CN103278734B - 一种电弧故障探测装置及其探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电弧故障探测装置，包括电源模块、信号采集处理单元和中央处理运算单元及能控制负载通断电的控制输出单元，所述中央处理运算单元通过负载电弧特征库、负载电弧类型分析模块以及负载电弧判断模块来识别电弧，并向所述控制输出单元输出控制信号来控制负载线路的通断。有效避免了现有技术中电弧检测装置无法区分回路中的负载特性，不能充分识别回路中的电弧的问题，提供一种可以根据电弧的特性进行自动调整、充分识别电弧的电弧故障探测装置及其检测方法。

Description

一种电弧故障探测装置及其探测方法

技术领域

本发明涉及一种电弧故障探测装置，属于电路保护技术领域。

背景技术

电弧是电流通过绝缘介质所产生的瞬间火花。在大气中开断或闭合电压超过10V、电流超过100MA的电路时，在电器的触头间隙中会产生电弧。电弧发生时，会在极短的时间内释放巨大的能量。金属导电元件会汽化导致高温蒸汽和金属急剧膨胀。空气和金属汽化物迅速热膨胀会造成巨大声响的***和巨大的压力。且电弧产生后温度猛然升高，会使弧隙间气体发生热离，反过来又加剧了空气分子的电离，使电弧继续燃烧，从而加大了熄灭电弧的难度。由于电弧的温度非常高、长时间延续，极易引燃周围的可燃物形成火灾，但由电弧引起的短路电流较小，不足以使一般断路器动作跳闸切断电源。故障电弧已经成为引起电气火灾的主要原因之一，严重危害了大众生命财产的安全。因此故障电弧研究尤其是故障电弧检测方法研究显得尤为重要。

通过上述分析可知，电弧的产生可能会使触头烧坏严重时会造成短路甚至发生安全事故，因此必须采取有效措施及时检测出泄露的电路，才能迅速将电弧熄灭，以保证开关电器正常地工作。中国实用新型专利CN202230166U公开了一种故障电弧检测模块及电气火灾监控探测器，为实现因线路虚短、虚断而产生的故障电弧进行有效检测及预警，其通过高频信号采样单元采集电弧信号，并将信号传输给信号处理单元进行处理，最后将处理好的电弧信号传输给故障电弧分析单元，故障电弧分析单元收集到电弧信号，并采集电源零点采集单元的信息，来区分好弧、坏弧，如果检测到是坏弧将会向上端中央处理单元发出报警信号。在该技术方案通过高频采样单元采集电弧信号，通过与电源零点采集单元的采样信息的对比，来分析是否发生了电弧泄露，但是由于负载的类型较多，如容性负载、阻性负载等，负载不同会导致电弧的特征不同，将其都与所述电源零点的采样信息比较，对电弧的判断存在一定的偏差，因此该回路中检测出的电弧存在偏差，不能充分识别出回路发生的电弧，这样就导致了这个电路的安全性降低，提高了风险。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有技术中的电弧检测装置无法区分回路中的负载特性，不能充分识别回路中的电弧的问题，从而提供一种可以根据电弧的特性进行自动调整、充分识别电弧的电弧故障探测装置及其检测方法。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种电弧故障探测装置，包括：

电源模块：为所述电弧故障探测装置提供电源；

信号采集处理单元：包括设置在待测电路中的电流互感器、对所述电流互感器感应到的剩余电流和过电流进行采样处理的采样电路、以及对采样信号进行放大处理的放大电路；

中央处理运算单元，与所述信号采集处理单元连接，对所述信号采集处理单元的输出信号进行运算处理，

控制输出单元，与所述中央处理运算单元连接，根据所述中央处理运算单元的信号发送控制指令并执行通断操作；

所述中央处理运算单元包括：

负载电弧特征库：存储有负载电弧的类型以及其对应的负载电弧特征曲线和阈值；

负载电弧类型分析模块：对所述信号采集处理单元的输出信号进行特征分析，得到负载电弧特征参数，并将其与所述负载电话特征库中的负载电弧特征曲线进行对比，得到负载电弧的类型；

