号调理放大电路(6)、A/D采样电路(5)、微处理器(2)、脱扣驱动电路(1)和脱扣组件(3)，其特征在于，所述电流互感器(TR1)两端并联有信号负载电阻(R11)，电流互感器(TR1)输出端依次连接有电压跟随电路(4)、信号调理放大电路(6)、A/D采样电路(5)、微处理器(2)和脱扣驱动电路(1)及其控制脱扣组件(3)，其中，电流互感器(TR1)产生的电压信号通过电压跟随电路(4)传递至调理放大电路(6)转换为适合于A/D采样的直流信号，A/D采样电路(5)对该直流信号进行采样，微处理器(2)对A/D采样的信号进行电弧特性判别并产生脱扣信号给脱扣驱动电路(1)及其控制脱扣组件(3)；所述微处理器(2)采用如下步骤对故障电弧进行检测：
(一)通过电流互感器(TR1)采集交流电同一周期内相同时间间隔的若干个相位上的电流信号值组成该周期的电流波形数据集合；
(二)间隔若干个周期或者间隔固定时间，选取一个周期的电流波形数据集合作为正常时刻的参考数据集合，更新参考参数：计算出正常时刻电流的峰值Imaxref和Iminref，电流中值Imidref以及该集合中相邻数据差的最大值ΔImaxref；
(三)根据采集的当前周期的电流波形数据：计算出集合中电流的峰值Imax和Imin；计算出集合中相邻数据差的最大值ΔImax；计算出集合中满足|I-Imidref|＜η1的数据的个数N，其中，η1为给定阀值；
(四)若当前周期满足以下条件之一则指示为故障电弧周期：
Ⅰ、Imaxref-Imax＞η2或者Imin-Iminref＞η2，并且N＞η3；
Ⅱ、Imaxref-Imax＞η2或者Imin-Iminref＞η2，并且ΔImax-ΔImaxref＞η4；
Ⅲ、|(Imax+Imin)-2Imidref |＞η5，并且N＞η3；
Ⅳ、|(Imax+Imin)-2Imidref|＞η5，并且ΔImax-ΔImaxref＞η4；
其中，η2、η3、η4、η5为给定阀值；
(五)若连续M个周期指示为故障电弧周期，并且M＞η6，则指示为故障电弧，微处理器(2)输出脱扣信号给脱扣驱动电路(1)，脱扣驱动电路(1)控制脱扣组件(3)切断供电；其中，η6为给定阀值。
2.根据权利要求1所述的故障电弧保护装置，其特征在于，所述电压跟随电路(4)由第一电阻(R2)、第二电阻(R3)和第一运放(U5A)组成，第一运放(U5A)的同相输入端接第一电阻(R2)，第一电阻(R2)接信号负载电阻(R11)，第一运放(U5A)的反相输入端和输出端之间接第二电阻(R3)。
3.根据权利要求2所述的故障电弧保护装置，其特征在于，所述信号调理放大电路(6)由变阻器(VR2)、第三电阻(R12)和第二运放(U5B)组成，第二运放(U5B)的同相输入端接电压跟随电路(4)的输出端，第二运放(U5B)的反相输入端接第三电阻(R12)，第二运放(U5B)的反相输入端和输出端之间接变阻器(VR2)，第二运放(U5B)输出端连接由第四电阻(R4)和第五电阻(R10)组成的上拉电路，上拉电路的接出端连接A/D采样电路(5)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的故障电弧保护装置，其特征在于，所述微处理器(2)为自带A/D采样电路的微处理器。
5.根据权利要求4所述的故障电弧保护装置，其特征在于，所述脱扣驱动电路(1)由相串联的第六电阻(R1)和光耦(01)组成。
6.根据权利要求5所述的故障电弧保护装置，其特征在于，所述脱扣组件(3)为连接光耦(01)的脱扣器(K1)。
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