负载电弧判断模块：根据所述负载电弧的类型，将所述信号采集处理单元的当前输出值与所述阈值进行比较，当超过阈值时向所述控制输出单元输出动作信号。

所述所述中央处理运算单元采用单片机。

所述采样电路包括并联设置的采样电阻、电容以及钳位二极管；

所述放大电路包括一级放大电路和二级放大滤波电路，所述一级放大电路包括第一运放、连接在所述第一运放输入端负极和输出端之间的第一电阻、以及连接在所述第一运放输入端负极的第二电阻；所述二级放大滤波电路包括第二运放、连接在所述第二运放的输入端负极与输出端之间的第三电阻、连接在所述第二运放的输入端负极的第四电阻以及滤波电容，所述第四电阻与所述第二电阻连接，滤波电容的一端连接在所述第二运放的输出端，另一端连接在所述第二电阻和第四电阻的连接端。

所述控制输出单元包括脱扣控制器和继电器，所述脱扣控制器与所述继电器连接，所述单片机输出信号驱动脱扣控制器带动所述继电器动作，改变线路的通断状态。

所述电源模块包括AC/DC转换电路和DC/DC转换电路。

包括具有防浪涌电路和光电隔离电路的通讯处理单元，所述通讯处理单元与所述单片机连接、采用二总线通讯方式与上位机进行通讯。

还包括人机对话单元，所述人机对话单元与所述单片机连接；所述人机对话单元包括液晶显示器和/或键盘和/或蜂鸣器和/或指示灯。

一种电弧故障探测方法，包括如下步骤：

（1）通过电源模块为各个单元供电；

（2）通过电流互感器对线路中的剩余电流和过电流进行检测，然后将检测到的值经过采样电路进行信号采样，然后对采样后的信号进行放大处理，并传输给中央处理运算单元；

（3）所述中央处理运算单元对所述信号采集处理单元的输出信号进行特征分析，得到负载电弧特征参数，并将其与所述负载电话特征库中的负载电弧特征曲线进行对比，得到负载电弧的类型，根据所述负载电弧的类型，将所述信号采集处理单元的当前输出值与所述阈值进行比较，当超过阈值时向所述控制输出单元输出动作信号；

（4）根据所述中央处理运算单元的信号发送控制指令并执行通断操作。

所述步骤（3）中，特征分析方法为傅里叶算法，所述负载电弧特征参数包括相位角和电流频谱；所述负载类型包括阻性负载，感性负载，容性负载。

所述步骤（4）后还包括通讯处理单元将检测的电弧信息及动作状态进行传输的步骤。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

（1）本发明所述的电弧故障探测装置，包括能控制负载通断电的控制输出单元、信号采集处理单元和中央处理运算单元。所述信号采集处理单元采样负载线路中的剩余电流和过电流，经处理后将信号输入所述单片机；所述单片机对接收到的信息进行判断和分析，然后针对不同的检测结果向所述控制输出单元发出控制信号，改变所述控制输出单元的通断电状态，进而改变和所述控制输出单元连接的负载线路的通断，实现电弧故障探测装置及时探测及阻断负载线路中电弧的功能。所述中央处理运算单元中采用的单片机，在接收到检测电路的电弧采样信号后，所述单片机会首先根据当时电流和电压的关系，运用高效而准确的傅里叶算法进行特性分析，得到负载的相位角状态和电流频谱等参数，从而判断出电弧的类型。所述单片机对故障电弧的类型的判断是根据电弧特性曲线来区分的。为了能够判断如阻性负载、感性负载、容性负载等具有不同的相位差特征的各种负载的电弧类型，所述单片机中会存储绝大多数的负载的电弧特征，并采用自学习方式，在运行状态对产生的电弧进行实时的更新。各种特性的负载的电弧特征经由大量的实验及分析得出。有效避免了现有技术中电弧检测装置无法区分回路中的负载特性，不能充分识别回路中的电弧的问题，从而提供一种可以根据电弧的特性进行自动调整、充分识别电弧的电弧故障探测装置及其检测方法。

（2）本发明所述的电弧故障探测装置中，所述控制输出单元包括脱扣控制器和继电器。所述与所述继电器连接，所述单片机输出信号驱动脱扣控制器控制所述继电器动作，从而改变电路的通断状态。当所述单片机判断电路中产生电弧时，会给所述继电器传入一个达到规定要求信号量，所述继电器因会此动作改变状态，进而使和其相连的所述脱扣控制器跟随改变状态，动作断开连接的负载线路。所述开关型继电器可以用小电流去控制大电流运作，所述脱扣控制器接通后能够自动动作断开电路。所以所述脱扣控制器和所述继电器连接配合，经由所述单片机控制就可以实现自动开关电路的目的，使装置线路简便，易于操作。

（3）本发明所述的电弧故障探测装置，所述信号采集处理单元包括对电流进行采样的电流互感器、防止采样信号的电压过高或者过低的保护电路和滤波放大电路，所述电流互感器采样负载线路中的剩余电流和过电流，将其成比例变换成直流电后输入所述保护电路。如果采样信号的电压过高或者过低，所述保护电路会把多余的电流引出所述电弧故障探测装置的电路，从而保护所述装置的核心电路。通过所述电流互感器和所述保护电路处理的采样信号可以更加安全的输入后续电路中，大大降低所述电弧故障探测装置的器件损耗。

（4）本发明所述的电弧故障探测装置，所述滤波放大电路包括运算放大电路和放大滤波电路。所述保护电路将处理后的安全信号输入所述运算放大电路进行信号一级放大，信号放大后送入所述放大滤波电路进行二级信号处理；信号经两级放大电路的滤波放大处理后能将电弧信号更加准确的传送给中央处理运算单元进行判断处理。

（8）本发明所述的电弧故障探测装置，所述电源模块包括AC/DC转换电路和DC/DC转换电路，所述AC/DC转换电路与所述DC/DC转换电路连接。所述AC/DC转换电路将交流电转换成所述信号采集处理单元和所述人机对话单元电路的额定直流电压，所述DC/DC转换电路将此直流电压转换成所述中央处理运算单元和所述通讯处理单元的额定直流电压。所述的电源模块能够完成两次电压变化，可以直接满足所述电弧故障探测装置内各个电路的不同电压要求。

（5）本发明所述的电弧故障探测装置包括具有防浪涌电路和光电隔离电路的通讯处理单元。所述通讯处理单元与所述单片机连接、采用二总线通讯方式与上位机进行通讯。所述通讯处理单元具有抗电磁干扰能力超强的优势，使所述电弧故障探测装置在通过所述自定义的二总线通讯方式和上位机的通讯时，相比通过常见的RS485、CAN总线通讯更加稳定。

（6）本发明所述的电弧故障探测装置，所述通讯处理单元包括接收处理电路和信号发送电路，所述接收处理电路和所述信号发送电路具有防浪涌及光电隔离保护。上位机通过两条通讯总线发送串行数字电平控制信号到通讯处理单元，此电平控制信号经过所述接收处理电路送入所述中央处理单元分析处理后，作为控制信号来控制所述电弧故障探测装置。所述中央处理单元发送的数据信号通过所述信号发送电路处理后以串行数字电流方式与上位机通讯。所述电弧故障探测装置如果探测到电弧，所述信号发送电路会通过自定义的二总线通讯方式将电弧信号等数据实时传送到如电气火灾监控设备等上位机；这样在故障电弧发生时，所述电弧故障探测装置会起到及时报警的作用。

（7）本发明所述的电弧故障探测装置包括人机对话单元，所述人机对话单元与所述单片机连接。所述人机对话单元包括液晶和/或键盘和/或蜂鸣器和/或指示灯。所述人机对话单元能够使用户清晰直观地查看故障电弧探测装置运行状态及进行参数设置，能够实现实时监测受控回路电弧故障运行参数。设置键盘很好地完成人机对话的输入功能。设置LED指示灯指示故障电弧探测装置运行状态。设置蜂鸣器提示故障电弧探测装置报警状态。当有报警时，故障电弧探测装置发出火灾报警声信号提醒工作人员及时解决处理，此信号能手动消除，当再有报警信号输入时，火灾报警声信号能再次启动，并予保持，直至故障电弧探测装置复位。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中，

图1是本发明所述的电弧故障探测装置结构示意图；

图2、3、4、5是本发明所述电弧故障探测装置的电路图。

具体实施方式

实施例1：

本发明提供一种电弧故障探测装置，如图1所示，包括：

（1）电源模块：为所述电弧故障探测装置提供电源，所述电源模块包括AC/DC转换电路和DC/DC转换电路，所述AC/DC转换电路与所述DC/DC转换电路连接。

（2）信号采集处理单元：包括设置在待测电路中的电流互感器、对所述电流互感器感应到的剩余电流和过电流进行采样处理的采样电路、以及对采样信号进行放大处理的放大电路。所述采样电路包括并联设置的采样电阻、电容以及钳位二极管。所述放大电路包括一级放大电路和二级放大滤波电路，所述一级放大电路包括第一运放、连接在所述第一运放输入端负极和输出端之间的第一电阻、以及连接在所述第一运放输入端负极的第二电阻；所述二级放大滤波电路包括第二运放、连接在所述第二运放的输入端负极与输出端之间的第三电阻、连接在所述第二运放的输入端负极的第四电阻以及滤波电容，所述第四电阻与所述第二电阻连接，滤波电容的一端连接在所述第二运放的输出端，另一端连接在所述第二电阻和第四电阻的连接端。

（3）中央处理运算单元，与所述信号采集处理单元连接，对所述信号采集处理单元的输出信号进行运算处理，所述中央处理运算单元采用单片机，包括：

（3.1）负载电弧特征库：存储有负载电弧的类型以及其对应的负载电弧特征曲线和阈值，所述负载类型包括阻性负载，感性负载，容性负载。

（3.2）负载电弧类型分析模块：对所述信号采集处理单元的输出信号进行特征分析，所述特征分析方法为傅里叶算法，得到负载电弧特征参数，所述负载电弧特征参数包括相位角和电流频谱，并将其与所述负载电话特征库中的负载电弧特征曲线进行对比，得到负载电弧的类型；

（3.3）负载电弧判断模块：根据所述负载电弧的类型，将所述信号采集处理单元的当前输出值与所述阈值进行比较，当超过阈值时向所述控制输出单元输出动作信号。

（4）控制输出单元，与所述中央处理运算单元连接，根据所述中央处理运算单元的信号执行通断操作；所述控制输出单元包括和继电器，所述脱扣控制器与所述继电器连接，所述单片机输出信号驱动所述脱扣控制器控制继电器动作，从而改变负载线路的通断状态。

此外，上述装置还包括具有防浪涌电路和光电隔离电路的通讯处理单元，所述通讯处理单元与所述单片机连接、采用二总线通讯方式与上位机进行通讯；所述通讯处理单元包括接收处理电路和信号发送电路，上位机通过二总线发送的控制通过所述接收处理电路送入所述中央处理单元，所述中央处理单元发送的数据信号经过所述信号发送电路处理以串行数字电流方式与上位机通讯。另外，所述装置包括人机对话单元，所述人机对话单元与所述单片机连接；所述人机对话单元包括液晶显示器和/或键盘和/或蜂鸣器和/或指示灯。

本实施例所述的电弧故障探测装置对应的电弧故障探测方法，包括如下步骤：

（1）通过电源模块为各个单元供电，通过AC/DC转换电路和DC/DC转换电路提供各个单元所需的电压；

（2）通过电流互感器对线路中的剩余电流和过电流进行检测，然后将检测到的值经过采样电路进行信号采样，然后对采样后的信号进行放大处理，并传输给中央处理运算单元；

（3）所述中央处理运算单元对所述信号采集处理单元的输出信号进行特征分析，所述特征分析方法为傅里叶算法，然后得到负载电弧特征参数，所述负载电弧特征参数包括相位角和电流频谱。并将其与所述负载电话特征库中的负载电弧特征曲线进行对比，得到负载电弧的类型，所述负载类型包括阻性负载，感性负载，容性负载。根据所述负载电弧的类型，将所述信号采集处理单元的当前输出值与所述阈值进行比较，当超过阈值时向所述控制输出单元输出动作信号；

（4）根据所述中央处理运算单元的信号发送控制指令并执行通断操作。

实施例2：

本实施例所述的电弧故障探测装置，电路图如图2、图3、图4、图5所示，电源模块是AC/DC转换电路，采用ACDC1电源转换器将AC220V转换成DC5V电源用于探测装置信号采集处理用电、人机对话单元，采用UV3集成LDO电源块将DC5V电源转换成DC3.3V电源用于中央处理运算单元、通讯单元。信号采集处理单元模块是采样选用高导磁纳米晶电流互感器分别采样负载线路的剩余电流和过电流，互感器将感应电流信号通过采样电阻RS1、电容CS1、钳位二极管DS1电路处理。采样处理后信号送入由运放US1、电阻RS4、电阻RS6构成的运算放大电路进行信号一级放大，信号放大后送入由运放US2、电阻RS7、电容CS2构成放大滤波电路进行二级信号处理，最后送入中央处理运算单元24HJ64GP506单片机进行傅里叶解析运算处理。中央处理运算单元模块中采用PIC24HJ64GP506单片机，它是16bit高性能单片机，40M有53个可编程I/O口，12位多通道自动扫描A/D转换器、ProgramFlashMemory64KB,SRAMsize8K。

单片机将检测和接收到的信息进行判断、分析和处理，实现电气火灾探测器的实时故障电弧信息和预警、报警、控制信息显示及声光报警功能。单片机接收到检测电路的电弧后，对所述信号采集处理单元的输出信号进行特征分析，得到负载电弧特征参数，并将其与所述负载电话特征库中的负载电弧特征曲线进行对比，得到负载电弧的类型，然后根据所述负载电弧的类型，将所述信号采集处理单元的当前输出值与所述阈值进行比较，当超过阈值时向所述控制输出单元输出动作信号。在此，单片机首先根据当时电流和电压的关系，运用高效而准确的傅里叶算法进行特性分析，得到负载的相位角状态和电流频谱等参数，从而判断出电弧的类型。故障电弧的类型的判断是根据电弧特性曲线区分。为了满足各种特性的负载，如阻性负载，感性负载，容性负载，它们具有不同的相位差特征，需要大量的实验基础得出负载电弧特征，对绝大多数的负载电弧特征进行分析，将其存储在单片机中。这样就建立了负载电弧特征库，其中存储有负载电弧的类型以及其对应的负载电弧特征曲线和阈值。这样通过采用自学习方式，在运行状态对产生的电弧进行实时的更新。在人机对话单元中，为了方便用户清晰直观地查看故障电弧探测装置运行状态及进行参数设置，***设置了LCD全中文液晶显示器，能够实现实时监测受控回路电弧故障运行参数。设置键盘很好地完成人机对话的输入功能。设置LED指示灯指示故障电弧探测装置运行状态。设置蜂鸣器提示故障电弧探测装置报警状态。

当有报警时，故障电弧探测装置发出火灾报警声信号提醒工作人员及时解决处理，此信号能手动消除，当再有报警信号输入时，火灾报警声信号能再次启动，并予保持，直至故障电弧探测装置复位。当采样故障电弧信息超过设定的值时，探测装置输出报警保护输出、脱扣输出信号驱动继电器动作。控制输出采用开关型继电器，触点容量250VAC/5A。通讯处理单元模块中，电弧故障探测装置通过自定义的二总线通讯方式将电弧信号等数据实时传送到电气火灾监控设备。如发现了故障电弧，可以及时报警。上位机通过通讯总线L1、L2发送串行数字电平0V或24V控制信号到探测装置，控制信号经过由电阻、电容、二极管、稳压管、三极管、光耦UP1、UP2组成的接收处理电路后，再送入中央处理单元分析处理后控制探测装置。

探测装置的中央处理单元发送数据信号通过电阻RP1、RP2、RP3、RP4和光耦UP1、UP2构成的信号发送电路处理，以串行数字电流方式与上位机通讯。通讯处理单元采用TVS1双向浪涌二极管防浪涌保护，光耦UP1、UP2、UP3、UP4构成的光电隔离电路，该自定义的二总线通讯方式使探测装置和主机通讯相比常见的RS485、CAN总线通讯更加稳定，抗电磁干扰能力超强的优势。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种电弧故障探测装置，包括：

电源模块：为所述电弧故障探测装置提供电源；

信号采集处理单元：包括设置在待测电路中的电流互感器、对所述电流互感器感应到的剩余电流和过电流进行采样处理的采样电路、以及对采样信号进行放大处理的放大电路；

中央处理运算单元，与所述信号采集处理单元连接，对所述信号采集处理单元的输出信号进行运算处理，

控制输出单元，与所述中央处理运算单元连接，根据所述中央处理运算单元的信号发送控制指令并执行通断操作；

其特征在于，

所述信号采集处理单元还包括防止采样信号的电压过高或者过低的保护电路；

所述中央处理运算单元包括：

负载电弧特征库：存储有负载电弧的类型以及其对应的负载电弧特征曲线和阈值；

负载电弧类型分析模块：对所述信号采集处理单元的输出信号进行特征分析，得到负载电弧特征参数，并将其与所述负载电弧特征库中的负载电弧特征曲线进行对比，得到负载电弧的类型；

负载电弧判断模块：根据所述负载电弧的类型，将所述信号采集处理单元的当前输出值与所述阈值进行比较，当超过阈值时向所述控制输出单元输出动作信号。

2.根据权利要求1所述的电弧故障探测装置，其特征在于，所述中央处理运算单元采用单片机。

3.根据权利要求1或2所述的电弧故障探测装置，其特征在于所述采样电路包括并联设置的采样电阻、电容以及钳位二极管；

所述放大电路包括一级放大电路和二级放大滤波电路，所述一级放大电路包括第一运放、连接在所述第一运放输入端负极和输出端之间的第一电阻、以及连接在所述第一运放输入端负极的第二电阻；所述二级放大滤波电路包括第二运放、连接在所述第二运放的输入端负极与输出端之间的第三电阻、连接在所述第二运放的输入端负极的第四电阻以及滤波电容，所述第四电阻与所述第二电阻连接，滤波电容的一端连接在所述第二运放的输出端，另一端连接在所述第二电阻和第四电阻的连接端。

4.根据权利要求2所述的电弧故障探测装置，其特征在于，所述控制输出单元包括脱扣控制器和继电器，所述脱扣控制器与所述继电器连接，所述单片机输出信号驱动脱扣控制器带动所述继电器动作，改变线路的通断状态。

5.根据权利要求1所述的电弧故障探测装置，其特征在于，所述电源模块包括AC/DC转换电路和DC/DC转换电路。

6.根据权利要求2所述的电弧故障探测装置，其特征在于，包括具有防浪涌电路和光电隔离电路的通讯处理单元，所述通讯处理单元与所述单片机连接、采用二总线通讯方式与上位机进行通讯。

7.根据权利要求2或4或6所述的电弧故障探测装置，其特征在于，还包括人机对话单元，所述人机对话单元与所述单片机连接；所述人机对话单元包括液晶显示器和/或键盘和/或蜂鸣器和/或指示灯。

8.一种电弧故障探测方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)通过电源模块为各个单元供电；

(2)通过电流互感器对线路中的剩余电流和过电流进行检测，然后将检测到的值经过采样电路进行信号采样并利用保护电路将采样信号中多余的电流引出所述电弧故障探测装置的电路以防止采样信号的电压过高或者过低，然后再对采样信号进行放大处理，并传输给中央处理运算单元；

(3)所述中央处理运算单元对信号采集处理单元的输出信号进行特征分析，得到负载电弧特征参数，并将其与负载电弧特征库中的负载电弧特征曲线进行对比，得到负载电弧的类型，根据所述负载电弧的类型，将所述信号采集处理单元的当前输出值与阈值进行比较，当超过阈值时向控制输出单元输出动作信号；

(4)根据所述中央处理运算单元的信号发送控制指令并执行通断操作。

9.根据权利要求8所述的电弧故障探测方法，其特征在于，所述步骤(3)中，特征分析方法为傅里叶算法，所述负载电弧特征参数包括相位角和电流频谱；负载类型包括阻性负载，感性负载，容性负载。

10.根据权利要求8或9所述的电弧故障探测方法，其特征在于，所述步骤(4)后还包括通讯处理单元将检测的电弧信息及动作状态进行传输的步骤。